АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

Кафедра радиотехники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Методические указания к выполнению

лабораторных работ

 

(для студентов всех форм обучения специальностей 380340 - Радиотехника, 380540 - Радиосвязь, радиовещание и телевидение, 380740 – Системы и     средства подвижной связи, 380940 – Радиосвязь и радионавигация.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы 2003

СОСТАВИТЕЛИ: В.Л. Гончаров, А.Х. Хорош.

Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн.

Методические указания к выполнению лабораторных работ (для    студентов всех форм обучения специальностей «Радиотехника», «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», «Системы и средства подвижной связи» и «Радиосвязь и радионавигация»).-Алматы: АИЭС, 2004.-32 с.

 

Методические указания содержат указания по подготовке и проведению лабораторных работ, в них приведены описания каждой лабораторной работы, экспериментальных установок, дана методика проведения и обработки опытных данных, перечень рекомендуемой литературы и контрольные вопросы.

         Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальностей 380340 - Радиотехника, 380540 - Радиосвязь, радиовещание и телевидение, 380740 – Системы и средства подвижной связи, 380940 – Радиосвязь и радионавигация.

Ил. табл. библиогр. – 7 назв.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рецензент: канд. тех. наук, доц. В.С. Хачикян.

 

 

 

 

 

 

 

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2003г.

 

 

 

 

 

 

Ó Алматинский институт энергетики и связи, 2004 г.

Введение

Методические указания предназначены для выполнения лабораторных работ по первой части курса «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн» студентами всех форм обучения специальностей 380340 - Радиотехника, 380540 - Радиосвязь, радиовещание и телевидение, 380740 – Системы и средства подвижной связи, 380940 – Радиосвязь и радионавигация».

Данные указания необходимо выполнять для правильного и наиболее полного выполнения задания лабораторных исследований некоторых типов антенн.

В настоящий сборник включены лабораторные работы, целью которых является изучение конструкции и принципов действия директорных, логопериодических, рупорных антенн и антенных решеток, освоение методики определения их основных характеристик и параметров. Материал по каждой лабораторной работе включает цель, краткое описание лабораторной установки, задание для самостоятельной подготовки, указания для выполнения работы, содержание отчета и контрольные вопросы.

Продолжительность каждого лабораторного занятия 4 часа.

Лабораторные работы рекомендуется выполнять бригадами в составе не более 3-4-х человек. Описание выполняемой работы должно быть предварительно изучено с привлечением   теоретического материала из лекционного курса или соответствующей литературы. Преподаватель, проводящий занятие, проверяет подготовленность студента и допускает его к выполнению работы.

Везде в описаниях, где у переменных величин встречается знак * предполагается, что необходимые для расчетов и выполнения работ параметры выдаются преподавателем, ведущим занятия.

Все отчеты по лабораторным работам выполняются на отдельных листах бумаги индивидуально каждым студентом.  Графики строятся на миллиметровой бумаге с указанием масштаба и размерности по осям. В конце отчета должны быть приведены краткие выводы о проделанной работе, в которых необходимо дать оценку полученным результатам, их соответствие теоретическим.

Перед началом лабораторных работ студенты должны прослушать инструктаж по технике безопасности.

Авторы благодарят Д.А.Ивановского за помощь в работе и компьютерной верстке.

 

 

ВНИМАНИЕ!!! При присоединении и отсоединении элементов от генератора необходимо его выключить. Генератор включать только на период проведения измерений. Этого требуют правила техники безопасности.


Лабораторная работа № 1

Исследование директорной антенны

1.1 Цель работы

Целью настоящей работы является изучение конструкции и принципа действия директорной антенны, экспериментальное определение ее диаграммы направленности (ДН), зависимости ширины диаграммы направленности от числа элементов антенны, а также освоение методики  настройки антенны и определения ее основных параметров и характеристик.

 

1.2 Описание лабораторной установки

В работе исследуются симметричный петлевой вибратор, двухэлементная, трехэлементная и пятиэлементная директорные антенны. Установка содержит: поворотное устройство, осуществляющее поворот антенны на заданный угол с узлом крепления антенны, комплект элементов исследуемой антенны, генератор высокочастотных колебаний, индикатор поля – приемную антенну с детекторной секцией и микроамперметром.

 

1.3 Домашняя подготовка

1.3.1 Изучить принцип действия системы связанных вибраторов  и директорной антенны, блок-схему измерительной установки. Уяснить назначение и взаимодействие отдельных ее элементов. Изучить описание работы и руководство по эксплуатации используемых в работе приборов (Приложение Б).

1.3.2 Произвести конструктивный расчет пятиэлементной директорной антенны для диапазона волн от 20 до 70 см *. Конструктивный расчет антенны заключается в определении геометрических размеров вибраторов и расстояний между ними. Для того, чтобы ток рефлектора опережал по фазе ток активного вибратора, длину его выбирают несколько больше резонансной (0,5-0,6) λ. Ток директора должен отставать по фазе от тока в активном вибраторе, причем ток каждого последующего директора должен отставать по фазе от тока предыдущего, их длины выбираются с постепенно уменьшающимися размерами несколько меньше резонансной (0,4-0,48)λ. Расстояние между рефлектором и активным вибратором выбирают в пределах (0,1-0,25)λ, а расстояние между первым директором и активным вибратором, а также между директорами в пределах (0,1-0,35)λ .

1.3.3 Рассчитать диаграммы направленности директорной антенны.

Диаграммы направленности директорной антенны  рассчитываются по формулам:

- в плоскости Е

                                (1.1)

 

 

 

 

- в плоскости Н

                                      (1.2)

 

         где     λ   -   длина волны в свободном пространстве;

                   N  -   число элементов вибраторной антенны;

                   dср - расстояние между вибраторами.

 

Данные для расчета выдаются преподавателем, ведущим лабораторные занятия.

 

1.4 Рабочее задание

1.4.1  Подготовить лабораторную установку к проведению измерений.

1.4.2 Измерить диаграммы направленности симметричных вибраторов с различной длиной плеч.

