Методичка - лаб.СВЧ_Е2

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемый лабораторный практикум состоит из двух разделов: в первом рассмотрены характеристики антенны и изложены методы из­ мерений и обработки результатов, во втором приведены описания са­ мих лабораторных работ.

Основное внимание составители уделяют изучению основных ти­ пов антенн и их характеристик , ознакомлению с новыми способами ис­ следования антенн, сопоставлению теоретических и экспериментальных методов, используемых при решении дифракционных задач. Это опреде­ лило стиль пособия: некоторые работы не являются традиционными, а в других используются нетрадиционные методы расчета.

Большое количество поставленных работ, достаточная полнота из­ ложения теоретических аспектов, глубокий анализ физических явлений позволили не только проиллюстрировать изучаемый курс, но и значи­ тельно дополнить его. Именно поэтому в данном практикуме не указы­ вается конкретный порядок выполнения самой работы: студенты получа­ ют от преподавателя индивидуальное задание.

В составлении описаний лабораторных работ также участвовали В.С.Барабошкин, А.Д.Куков, Н.М.Ляпунова, В.К.Пиляленко, Г.А.Ферсман.

1 . OCHOBHUE ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНШ

Диаграмма направленности антенны и методика ее эксперимен­ тального исследования

^Передающая антенна предназначена для преобразования энергии тока и напряжения в энергию электромагнитного поля._ Ни большом по сравнению с длиной волны и размерами антенны расстоянии ( Т >> 7 » В ) напряженности электрического и магнитного полей обратно

пропорциональны расстоянию 7 ; причем на одинаковом расстоянии от антенны, но в различных направлениях, характеризуемых углами т)' и у сферической системы координат, величина напряженности поля раз­ лична. Напряженность электрического поля*^в дальней зоне может быть

тация этого вектора может зависеть от времени ^ и от координат гУ и у ; Е (ъ)- максимальное значение амплитуды напряженности элек­ трического поля для выбранного расстояния; & (& ,¥ )- нормированная амплитудная характеристика направленности, равная отношению модуля электрического поля £ (& ,*/) , найденного в данном направлении, к Ет ; Ф (i> Ч>) - фазовая характеристика антенны, дащая зависимость фазы поля в функции координат & , У при постоянном расстоянии 7 от точки наблюдения до выбранной точки на антенне ; к = 2Я/С* - вол­ новое число ; СЭ - круговая частота.

Напряженность магнитного поля в дальней зоне в случае однородной изотропной среды без потерь синфазна с напряженностью электричес­ кого поля и отличается от последней сомножителем, зависящим от свойств среды. Для свободного пространства этот сомножитель равен 1/377 Сим.

Нормированную к единице зависимость величины поля от направле­ ния в пространстве на неизменном от антенны расстоянии называют ха­ рактеристикой направленности. Графическое изображение характеристи­ ки направленности носит название диаграммы направленности.

Приемная антенна так же, как и передающая, обладает направлен­ ным действием, ибо амплитуда электродвижущей силы, наводимой в ней, зависит от направления прихода электромагнитной волны. Зависи­ мость нормированной к единице электродвижущей силы от направления прихода волн с одинаковыми напряженностями поля также называют ха­ рактеристикой направленности.

Как видно из приведенной формулы, диаграмма направленности яв­ ляется характеристикой, не зависящей от расстояния. Однако это, как уже было отмечено, справедливо на больших расстояниях от антенны по сравнению с рабочей длиной волны и размерами антенны. В то же время для каждой антенны существует минимальное расстояние , за­ висящее от ее типа, размеров, рабочей длины волны и некоторой доцустимой ошибки, при которой диаграмма направленности получается прак­ тически такой же, как и на бесконечности.

Для оценки величины Zmtn следует руководствоваться двумя соображениями. Первое заключается в том, что для конечного расстоя­ ния между точкой наблюдения и антенной поля излучения от отдельных частей антенны в направлении главного максимума будут складываться

зовая ошибка приводит максимум к 8 - или 2-процентной амплитудной ошибке соответственно.

Второе соображение состоит в том, что существует сложная за ­ висимость от расстояния структуры поля от каждого элементарного участка антенны, идлучаедего как диполь. Точные выражения для со­ ставляющих поля излучения диполя содержат члены, величина которых изменяется обратно пропорционально первой, второй и третьей степени расстояния. На близких расстояниях преобладают ноля, изменяющиеся

зона квазистатичвского поля. Во второй зоне все три слагаемых имеют примерно одинаковую величину. Эта зона называется промежуточной, или зоной индукции. На больших расстояниях преобладает ноле, изме­ няющееся обратно пропорционально первой степени расстояния. Такое

поле называют полей излучения, а зона - дальней или волновой зоной. Диаграмму направленности измеряют в дальней зоне. Для опреде­

ления границы дальней зоны задаются величиной отношения составляю­ щих полей излучения, обратно пропорциональных второй и третьей сте­

измерения проводятся при помощи вспомогательного излучателя с раз­ мерами, малыми по сравнению с длиной волны. Эта оценка будет также справедлива, если одна из антенн существенно больше другой, при этом в приведенную формулу подставляется размер максимальных разме­ ров антенны. Для определения 'Irnin ПРИ Использовании двух антенн (приемной и передающей) с одинаковыми поперечными размерами следует

исходить из допустимой суммарной фазовой ошибки, т .е . 1min y b - v e f k . Если антенны имеют размер порядка половины длины волны, достаточно

а вспомогательный излучатель, подключенный к генератору, неподвижен

антенн. Сигнал с выхода исследуемой антенны через детекторную сек­ цию (в случаях слабого сигнала должен бить использован усилитель) поступает на измерительный прибор. При вращении исследуемой антен­ ны прибор показывает зависимость тока через диод детекторной секции от угла поворота антенны. ^Для определения величины наведенной э . д .с ., через которую определяетсядиаграмма направленности, необходимо знать амплитудную характеристику приемного тракта, а именно-детек- тора и усилителя. С этой целью проводят калибровку приемного тракта.

