Лабораторные работы 5 симестр / Распределительные системы / UMP_FVP_3
.pdf
Рис. 5.7. Рупоры
Рассмотрим рупор, соединенный с концом волновода. Так как площадь раскрыва рупора больше площади отверстия волновода, то направленность излучателя намного усиливается. Кроме того, рупор, имея поперечное сечение, постепенно увеличивающееся к концу, создает плавный переход волнового сопротивления от волновода к свободному пространству. В этом можно убедиться на примере волны ТЕ01, для которой по мере увеличения широкой стороны поперечного сечения волновода b увеличивается критическая длина волны λкр = 2b и соответственно волновое сопротивление [5]
377 |
|
|
(5.8) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
2 |
||
|
1 |
|
|
|||
|
||||||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
кр |
|||
приближается к 377 Ом. Вследствие постепенного увеличения поперечного сечения рупор также вносит большое затухание для высших типов волн.
61
В данной работе используются конические рупоры. В таких рупорах обычно возбуждается волна типа ТЕ11. Волны в рупоре в основном имеют такой же характер, как в волноводе, но существуют некоторые отличия между электромагнитными полями рупора и волново-
да [5].
1. Фазовая скорость распространения волн Vф по мере их движения к раскрыву рупора убывает до скорости в свободном пространстве согласно формуле:
Vф |
|
|
c |
|
|
(5.9) |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
2 |
||
|
|
1 |
|
|
|
||
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
кр |
|||
2. Фронт волны в процессе движения в рупоре преобразуется из плоского в сферический. Фазовым центром этих волн является точка пересечения расширяющихся сторон рупора в данной плоскости. От этой точки отсчитывается длина рупора l.
Преобразование фронта волны в рупоре нарушает синфазность поля в раскрыве рупора, в результате чего снижаются направленные свойства антенны. Если этот сдвиг по фазе невелик (меньше 90°), то несколько уменьшается коэффициент усиления антенны; если же синфазность поля в раскрыве нарушена значительно, то наблюдается резкое искажение диаграммы направленности.
Ширина диаграммы направленности в электрической плоскости в коническом рупоре, расширяющегося в магнитной плоскости, равна
|
|
|
|
|
2 |
60 |
|
|
(5.10) |
|
||||
d
Ширина диаграммы направленности в магнитной плоскости конического рупора определяется по формуле
|
|
|
|
|
2 |
70 |
|
|
(5.11) |
|
||||
|
|
d |
|
|
62
Все рупорные антенны широкополосны. С увеличением длины волны, направленность рупора понижается за счет уменьшения размеров раскрыва по сравнению с длиной волны, но, с другой стороны, направленность усиливается за счет уменьшения фазовых искажений в раскрыве рупора.
К.п.д. рупорных антенн близок к 100%, потери в них происходят только на внутренней поверхности рупора, и эти потери невелики.
5.7Характеристики спектра радиосигналов
Врадиотехнике и электронике анализ формы электрических сигналов позволяет получить информацию о качестве радиоустройств,
линий связи и др. [2,3,8,9,12,14,16,17,23,29,30,34].
Однако этот способ анализа электрических сигналов не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым к анализу сигналов.
Более чувствительным и информативным является анализ спектральных характеристик сигналов. Спектральным анализом описывают не только колебательные процессы, но и свойства аппаратуры.
Для аналитических исследований физических процессов (если удовлетворяются условия Дирихле и абсолютной интегрируемости) применяют преобразования Фурье, которые позволяют представить сложный процесс множеством простейших компонентов: гармонических колебаний, собственных функций линейных систем с постоянными коэффициентами. Совокупность амплитуд (плотностей амплитуд для апериодических процессов) и начальных фаз, привязанных к
началу отсчета (t 0), всех частотных компонентов |
процесса f t |
называют спектральной функцией S . |
|
Спектральную функцию S находят прямым преобразовани- |
|
ем Фурье [3]: |
|
|
|
S f t e iω dt |
(5.12) |
|
|
63
Спектральная функция — функционал всего закончившегося процесса, а в практических исследованиях изучают незакончившиеся ко времени измерений процессы.
Чтобы устранить это несоответствие вводят понятие текущего частотного спектра
|
|
|
S |
f t e iω dt |
(5.13) |
|
|
|
который характеризует незакончившийся процесс в пределах , , искусственно прерываемый в момент τ .
Представив e iω cos t isin t , найдем
S |
|
f t cos t dt -i f t sin t dt |
(5.14) |
|
|
|
|
Косинусная и синусная составляющие текущего спектра представляют собой совокупность коэффициентов ak и bk преобразова-
ния Фурье, которые на интервале T
2 t T
2 имеют вид
a |
|
|
2 |
|
T 2f cosk d ; |
||
|
|
|
|||||
|
k |
|
T T |
2 |
0 |
||
|
|
|
|
|
|
|
(5.15) |
b |
|
|
2 |
T 2f sin k d . |
|||
|
|
||||||
k |
|
T T |
2 |
0 |
|||
Таким образом, любой сигнал можно разложить на конечное число гармоник с частотами kf0 k
T и амплитудой Ck 
ak2 bk2 .
В практике наиболее часто требуется знание спектра S 2 .
Вклад |
|
Ck |
|
2 в среднюю мощность на частоте kf0 называется интен- |
|
|
64
сивностью сигнала на этой частоте, а график величин Ck 2 в зависи-
мости от k — линейчатым спектром Фурье.
Кроме этих основных характеристик спектр сигналов характеризуется формой и шириной.