Схема лабораторной установки изображена на рисунке 1.1

 

Рисунок 1.1 ­­­-  Блок-схема измерений

 

Установить на поворотном устройстве симметричный вибратор перпенди-кулярно направлению на приемную антенну. Изменяя частоту генератора добить-ся наибольшего показания индикатора поля (микроамперметра). В этом случае вибратор является полуволновым резонансным. Осуществляя поворот антенны измерить диаграмму направленности с шагом 100 . Результаты измерения запи-сать в виде таблицы.

1.4.3  Измерить диаграммы направленности директорной антенны с различным числом элементов.

На более коротком конце стержня, предназначенного для закрепления на нем пассивных элементов, установить рефлектор – симметричный вибратор рас-четной длины. Подбором расстояния между петлевым вибратором и рефлектором, а также размера рефлектора добиться наименьшего излучения в направлении от

 

 

 

петлевого вибратора на рефлектор. Измерить и записать это расстояние и размеры рефлектора. Измерить ДН.

На более длинном конце стержня установить пассивный директор – сим-метричный вибратор более короткий, чем петлевой (согласно расчетам). Под-бором расстояния между директором и петлевым вибратором и размером директора добиться наибольшего излучения в направлении от петлевого вибратора на директор. Проверить отсутствие излучения в обратном направлении. В случае его наличия необходимо изменить расстояние между петлевым вибратором и рефлектором. Проверить наличие наибольшего излучения в направлении на директор. Данные операции последовательно повторять до полной настройки антенны, после чего осуществить подстройку частоты генератора и вновь проверить наличие наибольшего и наименьшего излучения в соответствующих направлениях. Измерить и записать расстояние между петлевым  и пассивными вибраторами. Измерить ДН.

Произвести подстройку и измерить ДН трех – и пятиэлементных директорных антенн. Для наглядности построить все графики ДН в полярной системе координат на одном рисунке. Определить ширину ДН и коэффициент защитного действия всех антенн. Результаты свести в таблицу.

 

     1.5  Содержание отчета

1.5.1.   Цель работы и блок-схема проводимых измерений.

1.5.2.   Результаты расчетного задания: размеры пассивных вибраторов и

         расстояния между ними, нормированные ДН директорной антенны.

1.5.3.   Данные эксперимента в виде таблиц и ДН в полярной системе координат.

1.5.4.   Выводы по работе, содержащие сравнение экспериментальных результатов с расчетами.

 

 

1.6  Контрольные вопросы

1.6.1 Что такое коэффициент защитного действия?

1.6.2 Что называется ДН излучателя?

1.6.3 Какая разница между входным сопротивлением излучателя и его сопротивлением излучения?

1.6.4 Может ли входное сопротивление излучателя быть равным его сопротивлению излучения?

1.6.5 Почему нежелательно использовать симметричный вибратор при относительных размерах  ℓ/λ>0,63?

1.6.6 Почему полное реактивное сопротивление рефлектора должно иметь индуктивный характер, а директора – емкостной?

1.6.7 Каков основной принцип работы директорной антенны?

1.6.8 Как обеспечить требуемый характер величины полного сопротивления пассивного вибратора в директорной антенне?

 

 

 

 

1.6.9 Что может служить критерием настройки рефлектора?

1.6.10       Почему взаимное сопротивление связанных активного и пассивного вибратора носит осциллирующий и затухающий характер с увеличением расстояния между ними?

1.6.11       В каких случаях вместо симметричного вибратора применяют шлейф-вибратор Пистолькорса?

1.6.12       Почему в случае пассивного рефлектора не удается получить коэффициент защитного действия равным бесконечности?

1.6.13       Почему реактивное сопротивление пассивных элементов зависит от их длины?

1.6.14       Что понимается под резонансом симметричного вибратора? Какими факторами определяется точное значение резонансной длины?

1.6.15       Изобразите распределение тока в шлейф-вибраторе Пистолькорса. Объясните, почему ДН этого излучателя совпадает с ДН симметричного вибратора такой же длины.

1.6.16       Какие преимущества имеют вибраторы большого поперечного сечения?

1.6.17       Почему вибраторные антенны можно выполнять в виде полых цилиндров (трубок)?

 


Лабораторная работа № 2

Исследование рупорных антенн

2.1 Цель работы

Целью настоящей лабораторной работы является освоение методики измерения диаграммы направленности, поляризационной диаграммы рупорной антенны и коэффициента стоячей волны (коэффициента отражения) в фидерной линии.

 

2.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из генератора СВЧ, измерительных рупорных антенн П6-23А с поворотным устройством, коаксиальной измерительной линии, измерителя мощности.

 

2.3 Домашняя подготовка

2.3.1 Изучить принцип действия рупорных антенн. Изучить описание работы и руководство по эксплуатации используемых в работе приборов (Приложение Б).

2.3.2 Рассчитать диаграммы направленности рупорной антенны на частоте ƒ*.

Нормированные амплитудные ДН рупорной антенны можно рассчитать по формулам:

 

- в плоскости Н

 

                             (2.1)

- в плоскости Е

 

                                            (2.2)

где     ар, bр  -   размеры раскрыва рупора (ар=340 мм, bр=255 мм);  

θH , θE  -  углы, отсчитываемые от оси рупора, рад.

 

2.3.3 Рассчитать коэффициент усиления рупорной антенны на частоте f *.

Коэффициент усиления антенны G связан с эффективной площадью антенны Аэфф соотношением

 

 

,                                                                (2.3)

 

где λ – длина волны;

Аэфф – эффективная площадь антенны, определяемая на рабочей частоте по частотной характеристике антенны (рисунок А.1  Приложение А).

                  

2.4 Рабочее задание

2.4.1 Собрать лабораторную установку (Рисунок 2.1). Измерить диаграмму направленности антенны П6-23А.