Процесс измерения диаграмм направленности может быть автомати­ зирован. Для этого выход измерительного усилителя подключается к самописцу. Вращение антенны синхронизируют с движением ленты само­ писца. При полуавтоматическом измерении движение ленты самописца включают одновременно с приводом вращения антенны, а градуировку

пределах главного максимума измерения следует проводить не менее чем в 8-10 точках, причем особенно тщательно должны быть исследова­ ны области максимума и минимума. Для боковых лепестков достаточно взять 4 -5 точек. В тех случаях, когда требуется более точно изме­ рить уровень боковых лепестков, следует пользоваться аттенюаторами или декадными переключателями измерительных усилителей.

В ряде случаев, когда размеры антенны велики по сравнению с длиной волны, расстояние дальней зоны может~оказаться значительным. Поэтому для получения достоверных результатов при измерении диаграм­ мы направленности на малых расстояниях часто используются два способа. *

Первый способ: по апертуре исследуемой антенны на время изме­ рений создают такое фазовое распределение, которое компенсирует квадратичную фазовую ошибку за счет малого расстояния между антен­ нами. Такой способ применяют в лабораторной работе при исследовании диаграммы направленности зеркальной параболической антенны.

Второй способ: измеряют амплитуду и фазу распределения поля по некоторой поверхности, находящейся вблизи антенны, и по полученным данным рассчитывают поле в дальней зоне. Этот метод в настоящее вре­ мя широко используется при определении диаграмм направленности боль­ ших ант нн и ему посвящена лабораторная работа "Определение поля антенн:- по результатам измерений в бпгшей зоне".

ft

(

Измерение диаграммы направленности (ДН) вг*утри помещения от­ личается некоторыми особенностями, связанными с тем, что поле, из­ лучаемое вспомогательной антенной, многократно переотражается сте­ нами, измерительной аппаратурой и другими предметами. Все это при­ водит к тому, что испытуемая антенна принимает не тслько прямой сигнал, но и, отраженirue, в результате чего измеренная ДН отличается от действительной. Это явление особенно сказывается при работе со слабонаправленными енте*шами в метровом и дециметровом диапазонах. Поэтому при измерении ДН нужно найти такое положение стойки с ан­ тенной, в котором искажения были бы сведены к минимуму. Например, при исследовании вибраторной антенны это осуществляется незначитель­ ным (в пределах рабочей длины волны) перемещением стойки для полу­ чения одинаковых уровней сигнала в направлениях, соответствующих максимумам ДН одиночной вибраторной антенны.

Измеренные ДН должны быть обработаны и изображены графически. Они могут быть построены в полярной (широкие ДН) или в декартовой (узкие ДН) системе координат, в линейном (ДН с большими боковыми лепестками) или логарифмическом (ДН с низким уровнем боковых лепест­ ков) масштабе. При обработке ДН следует учесть, что показания из­ мерительного прибора в силу квадратичности вольт-амперной характе­ ристики детектора пропорциональны мощности принятого сигнала или квадрату наводимой э .д .с . Поэтому для построения ДН по напряженнос­ ти поля показания прибора А ( в ) нормируются к единице и из полу­ ченного результата извлекается квадратный корень, т .е .

=Се ) / / » * , « '

или при использовании логарифмического масштаба изображения ДН

'* А п а х

Для получения более достоверных данных измерительный тракт не­ обходимо прокалибровать. Для этого исследуемую антенну устанавливают так, чтобы принимаемый сигнал был максимальным, и, вводя фиксирован­ ные затухания при помощи аттенюатора, отмечают уровни принимаемого сигнала. Указанная операция обязательна для работ, где требуется по­ вышенная точность измерений или измерительный усилитель обладает не­ линейной характеристикой.

В последнее время широкое распространение получило картографи­

Для практических расчетов по этой формуле необходимо знание объемной диаграммы направленности.

Как видно из полученного выражения, чем быстрее уменьшается функция %FC&,¥) от своего максимального значения, тем меньше величина интеграла, стоящего в знаменателе, и том больше 1ВД.

Более полно, чем 1ЩЦ, эффективность антенны определяет коэффи­ циент усиления G Коэффициентом усиления называют отношение мощ­ ности излучения Pg0 ненаправленной антешм к мощности Рл , подводимой к направленной антенне, при условии создания ими на оди­ наковом расстоянии равной напряженности поля:

В ряде случаев при исследовании шумовых характеристик антенн интерес представляет так называемый коэффициент рассеяния антенны, равный отношению мощности бокового и заднего излучения к полной

7

но, можно рассчитать коэффициент усиления (точнее - коэффициент на­ правленного действия) антенны. Однако, как правил?, распределение излучения известно не полностью, а лишь на отдельных участках (на­ пример, диаграммы направленности в двух ортогональных плоскостях) ; да и само интегрирование зачастую связано с большими :