Результаты экспериментального исследования диаграммы направленности антенны

Угол , градусы	, дБ
0
+ 2
---
+ 180
- 2
---
- 180

Обработка результатов измерения

По результатам эксперимента (см. табл. 3.1) рассчитайте нормированную диаграмму направленности исследуемой антенны по формуле

, дБ, (3.16)

где _макс() - максимальное значение в табл. 3.1.

Измерьте геометрические размеры исследуемой антенны и рассчитайте теоретическую диаграмму направленности по модулю выражения (3.4), если экспериментальная диаграмма направленности снята в Н-плоскости, либо по модулю выражения (3.9), если экспериментальная диаграмма направленности снята в Е-плоскости.

Рассчитайте теоретическую нормированную диаграмму направленности по формуле

[дБ], (3.17)

где Fi() - значения модуля рассчитанной диаграммы направленности по выражению (3.4), либо по выражению (3.9).

Результаты расчетов по выражениям (3.16) и (3.17) занесите в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Результаты расчетов диаграммы направленности антенны

Угол , градусы	Fэксп, дБ	F т.н, дБ
0
+ 2
---
+ 180
- 2
---
- 180

По данным из табл. 3.2 постройте экспериментальную и теоретически рассчитанную диаграммы направленности. Вид диаграмм направленности (один из возможных вариантов) приведен на рис. 3.8.

Р и с. 3.8. Диаграммы направленности антенны

На экспериментальной диаграмме направленности определите ее ширину по уровню «-3 дБ» (по уровню половинной мощности) 2_0.5.

Рассчитайте ширину теоретической диаграммы направленности по выражению (3.6), если экспериментальная диаграмма направленности снята в Н-плоскости, либо по выражению (3.11), если экспериментальная диаграмма направленности снята в Е-плоскости.

Рассчитайте коэффициент направленного действия D_макс исследуемой антенны по выражению (3.14).

Окончание лабораторной работы

С разрешения преподавателя выключите лабораторную установку и сдайте рабочее место лаборанту.

Содержание отчета по выполненной работе

В письменном отчете должны быть отражены:

1) структурная схема лабораторной установки;

2) таблицы с результатами измерений и расчетов;

3) графики, построенные по результатам измерений и расчетов;

4) выводы по результатам измерений и расчетов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие виды рупорных антенн Вы знаете?

2. Каким критериям должны отвечать оптимальные рупорные антенны?

3. Какими преимуществами обладают рупорные антенны по сравнению с антеннами типа «открытый конец волновода»?

4. Какие допущения сделаны при теоретическом анализе параметров рупорных антенн?

5. Какие способы используются для выравнивания фазового фронта волны в раскрыве рупорной антенны?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АНТЕННЫХ

УСТРОЙСТВ СВЧ-ДИАПАЗОНА

Цель работы -экспериментальное исследование электрических характеристик диэлектрических стержневых антенных устройств.

Диэлектрические стержневые антенные устройства являются антенными устройствами поверхностных волн, в которых волна направляется вдоль прямолинейного стержня. Эти антенны находят широкое применение в диапазоне СВЧ как самостоятельный тип антенн, так и как составная часть более сложных антенн.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕВЫХ АНТЕННЫХ УСТРОЙСТВ

Диэлектрические стержневые антенны относятся к антеннам бегущей волны с замедленной фазовой скоростью (V_ф < с). Они применяются на границе дециметрового и сантиметрового диапазонов волн в полосе частот от 2 до 10 ГГц.

На рис. 4.1 приведена наиболее типичная схема диэлектрической стержневой антенны.

Р и с. 4.1. Диэлектрическая стержневая антенна

Она представляет собой диэлектрический стержень 1, возбуждаемый круглым волноводом 2 с возбудителем 3 и питающим фидером 4. В зависимости от требований, предъявляемых к антенне, поперечное сечение стержня, возбудитель и его питание могут изменяться. Наиболее часто используются цилиндрические и конические стержни.

Диэлектрический стержень антенны можно рассматривать как отрезок диэлектрического волновода. Из теории диэлектрических волноводов известно, что в них могут распространяться как симметричные, так и несимметричные волны. Волны симметричного типа, как правило, не используются в диэлектрических стержневых антеннах, так как вследствие осевой симметрии они не излучают вдоль оси стержня.

Основной волной, используемой с этой целью, является несимметричная волна типа Н₁₁ (рис. 4.2). Отличие структуры поля волны типа Н₁₁ в диэлектрическом стержне от структуры поля этой волны в круглом волноводе заключается в том, что линии электрического поля не строго перпендикулярны к границе раздела сред «диэлектрик - воздух» и вне диэлектрического стержня существует наружное поле.