                                                

Рисунок  2.1 – Блок-схема установки для снятия ДН

 

Исследуемую антенну ориентировать на максимум излучения. Вращая антенну в горизонтальной плоскости в обе стороны, найти положение первого минимума диаграммы θ01  слева и справа. В соответствии с этим углом определить шаг изменения угла, необходимый для измерения главного лепестка ДН. Проведенные измерения в диапазоне углов от –900  до + 900 занести в таблицу и пронормировать. Аналогичным образом измерить ДН в вертикальной плоскости. Нормированные диаграммы направленности построить в декартовой системе координат. Определить по построенным зависимостям ширину диаграммы направленности и уровень боковых лепестков. На основании полученных данных рассчитать коэффициент усиления антенны

,                                           (2.4)

(   измеряются в радианах) и сравнить его с коэффициентом, полученным в п. 2.3.3

         2.4.2 Измерить поляризационную диаграмму антенны П6-23А.   Ориентиро-вать антенну на максимум излучения. Вращая приемную антенну вокруг про-дольной оси, изменить плоскость поляризации поля. В зависимости от угла пово-рота рупора антенны по стрелочному индикатору фиксируют изменение мощно-сти, принимаемой антенной. Полученная поляризационная диаграмма позволяет восстановить эллипс поляризации. При обработке результатов измерений следует

 

 

 

помнить, что показания всех индикаторов прямо пропорциональны принимаемой мощности излучения. Проведенные измерения в диапазоне углов 00 – 900 занести в таблицу и пронормировать. Нормированную поляризационную диаграмму построить в полярной системе координат.

2.4.3 Определить коэффициент стоячей волны.

 Измерение коэффициента стоячей волны (КСВ) в питающем фидере антенны  П6-23А в диапазоне частот 1.0 – 12 ГГц * производится методом минимума – максимума, используя распределение напряженности поля в измерительной линии. Лабораторная установка для измерения КСВ приведена на рисунке 2.2.

                  Рисунок 2.2 – Блок-схема установки для измерения КСВ          

 

Измерение КСВ производится при непосредственном подключении входа антенны к коаксиальной измерительной линии Р1-3. Измерение КСВ необходимо провести в 10 – 12 точках частотного диапазона антенны. Результаты измерений внести в таблицу.

2.4.4 Определить модуль коэффициента отражения.

Коэффициент отражения в фидерной линии вычисляется по формуле

 

                                        (2.5)

Построить зависимость модуля коэффициента отражения от частоты.

 

2.5 Содержание отчета

         В отчете представить блок – схемы лабораторных установок, полученные результаты свести в таблицы, построить графические зависимости, сопоставить экспериментальные данные с расчетными, сделать выводы по работе.

2.6 Контрольные вопросы

2.6.1 Каковы физические причины излучения электромагнитной энергии из открытого конца волновода?

2.6.2      Перечислить основные типы рупоров.

2.6.3      Какой рупор называется оптимальным?

 

 

 

 

 

2.6.4      Почему в пирамидальном рупоре с одинаковыми размерами раскрыва ДН в плоскостях Е и Н оказываются различными?

2.6.5      Перечислите основные достоинства рупорных антенн?

2.6.6      Как влияют фазовые искажения, существующие в рупоре, на форму ДН?

2.6.7      Из каких соображение выбираются размеры излучающей поверхности?

2.6.8      Какими факторами определяется ширина ДН рупорной антенны?

2.6.9      Чем объясняется уменьшение направленных свойств реальных рупорных антенн по сравнению с идеально излучающей плоскостью, размеры которой равны размерам раскрыва рупора?

2.6.10  Причины появления фазовых искажений рупорных  антенн?

2.6.11 Сопоставьте ДН открытого конца волновода и рупорной антенны.

2.6.12 Какова форма фронта волны в рупоре и почему?

2.6.13 Чем численно характеризуется ДН антенны?

2.6.14 Какие поляризационные параметры антенны Вы знаете?

2.6.15 Чем характеризуются диапазонные свойства антенны?

2.6.16  В каких плоскостях  строится амплитудная ДН?

     2.6.17 Какой параметр антенны характеризует угол, в пределах которого поле

                спадает до определенного уровня?

2.6.18  С помощью какого параметра определяется величина коэффициента отражения в фидерной линии?

     2.6.19  Дайте определение амплитудной диаграммы направленности.

      2.6.20 Дайте определение диаграммы направленности по мощности.

      2.6.21 Как связан коэффициент бегущей волны с коэффициентом стоячей

                 волны?

2.6.22  Дайте определение эффективной поверхности антенны.

2.6.23  В каких пределах изменяется коэффициент стоячей волны?

2.6.24  В  каких системах координат строят диаграммы направленности антенн?


Лабораторная работа № 3

Измерение коэффициента усиления антенны

3.1 Цель работы

Целью настоящей работы является ознакомление с методами измерения коэффициента усиления антенн сантиметрового диапазона, с элементами волноводной техники, измерительной аппаратурой.

 

3.2 Описание лабораторной установки

В состав установки входят ВЧ генератор, рупорная антенна, измерительная волноводная линия РI–28, микроамперметр, выпрямитель питания, металлическое зеркало.           ВЧ генератор предназначен для возбуждения колебаний в сантиметровом диапазоне волн.

 

3.3 Домашняя подготовка

3.3.1 Изучить методы измерения коэффициента усиления антенн сантиметрового диапазона.

3.3.2 Изучить описание работы и руководство по эксплуатации используемых в работе приборов (Приложение Б).

3.3.3 Рассчитать коэффициент усиления, ширину диаграммы направленности пирамидального рупора.

Для пирамидального рупора  коэффициент усиления (КУ) и ширина ДН равны

                                                                                                                                                                        

                                           

                                               ,                                           (3.1)

 

где    aр = 11,5 см – высота раскрыва рупора;

                   bр = 11,5 см – ширина раскрыва рупора;

                   λ *    длина волны колебаний генератора.

 

3.3.4 Рассчитать расстояние до дальней зоны исследуемой антенны.