5.8 Лабораторная работа №1 “Изучение директорной антенны”
Методика измерения характеристик и параметров антенн
В лаборатории измеряются ДН, поляризационная диаграмма, КНД. Рассмотрим методику их измерения.
На рис. 5.8 показана структурная схема лабораторной установки, используемой во всех лабораторных работах при исследовании антенн.
Рис. 5.8. Структурная схема лабораторной установки:
1 — генератор высокочастотного сигнала; 2 — вспомогательная передающая антенна (антенна, расположенная в точке наблюдения), имеющая линейную поляризацию; 3 — исследуемая антенна, работающая в режиме приема; 4 — детекторная секция; 5 — индикаторный прибор.
65
Исследуемая антенна поворачиваться вокруг вертикальной оси А-А. Это эквивалентно изменению угла θ радиоисточника. Вспомогательная антенна 2 может поворачиваться вокруг оси Z, что эквивалентно изменению угла φ радиоисточника.
Измерение диаграммы направленности
Диаграмма направленности исследуемой антенны измеряется в режиме приема.
Вольт-амперная характеристика детекторной секции близка к квадратичной. Поэтому сигнал на индикаторе пропорционален квадрату напряженности электрического поля в линии передачи, т.е. уровню ненормированной диаграммы направленности f(θ) исследуемой антенны. Следовательно, при вращении исследуемой антенны вокруг вертикальной оси (по углу θ) показание индикаторного прибора I(θ) изменяется по закону f(θ), и ненормированная ДН исследуемой антенны определяется соотношением
f ( ) |
I( ) , |
(5.16) |
нормированая ДН –
F( ) |
I( ) |
, |
(5.17) |
|
|||
|
Imax |
|
|
где Imax — ток в индикаторном приборе, соответствующий главному максимумуДН.
Измерение коэффициентанаправленного действия
Измерение КНД производится в режимеприема в следующей последовательности:
измеряется сигнал по индикаторному прибору, соответствующий главномумаксимумуДНисследуемой антенны— Iи,а;
66
исследуемая антенна заменяется на эталонную с известным коэффициентом направленногодействия — КНДэ,а;
измеряется сигнал по индикаторному прибору, соответствующий приемуна эталоннуюантенну— Iэ,а;
рассчитывается КНД исследуемой антенны поформуле
КНД КНДэ.а. |
Iн.а. |
(5.18) |
|
Iэ.а. |
|||
|
|
Для расчета диаграмм направленности антенны “волновой канал” в работе используется следующая формула:
sin la (1 cos )
F( ) A |
|
|
|
|
|
|
la |
, |
(5.19) |
||
|
|
(1 cos ) |
|
||
|
|
|
|
||
где λ — длина волны излучаемого сигнала, la — общая длина антенны (от рефлектора до директора), φ — угол, отчитываемый от стрелы антенны, А — коэффициент, отражающий направленность полуволнового вибратора; для вертикальной плоскости А=1, для горизонтальной:
|
cos( |
2 |
lsin ) cos |
2 |
l |
|
|||
|
|
|
|
||||||
A |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
. |
(5.20) |
||||
|
|
|
|
||||||
|
|
sin |
2 |
l cos |
|
||||
|
|
|
|
||||||
Для расчета диаграмм антенн, состоящих из нескольких вибраторов, в программе суммируются F(φ) каждого вибратора с учетом сдвига фаз, зависящих от расстояния между вибраторами.
Работа с лабораторной установкой
Работа с лабораторной установкой начинается с запуска исполняемого файла «Project1.exe» из каталога программы.
67
При запуске программы на экране монитора появляется окно заставки, содержащее ссылки для дальнейшего выполнения работы
(рис. 5.9).
Рис. 5.9. Окно заставки.
При вызове команды «Приступить к работе» происходит переход к главному окну выполнения работы (5.10).
Щелкая по ссылке «Читать допуск» осуществляется переход к окну чтения допуска, а по ссылке «Сдать тест» — переход к окну тестирования.
В окне чтения допуска находится текст допуска, разбитый на 6 разделов. Навигация по разделам допуска осуществляется при помощи раскрывающегося списка с названиями разделов, либо при помощи кнопок «Следующий» и «Предыдущий», позволяющих перейти соответственно к следующему и предыдущему разделу (рис. 5.11).
После прочтения допуска иметься возможность проверить свои знания при помощи тестирования. Для этого необходимо нажать кнопку «Сдать тест».
68
Рис. 5.10. Главное окно выполнения лабораторной работы.
Рис. 5.11. Окно чтения допуска.
69
Пример тестирования показан на рис 5.12.
Рис. 5.12. Окно тестирования.
Входе тестирования пользователю задается 6 разных вопросов
ипредлагается 3 варианта ответа на каждый из них. Тестируемому необходимо выбрать один вариант ответа и нажать на кнопку «Дальше». По окончании тестирования на экране отображается количество правильных ответов.
Закрыв окно тестирования, можно перейти к главному окну выполнения работы.
Порядок выполнения лабораторной работы
Выполнение лабораторной работы осуществляется в главном окне программы (рис 5.10).
Это окно состоит из следующих элементов:
Изображение антенны. Находится в верхнем левом углу, отображает состав антенны.
Группа элементов «Состав антенны». Служит для выбора составляющих директорной антенны: рефлектора и директора.
Группа элементов «Параметры диаграммы». Отображает 3 основных параметра диаграммы направленности: КНД — коэффи-
70