Р и с. 4.2. Электромагнитное поле в диэлектрическом стержне

Материал, из которого сделана антенна (полистирол или другой диэлектрик), имеет диэлектрическую проницаемость значительно больше, чем воздух. Электромагнитная волна, возбуждаемая в диэлектрике, двигаясь внутри стержня, отражается от его поверхности и совершает путь в виде ломаной линии, как в обычных волноводах (рис. 4.3). У поверхности антенны происходит явление, напоминающее полное внутреннее отражение. Частично волны преломляются на границе раздела двух сред и преломленные лучи выходят в окружающее пространство под таким углом, что диаграмма направленности получается сжатой. Постепенное сужение диэлектрического стержня улучшает согласование антенны с открытым пространством.

Скорость распространения волны вдоль диэлектрического стержня мало зависит от длины волны, поэтому диэлектрическиестержневые антенны широкополосные и их полоса пропускания ограничивается, в основном, диапазонными свойствами возбуждающего устройства. При широкополосном возбудителе она может достигать 40 – 50 %.

Р и с. 4.3. Распространение волны в диэлектрическом стержне

Преимуществом диэлектрических антенн является простота конструкции и малые поперечные размеры. Как и у всех антенн типа бегущей волны с замедленной фазовой скоростью, их особенностью является то, что сужение диаграммы направленности происходит за счет увеличения не поперечных размеров антенны, а продольных размеров при малом поперечном. Эта особенность определяет их применение, в частности, в авиационных радиоустройствах.

Недостатком диэлектрических стержневых антенн является сравнительно малая пропускаемая мощность и малая направленность излучения (ширина диаграммы направленности 2_0.5 20-25⁰)

Конструктивно диэлектрические стержни антенны могут выполняться в виде цилиндра (рис. 4.4), либо в виде усеченного конуса (рис. 4.5).

Фазовая скорость v_ф распространения волны вдоль стержня зависит от диэлектрической проницаемости материала, а также от соотношения между диаметром стержня d и длиной волны λ. От этих параметров зависит соотношение между величиной мощности, переносимой внутри стержня и вне его.

При малом диаметре d < λ/4фазовая скорость волны вдоль стержня близка к скорости света в свободном пространстве, при этом большая часть всей мощности проходит вне стержня и роль последнего незначительна.

Р и с. 4.4. Диэлектрическая антенна с цилиндрическим стержнем

Р и с. 4.5. Диэлектрическая антенна с коническим стержнем

Для стержней с диаметром порядка λ и более фазовая скорость волны заметно понижается и приближается к значению, соответствующему распространению волн в неограниченном диэлектрике:

,

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Отношение с/v_ф называется коэффициентом укорочения волны γ. Коэффициентом укорочения волны зависит от ε материала стержня и отношения d/λ. На рис. 4.6 показаны графики зависимости величины 1/γ от отношения d/λ для некоторых значений ε.

Для диэлектрической антенны с коническим стержнем коэффициент укорочения

,

где γ₁ соответствует d_макс/λ;

γ₂ соответствует d_минс/λ.

Р и с. 4.6. Зависимость v_{ф /} с от отношения d/λ

Между длиной стержня L (в долях длин волн) и коэффициентом γ существует оптимальное соотношение, при котором получается максимальный коэффициент направленного действия вдоль оси антенны:

(4.1)

или

. (4.2)

При проектировании антенны обычно задаются длиной L (обычно L = 6λ) и диэлектрическим материалом (ε). Тогда из выражения (4.1) определяется γ_опт. Из графиков (см. рис. 4.6) находится оптимальное соотношение d/λ.

В случае применения конического стержня для определения d_макс и d_мин применяются выражения, полученные на основе опытных данных:

; (4.3)

. (4.4)

Диаграмма направленности антенны определяется выражением

. (4.5)

Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности

, град. (4.6)

Коэффициент направленного действия антенны

. (4.7)

Эффективность возбуждения антенны характеризуется отношением величины мощности, переносимой волной Н₁₁в диэлектрическом стержне к полной мощности, подводимой к антенне.

В диапазоне относительно низких частот (f < 4 ГГц) наибольшее распространение получила схема возбуждения (см. рис. 4.1), при которой штыревой вибратор возбуждает диэлектрический стержень, заполняющий круглый волновод. Вибратор является продолжением внутреннего проводника коаксиальной линии, питающей антенну. Такой возбудитель называется волноводно-коаксиальным переходом. Размеры и положение вибратора в круглом волноводе выбираются так, чтобы отражения, вызываемые его входным сопротивлением в питающей коаксиальной линии в рабочем диапазоне частот, были достаточно малыми.

Рис. 4.7. Возбуждение антенны

с помощью двойного волноводно-коаксиального перехода

В диапазоне более высоких частот (f > 4 ГГц) коаксиальная линия для питания антенн не используется вследствие роста потерь в линии и технологических трудностей ее изготовления. В этом случае применяется волноводное питание антенн путем прямого перехода от прямоугольного волновода к круглому (рис. 4.7) или с помощью двойного волноводно-коаксиального перехода (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Возбуждение антенны прямоугольным волноводом

Согласование двойного коаксиального перехода с волноводной линией осуществляется выбором положения вибратора в прямоугольном волноводе.