Основным вопросом при любом методе измерений КУ является выбор расстояния между антеннами. Если это расстояние недостаточно, то фронт волны в месте расположения приемной антенны будет сферическим. Раскрыв антенны возбуждается не синфазно, а с запаздыванием фазы поля на краях антенны по отношению к центру. Из-за фазовых ошибок измеренное значение КУ будет меньше действительного. Чтобы ошибка не превышала 5%, расстояние между антеннами должно удовлетворять неравенству

 

 

 

   .                                     (3.2)

При измерениях зеркальным методом расстояние до экрана определяется

.                                  (3.3)

 

3.4 Рабочее задание

3.4.1 Подготовка лабораторной установки к проведению экспериментальных исследований.

3.4.2 Измерить коэффициент усиления антенны методом двух одинаковых антенн. Величина КУ антенны  определяется просто, если имеются две одинаковые антенны, одна из которых работает в режиме передачи, а вторая в режиме приема. Антенны согласовываются с питающими линиями и ориентируются на максимум приема. КУ в этом случае определяется

 

 ,                                         (3.4)

          где    Р1, P2 -   мощность на входе передающей антенны и на                     согласованной нагрузке приемной антенны соответственно;

λ  - длина волны генератора, определяемая расчетным путем по

                   измеренной длине волны в волноводе;

R  - расстояние между антеннами, соответствующее дальней зоне.

 

Для определения  отношения Р2/Р1 может быть использован метод аттенюатора. С этой целью в тракте передающей антенны предусматривается градуированный аттенюатор.

Соберите блок-схему установки, изображенной на рисунке 3.1 

1. ВЧ генератор.

 

 

2. Измерительная волноводная линия РI-28

3. Микроамперметр.

4. Аттенюатор Д5-21.

5. Детекторная секция.

Рисунок 3.1 – Блок-схема измерений

 

Антенны располагаются друг против друга. Выход приемной антенны через детекторную секцию с помощью длинного гибкого кабеля соединяется с микроамперметром. После включения генератора с помощью аттенюатора добиваются, чтобы стрелка измерительного прибора заняла какое-то определенное положение, например, отклонилась бы до середины шкалы. При этом записывают  показание аттенюатора N2. Отсоединяют передающую антенну от тракта передатчика и к освободившемуся выходу тракта присоединяют детекторную секцию, отсоединив ее от приемной антенны. Теперь вся мощность из генератора поступает к измерительному прибору, не рассеиваясь в пространстве. Следовательно, показания измерительного прибора резко возрастут. С помощью аттенюатора вводится затухание до тех пор, пока стрелка индикаторного прибора не покажет прежнее значение, после чего записывается новое показание аттенюатора N1. Очевидно, что разность значений равна

 

 .                                 (3.5)

 

Формулы (3.4-3.5) справедливы в предложении, что КБВ в передающем тракте равен единице.

3.4.3 Измерить коэффициент усиления антенны зеркальным методом.

Модификацией метода двух одинаковых антенн является зеркальный метод. Основная идея этого метода заключается в следующем. Поле излучения, создаваемое исследуемой антенной, наводит на экране вторичные токи, которые порождают волны, излучаемые в сторону исследуемой антенны. Эти волны, действуя на последнюю, проникают в фидерную линию, что приводит к изменению режима работы этой линии. При этом возникает рассогласование антенны с фидером (ранее согласование достигается настройкой в отсутствии экрана, при этом коэффициент бегущей волны имеет значение КБВ0) и КБВ уменьшается и становится равным КБВ1. Проведение соответствующих расчетов показывает, что КБВ в  фидере связан с КУ следующим образом

 

 

 ,                               (3.6)

 

где    λ   - длина волны;

 

 

 

r   -  расстояние от антенны до экрана.

 

Для определения КБВ используется блок – схема установки, представленная на рисунке 3.2.

 

Рисунок 3.2 – Блок–схема установки для измерения КБВ

 

Определить КБВ в присутствии и отсутствии металлического экрана по формуле

 ,                                    (3.7)

 

где          - максимальное и минимальное показания

                                       индикатора соответственно.

 

3.4.4 Провести анализ погрешности измерений.

Вследствие многократных отражений между экраном и антенной на принимаемую мощность накладывается осциллирующая компонента. При изменении расстояния  R/2    на нечетное число четвертей волн величина принятой мощности колеблется от минимального до максимального значения. Чтобы уменьшить погрешность, возникающую по указанной причине, производят четыре измерения КБВ при различных величинах R/2. Затем определяют среднее значение коэффициента усиления.

        

3.5 Содержание отчета

 

3.5.1 Цель работы и блок-схемы проводимых измерений.

3.5.2 Результаты расчетного задания: коэффициент усиления, ширина диаграммы

         направленности,  расстояние до дальней зоны исследуемой антенны.

3.5.3 Данные эксперимента в виде таблиц и графиков.

3.5.4 Выводы по работе,  сравнение экспериментальных результатов с

         теоретическими.

 

 

   

 

3.6. Контрольные вопросы:

 

3.6.1.   К двум антеннам, имеющим одинаковый КУ в направлении максимального излучения, но различные размеры излучающей поверхности подводится одинаковая мощность. Каково соотношение напряженностей полей, создаваемых антеннами в направлении максимального излучения?

3.6.2.   С помощью измерения какого параметра определяется величина КУ при использовании зеркального метода?

3.6.3.   Дайте определения КУ антенны в режиме приема.

3.6.4.   Две антенны имеют одинаковый КНД и изучают одинаковую мощность, но имеют различные размеры излучающей поверхности и разные значения КПД. Каково соотношение напряженностей полей, создаваемых этими антеннами?

3.6.5.   При каких условиях будут одинаковыми КНД у синфазно   и равномерно возбужденных рупорных антенн с круглым и прямоугольным раскрывами, если диаметр круглого раскрыва равен одной из сторон прямоугольного раскрыва.

3.6.6.   Две поверхностные антенны используются для приема сигнала на различных частотах. При каких условиях мощности, принимаемые этими антеннами, будут одинаковы?

3.6.7.   Что такое КНД в режиме приема?

3.6.8.   Что такое КНД в режиме передачи?

3.6.9.   Две антенны имеют одинаковые площади раскрывов, используются в режиме передачи на различных частотах. Каково соотношение величин напряженностей полей, создаваемых в точке приема обеими антеннами (предполагается, что мощности, излучаемые обеими антеннами одинаковы)?

3.6.10  Как изменяется напряженность поля, создаваемая рупорной антенной, при изменении длины волны ( мощность излучателя остается постоянной)?

3.6.11 Измерение КУ методом двух антенн.

3.6.12 Измерение КУ зеркальным методом.

3.6.13  Какова причина того, что при измерении КУ зеркальным методом для различных положений экрана значения G оказываются то несколько больше, то несколько меньше истинного значения.

3.6.14  На основании проведенного эксперимента проанализируйте источники введения ошибок и пути повышения точности измерений.

3.6.15  Какова зависимость КУ рупорной антенны от площади её раскрыва?

3.6.16  Объясните преимущества рупорной антенны по сравнению с волноводным излучателем.

3.6.17     Как зависит КНД от угла раствора рупора?

 

Лабораторная работа № 4

Иследование вибраторных антенных решеток и проволочных

спиральных антенн

4.1 Цель работы

Целью настоящей лабораторной работы является изучение конструкции, принципа действия плоских вибраторных антенных решеток (АР) и проволочных спиральных антенн, экспериментальное исследование их направленных характеристик,  освоение методики измерения основных параметров. 

 

4.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из генератора СВЧ  Г4-76А или аналогичного по возможностям исследуемых антенн (антенная решетка и спиральная антенна) с поворотным устройством, измерительной антенны, измерителя полных сопротивлений Р3-35, микроамперметра с детекторной секцией.

 

4.3 Домашняя подготовка

4.3.1 Для плоской антенной решетки

а)  Изучить принцип действия вибраторных антенных решеток.

Изучить описание работы и руководство по эксплуатации

используемых в работе приборов (Приложение Б).

б)  Рассчитать направленные характеристики и входное

сопротивление плоской вибраторной антенной решетки, состоящей из

четырех полуволновых симметричных вибраторов.

 

При расчете направленных характеристик плоской вибраторной АР можно воспользоваться инженерной методикой, не учитывающей наведенные сопротивления соседних излучателей.

 

 

F(θ)=F0(θ) Fc(θ),                               (4.1)

 

 

  ,          (4.2)

 

  ,  (4.3)

 

 

где    Nx=2, Ny=2         -  число вибраторов в АР;

 

 

 

 

 

 

dx, dy           -   расстояния между вибраторами АР (dx/λ=dy/λ=0.1);

фх, фу          -   сдвиг фаз между соседними излучателями (в случае

                                  синфазного возбуждения – фху=0, в случае 

                                  противофазного возбуждения – фху=π;

к=2π/λ,   λ   -  рабочая длина волны, выбирается в пределах рабочего

                               диапазона частот  АР 420-800МГц;

h                  -   высота подвеса вибраторов над экраном (h/ λ=0,4÷0,5)

θ                  -   меридиональный угол, изменяется в пределах

                                          (– 900; +900);

φ  -   азимутальный угол, который принимает значение   в

  меридиональной плоскости и φ=0 -  в экваториальной.

 

 

         4.3.2 Для спиральной антенны

 

а)  Изучить принцип действия спиральных антенн. Изучить описание работы и руководство по эксплуатации используемых в работе приборов (Приложение Б).

         б)  Рассчитать поляризационную диаграмму антенны.

         Поляризация антенны определяет характер изменения ориентации и величины векторов поля в зависимости от времени и пространственных координат. Поляризационная диаграмма рассчитывается по формуле

 

,                                  (4.4)

где  s – отношение малой и большой оси эллипса, задается в пределах

                             0,3 до 1,0;

α  ­­­­­­­- угол, изменяющийся от 00 до 3600.

 

в)  Рассчитать направленные характеристики цилиндрической спиральной

 антенны.  

 

При расчете направленных характеристик цилиндрической спиральной антенны  можно воспользоваться инженерной методикой, не учитывающей действие экрана, полученной для системы витков, питаемых бегущей волной тока.

F(θ)=F0(θ) Fc(θ),                                                         (4.5)

 

 - в азимутальной плоскости;                             (4.6)

 - в меридиональной плоскости               (4.7)

 

 

 

,                                   (4.8)

 

где    N -  число витков спирали (8-10);

L  -    осевая длина антенны (30-35 см);

         ξ  -  коэффициент замедления спирали (0,7 – 0,9);

к=2π/λ,    λ   -   рабочая длина волны, выбирается в пределах рабочего

                         диапазона частот  спиральной антенны;

θ  - меридиональный угол, изменяется в пределах -900;+900.

 

Нормированная диаграмма направленности строится в полярной системе координат.

 

 

4.4 Рабочее задание

4.4.1 Измерить диаграмму направленности плоской вибраторной антенной решетки.

 

Собрать лабораторную установку в соответствии с рисунком 4.1.

 

1 – Генератор сигналов;

2 – Измеритель полных сопротивлений Р3-35;

3 – Детекторная секция;

4 – Вибраторная АР;

5 – Измерительная антенна                        

 

Рисунок 4.1 – Блок-схема лабораторной установки для снятия ДН

 

 

Исследуемую антенну ориентировать на максимум излучения, вращая антенну в горизонтальной плоскости в обе стороны, найти положение первого минимума диаграммы θ01 слева и справа. В соответствии с этим углом определить шаг по углу, необходимый для измерения главного лепестка ДН. Проведенные

 

 

 

измерения в диапазоне углов – 900 ÷+900    занести в таблицу и пронормировать. Нормированную диаграмму направленности построить в декартовой системе координат. Определить по построенной зависимости ширину диаграммы направленности и уровень боковых лепестков.

4.4.2 Определить коэффициент стоячей волны.

Измерение коэффициента стоячей волны (КСВ) в фидере панельной АР в диапазоне частот  420÷800МГц проводится методом минимума – максимума, используя показания измерителя полных сопротивлений. Лабораторная установка для измерения КСВ приведена на рисунке 4.2.

 

 

          

 1 - Генератор сигналов

 2 - Измеритель полных сопротивлений Р3-35

Рисунок 4.2 – Блок-схема лабораторной установки

 

         Измерение КСВ производится при непосредственном подключении входа антенны к измерителю полных сопротивлений Р3-35. Измерение КСВ необходимо провести в 10 ÷ 12 точках частотного диапазона антенны. Результаты измерений внести в таблицу.

 

4.4.3 Определить модуль коэффициента отражения.

Коэффициент отражения в фидерной линии вычисляется по формуле

 

                                       (4.9)

 

Построить зависимость модуля коэффициента отражения от частоты.

 

4.4.4 Повторить пункты 4.4.1-4.4.3, используя в качестве исследуемой антенны спиральную антенну на 5 витков, а затем на 7 витков.

 

 

4.5 Содержание отчета

 

4.5.1 Цель работы и блок-схемы проводимых измерений.

4.5.2 Результаты расчетного задания.

4.5.3 Данные эксперимента в виде таблиц и графиков.

 

 

 

4.5.4 Выводы по работе, содержащие сравнение экспериментальных результатов с

расчетными и объяснение возможных расхождений.

 

 

4.6 Контрольные вопросы

 

4.6.1 В чем заключается общий метод определения поля излучения

произвольной системы излучателей?

4.6.2 Что такое множитель системы излучателей?

4.6.3 Что такое идеальная плоская система?

4.6.4 Как учитывается взаимное влияние линейных электрических вибраторов в диаграмме направленности системы излучателей?

4.6.5 Какую систему источников называют непрерывной?

4.6.6 Какую систему излучателей называют антенной решеткой?

4.6.7 Какие антенные решетки называют эквидистантными?

4.6.8 Какую систему излучателей называют линейно-фазной?

4.6.9 Какую систему излучателей называют синфазной антенной решеткой?

4.6.10 Каким образом можно управлять формой диаграммы направленности линейной решетки безинерционно?

4.6.11 Чему равен коэффициент замедления?

4.6.12 Какой режим работы антенны бегущей волны обеспечивает осевое излучение?

4.6.13 Какой режим работы антенны бегущей волны обеспечивает боковое излучение?

4.6.14 Что подразумевается под элементом раскрыва излучающих поверхностей?

4.6.15 Какой вид имеет множитель системы идеальной плоской антенны?

4.6.16 Что такое фазированная антенная решетка (ФАР)?

4.6.17 Какие антенны применяются в качестве излучателей ФАР

4.6.18 При каком расположении излучателей в ФАР можно сократить их число?

4.6.19 Какие существуют схемы построения ФАР?

4.6.20 Что такое дифракционные максимумы высшего порядка?

4.6.21 Какие существуют методы уменьшения дифракционных максимумов высших порядков?

4.6.22 Перечислите основные достоинства ФАР.

4.6.23 Что такое линейная, круговая и эллиптическая поляризация поля?

4.6.24 Какими параметрами характеризуется каждая из указанных в 23 вопросе  поляризаций?

4.6.25 Как рассчитать поляризационный эллипс?

4.6.26 Как описывается поле с различными видами поляризации?

4.6.27 Чем определяются поляризационные параметры поля излучения?

4.6.28 Какие антенны являются согласованными и развязанными по поляризации?   Приведите примеры.

 

 

 

 

4.6.29     Какие преимущества имеют антенны вращающейся поляризации, какова область их применения?

4.6.30     Как измеряются поляризационные параметры?

4.6.31     Какова поляризация поля, излученного крестом вибраторов с равными токами и сдвигом фаз 900, в различных точках пространства?

4.6.32     Как меняются направленные свойства цилиндрической спиральной антенны при изменении величины диаметра спирали?

4.6.33     Какова структура токов, возбуждаемая в цилиндрической спирали? Какие типы волн являются определяющими в различных режимах излучения?

4.6.34     Почему цилиндрическая спираль с периметром витка, равным длине волны, излучает вдоль оси поле круговой поляризации?

4.6.35     Чем объясняются хорошие диапазонные свойства цилиндрической спирали?

4.6.36     Как выбрать размеры спирали для получения максимального КНД?

4.6.37     Объяснить принцип действия конической спиральной антенны.

4.6.38     Как обеспечивается симметрия питания конической спирали?

4.6.39     Чем определяется диапазон рабочих частот конической спирали?

4.6.40     Каково устройство плоской спиральной антенны?

4.6.41     Чем определяется диапазонность плоской спиральной антенны?

4.6.42     Какой тип волны распространяется в цилиндрической спиральной антенне?

4.6.43     Чем характеризуется режим волны Т0 в спиральной антенне?

4.6.44     Чем характеризуется режим волны Т1 в спиральной антенне?

4.6.45     Чем характеризуется режим волны Т2 в спиральной антенне?

4.6.46     Какая из спиральных антенн имеет более широкую ДН?

4.6.47     В каком режиме излучения работает коническая логопериодическая спиральная антенна?

 


Лабораторная работа №5

Исследование логопериодической антенны

5.1 Цель работы

Целью настоящей лабораторной работы является изучение основных свойств, конструкции  и принципа действия логопериодической антенны, экспериментальное исследование ее диапазонных свойств.

 

5.2 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из генератора ВЧ колебаний(1),  логопериодической антенны(2) с поворотным устройством(3),  индикаторной антенны(4) с детекторной секцией(5) и микроамперметром(6), измерителя полных сопротивлений Р3-35(7) с микроамперметром(8).

 

5.3 Домашняя подготовка

5.3.1 Ознакомиться с принципом действия и основными параметрами логопериодической антенны. Изучить описание работы и руководство по эксплуатации используемых в работе приборов (Приложение Б).

5.3.2 Произвести конструктивный расчет 8ми элементной логопериодической антенны для диапазона волн от  20 до 60 см *.

 

5.4 Рабочее задание


Подготовить лабораторную установку к измерению ДН. Для этого собрать установку в соответствии с рисунком 5.1 Определить период стуктуры t и угол полотна a антенны(2).

1-Генератор ВЧ                                        4     Индикаторная антенна

2-Логопериодическая антенна                5     Детекторная секция

3-Поворотное устройство                        6     Микроамперметр

 

 

 

Рисунок 5.1 - Блок-схема лабораторной установки для снятия ДН

 

 

 

 

 

 

 

5.4.2 Провести измерение ДН в диапазоне 430-1000 МГц. Измерения проводить на 5-6 частотах приведенного диапазона. Снятие ДН произвести в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Исследуемую антенну ориентировать на максимум излучения, вращая антенну в горизонтальной плоскости в обе стороны, найти положение первого минимума диаграммы θ01 слева и справа. В соответствии с этим углом определить шаг по углу, необходимый для измерения главного лепестка ДН. Проведенные измерения в диапазоне углов – 900 ÷+900 занести в таблицу и пронормировать. Нормированнные диаграммы направленности построить в полярной системе координат. Определить по построенной зависимости ширину диаграммы направленности и уровень боковых лепестков.


         .4.3 Подготовить лабораторную работу к измерению КСВ. Для этого собрать установку в соответствии с рисунком 5.2

 


1 - Генератор

2 - Логопериодическая антенна

3 - Поворотное устройство

4 - Измеритель полных сопротивлений

5 - Микроамперметр

 

Рисунок 5.2  - Блок-схема лабораторной установки для измерения КСВ

 

5.4.4 Произвести измерения КСВ в диапазоне частот 420-1000 МГц. Измерения провести на 10-12 частотах  указанного диапазона. Формула для вычисления КСВ

 .                                                     (5.1)

        

Значения amax и amin снимаются по микроамперметру, подсоединенному к измерителю Р3-35, и соответствуют максимальному и минимальному значению тока при повороте приемной головки измерителя.

 

5.4.5 Вычислить модуль коэффициента отражения в фидерной линии. Расчет производить по формуле

 

 

                                                         (5.2)

5.4.6 Построить зависимость модуля коэффициента отражения от частоты.

 

5.5 Содержание отчета

 

5.5.1 Цель работы и блок-схемы проводимых измерений

5.5.2 Измеренные ДН в виде таблиц и графиков

5.5.3 Значения КСВ и модуля отражения, сведенные в таблицу, график зависимости модуля коэффициента отражения от частоты.

5.5.4 Выводы по работе, содержащие сравнение экспериментальных результатов с расчетными, и объяснение возможных расхождений.

 

5.6 Контрольные вопросы

5.6.1Кратко объяснить принцип работы ЛПА.

5.6.2 Объяснить происхождение названия логопериодической антенны?

5.6.3 Чем определяются направленные свойства логопериодической антенны?

5.6.4 Объяснить, почему ДН плоской ЛПА в плоскости Н шире, чем в плоскости Е?

5.6.5 Рассказать о пространственной ЛПА.

5.6.6 Рассказать о преимуществах и недостатках пространственной ЛПА над плоской.

5.6.7 Когда целесообразно использовать плоскую ЛПА, а когда пространственную?

5.6.8 Почему точки питания логопериодических антенн расположены со стороны самого короткого вибратора?

5.6.9 Как зависит ДН ЛПА от периода структуры t?

5.6.10 Объяснить, почему на практике полотно ЛПА располагается под некоторым углом к поверхности земли

5.6.11С какой целью логопериодические антенны собираются в синфазные решетки?

5.6.12 На каком расстоянии от системы излучателей можно снимать ДН?

5.6.13 Объясните, почему система ненаправленных излучателей, расположенных вдоль оси, обладает направленными свойствами в плоскости, проходящей через ось, а в плоскости, перпендикулярной оси, эта система не обладает направленными свойствами.

5.6.14 Как зависит ширина ДН системы излучателей от количества излучателей при d/λ=const?

5.6.15 Объясните образование побочных максимумов ДН системы излучателей.

5.6.16 Объясните, почему у системы, излучающей вдоль оси, при увеличении числа излучателей поле в направлении оси растет быстрее, чем в других направлениях?

5.6.17 Как влияет изменение амплитуд токов в излучателях на направленные свойства системы?

 

5.6.18 Объясните влияние линейного изменения фазы на направленные свойства системы излучателей.

5.6.19 Каковы особенности неэквидистантных систем излучателей?

5.6.20 Область применения ЛПА.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1.     Ерохин Г.А., Чернышов О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн – М.: Радио и связь,1996.

2.     Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства – М.: Радио и связь,1989.

3.     Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. – М.: Высшая школа, 1988.

4.     Хмель В.Ф., Чаплин А.Ф., Шумлянский И.И. Антенны и устройства СВЧ: Сборник задач. - К.: Вища шк., 1990.

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

   Введение…………….……………………………………………

1 Лабораторная работа №1……………………………………….. 

2 Лабораторная работа №2……………………………………….. 

3 Лабораторная работа №3……………………………………….. 

4 Лабораторная работа №4………………………………………..

5 Лабораторная работа №5………………………………………..

6 Приложение А……………..……………….…………………….

7 Приложение Б……………..…………………………………….. 

   Список литературы……………………………………………...

 

3

4

8

12

17

23

27

28

31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Подпись: Приложение А

Подпись: Рисунок А.1 – График эффективной площади антенны


Приложение Б

Техническое описание и руководство по эксплуатации приборов, используемых при проведении экспериментов

 

Б.1  Генераторы сигналов Г4-79, Г4-82, Г4-83.

Генераторы сигналов Г4-79, Г4-82, Г4-83 являются лабораторными переносными приборами, предназначенными для работы в закрытых помещениях.

         Диапазон генерируемых частот

Г4-79          1,78  -  2,56 ГГц;

Г4-82                       5,6  ­­­­-   7,5 ГГц;

Г4-83             7,5   -  10,5 ГГц

Подготовка прибора к работе: Включить прибор тумблером СЕТЬ, прогреть прибор не менее 15 минут. Установить ручкой МГц требуемую частоту, а переключатель рода работ – в положение НГ.

 

Б.2   Генераторы сигналов Г4-37 А, Г4-76 А

Предназначены для генерации ВЧ колебаний в диапазоне 400 – 1200 МГц.

Для подготовки генератора к проведению измерений необходимо:

·        убедиться в том, что он выключен, в противном случае выключить;

·        регулятор выходной мощности вывести в крайнее левое положение;

·        переключатель рода работы установить в положение НГ;

·        включить тумблер СЕТЬ;

·        включить тумблер ГЕНЕРАТОР ВЧ;

·        ручкой установки частоты выставить требуемую частоту;

·        регулятором выходной мощности выставить необходимый уровень ВЧ колебаний.

 

Б.3   Измерительная коаксиальная линия Р1-3

Измерительная коаксиальная линия Р1-3 предназначена для измерения параметров стоячих волн в коаксиальных трактах.

         Диапазон частот 2,5 – 10,35 ГГц.

         Измерение КСВ

Перемещая каретку с зондом вдоль линии, по индикаторному прибору определяют величины максимального αmах и минимального αmin показаний индикатора и рассчитывают КСВ по формуле

 

.                                       (Б.1)

 

 

 

 

 

 

 

Б.4  Измерительная волноводная линия Р1-28

         Линия служит для измерения коэффициента бегущей волны, длины волны в волноводе и комплексного коэффициента отражения двухполюсников.

Принцип действия линии заключается в исследовании структуры электрического поля стоячей волны в прямоугольном волноводе. Вдоль волновода механическим путем перемещается каретка, на которой расположена измерительная зондовая головка. В широкой стенке волновода прорезана щель. С зондовой головкой связан зонд, проникающий через щель во внутреннюю полость волновода. Положение зонда вдоль волновода определяется с помощью отсчетной шкалы на корпусе линии и отсчетного лимба. С резонансной системой зондовой головки связан высокочастотный детектор. Выпрямленный детектором ток поступает в цепь индикаторного прибора, который подключается к низкочастотному разъему измерительной зондовой головки измерительной линии. Перемещение зондовой головки вдоль линии позволяет установить распределение напряженности электрического поля внутри волновода.

 

Измерение КБВ

Перемещая каретку с зондом вдоль линии, по индикаторному прибору определяют величины максимального αmах и минимального αmin показания индикатора и рассчитывают КСВ по формуле

 

                                               .                                       (Б.2)

 

Б.5   Измерительная антенна П6-23А

         Антенна работает в диапазоне частот от 1 до 12 ГГц, предназначена для:

·        измерения плотности потока энергии;

·        измерения эффективной площади и коэффициента усиления антенны;

·        создания электромагнитного поля с заданной плотностью потока энергии и других измерений.

Антенна имеет коаксиальный вход с волновым сопротивлением 50 Ом (7/3,04 мм). Для присоединения антенны к приборам, имеющим волновой вход, к ней придаются волноводно-коаксиальные переходы сечением 28,5х12,6 мм и 23х10 мм.

        

Б.6 Измеритель полных сопротивлений Р3-35

 

Измеритель полных сопротивлений РЗ-35 предназначен для измерения полных сопротивлений различных радиоустройств с коаксиальным входом в метровом и дециметровом диапазонах волн. По точности измерители относятся ко второму классу ГОСТ 13266-74.

 

 

 

 

Измерение КСВ

Присоединив к разъему "нагрузка" измерителя измеряемый элемент, установить на генераторе по волномеру рабочую частоту. На шкале образцового конденсатора установить частоту генератора. Вращая приемную головку измерителя, по индикаторному прибору определяют величину максимального и минимального показания индикатора и рассчитывают КСВ по формул

,                                          (Б.3)

где αmах показание индикаторного прибора в максимуме поля,

αmin показание индикаторного прибора в минимуме поля, т.е. отсчет

КСВ производится также, как и при работе с измерительной линией.

 

Б.7 Измеритель мощности Я2М-64

         Ваттметр поглощаемой мощности термисторный Я2М-64 предназначен для измерений средних значений мощности непрерывных СВЧ колебаний в коаксиальных трактах с уровнем мощности не более 10 мВт и 1 Вт в положениях высокочастотного переключателя 1 и 100 соответственно. Перед включением ваттметра тумблер СЕТЬ и переключатель ПРЕДЕЛ ИЗМЕРЕНИЙ  поставить в положение ВЫКЛ, ручку ВЧ переключателя установить в положение «0».

         Для подготовки прибора к работе необходимо:

·        включить тумблер СЕТЬ;

·        переключатель ПРЕДЕЛ  ИЗМЕРЕНИЙ установить в положение  10 мВт;

·        прогреть прибор в течение 15 минут;

·        ручками УСТАНОВКА НУЛЯ согласовать мост, установив нуль шкалы ваттметра;

Присоединить вход ВЧ переключателя к источнику измеряемой мощности, ВЧ переключатель установить в положение 1. Определив порядок измеряемой мощности установить требуемое положение переключателя ПРЕДЕЛ ИЗМЕРЕНИЙ.

         Мощность определяется по формуле

 

,                                 (Б.4)

 

         где Ризм- измеряемая мощность;

                 Ротс – мощность, отсчитываемая по шкале ваттметра;

                 Кэ- коэффициент эффективности ВЧ переключателя, принимающий значения в диапазоне частот от 0.02 до 1 ГГц не менее 0.9,  в диапазоне от 1 до 5 ГГц до 0.8 и при работе с ВЧ кабелями- 0.7.

 

 

Сводный план 2003 г., поз. 96

 

 

 

 

Владимир Леонидович Гончаров

Алексей Христофорович Хорош

 

 

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Методические указания к выполнению лабораторных работ

(для студентов, обучающихся по специальностям направления 380340 - Радиотехника, 380540 - Радиосвязь, радиовещание и телевидение, 380740 – Системы и средства подвижной связи, 380940 – Радиосвязь и радионавигация                  всех форм обучения)

 

 

 Редактор В.В. Шилина

 

Подписано в печать ___.____.____

Тираж 80 экз.

Объем 2,0 уч.-изд.л.

Формат 60х84 1/16

Бумага типографическая №1

Заказ______. Цена 64 тг_.

 

 

 

 

 


Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетики и связи

480013 Алматы, Байтурсынова, 126