ВИПРОМІНЮВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

Методичні вказівки до лабораторної роботи

Дослідження збудження та розповсюдження електромагнітних хвиль в вільному простору на базі антени, типу "хвильовий канал"

по дисципліні «НВЧ пристрої супутникових ТКС»

Бакалаврський напрям 6.0910

Спеціальність 7.091004

Вінниця 2004

Лабораторна робота 4.

Дослідження впливу конструктивного виконання антенного пристрою на основі характеристики антени, типу "хвильовий канал"

Мета роботи експериментальне визначення впливу особливостей конструктивного виконання антенного пристрою на основні якісні показники антени типу "хвильовий канал"

Теоретичні відомості

1. ВИЗНАЧЕННЯ

Антеною називають пристрій, який призначений для випромінювання в вільний простір та прийому з вільного простору енергії електромагнітних хвиль.

Першоджерелом електромагнітного випромінювання (електромагнітних хвиль) є рухомі заряди (змінні струми провідності), тому випромінювати елек­тромагнітну енергію в вільний простір при визначених умовах може будь-який провідник.

Система "передавальна антена - вільний простір - приймальна антена" є взаємною системою, а основні параметри в режимі передачі та прийому є одни­ми і тими ж.

В техніці НВЧ для прийому та передачі сигналів застосовуються од­накові антени. Часто в приймально-передавальному пристрої використовується одна й та ж антена. Необхідно підкреслити, що антена не тільки виконує функції випромінювання та прийому електромагнітної енергії, але й забезпечує розподіл густини випромінювання в просторі (направленість), розв'язуючи при цьому ряд технічних задач, пов'язаних з збільшенням дальності дії, забез­печенням електромагнітної сумісності, збільшенням інформаційної здатності та покращенням інших важливих характеристик радіосистем.

КЛАСИФІКАЦІЯ АНТЕН

Антени класифікують по діапазону радіохвиль, застосуванню, загальності окремих характеристик (смуги пропускання, діаграми направленості і т.і.), принципу дії. Найбільш доцільно антени класифікувати по принципу дії, який в багатьох випадках визначає форму, основні характеристики та застосування ан­тен. У відповідності з цим антени можна розділити на три групи:

1 Лінійна антена - випромінююча система з поперечними розмірами значно меншими довжини хвилі та змінними струмами, протікаючими вздовж вісі системи. До лінійних антен, які застсовують в диапазоні НВЧ, відносяться вібратори.

2 Антенна решітка - система випромінювачів одного типу, які розташо­вані певним чином і збуджуються одним генератором або декількома коге­рентними генераторами. Типічними антенними решітками є директорна антена, щілинна антена, поверхневі антени з напівхвильових симетричних вібраторів та ін.

3 Апертурна антена - пристрій, відмінний тим, що його вихід можна представити як деяку поверхню, крізь яку проходить весь потік електромагної енергії, що випромінюється (приймається). Ця поверхня, яку називають апер­турою або розкривом, взагалі більша довжини хвилі. До апертурних антен відносять системи акустичного типу (рупори), оптичного типу (дзеркала та лінзи), а також антени поверхневої хвилі.

3. ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ТА ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕН

1. Під діаграмою направленості (ДН) будемо розуміти залежність амплітуди напруженості електричного поля Е, яке створюється антеною в точці спостере­ження, від напряму на цю точку (кутових координат φ,ψ) при постійній відстані точки спостереження до антени (r = const). Для наглядності та простоти гра­фічного спостереження ДН частіше всього зображають у вигляді двох плоских кривих в полярній системі координат. Одна з цих кривих - діаграма направле­ності в горизонтальній площині - представляє собою розподіл напруженостей електричного поля випромінювання на описаному в горизонтальній площині навкруги антени кола та є функцією кута (азимута) в горизонтальній площині Е_ψ. Інша крива - діаграма направленості в вертикальній площині - представляє собою розподіл напруженостей електричного поля випромінювання на описано­му в вертикальній площині навкруги антени кола та є функцією кута в верти­кальній площині (кута місця) Е_φ.

На рис. 3.1 приведені найбільш розповсюджені форми діаграми направле­ності голкова, яка застосовується в радіорелейних лініях, в радіолокації, радіокеруванні та віялова, яка має добру направленість в горизонтальній пло­щині та малу в вертикальній, що полегшує пошук цілей в радіолокаційних систе­мах.

а) б)

Рис. 3.1 Діаграма направленості: а) голкоподібна в горизонтальній і вертикальній площинах; б) віялоподібна в вертикальній площині.

2. Ширина головної пелюстки Діаграма направленості може мати декілька напрямків максимального випромінювання (декілька пелюсток). Один з них, який має найбільшу величину, називається головним. Ширина головної пелюст­ки, яка є робочою, характеризує ширину діаграми направленості. Ширина го­ловної пелюстки визначається як кутова величина 2ψ0,5, 2φ0,5 по точках половинного спадання потужності відносно вершини Е_max (рис 3.1,6).

У направлених антен ширина головної пелюстки складає від декількох десятків градусів до одиниць хвилин (наприклад у радіоастрономічних антен).

3. Ефективна площа характеризує розмір площі, через яку приймальна антена збирає енергію: - коефіцієнт використання поверхні розкриву; S - поверхня розкриву антени.

4. Коефіцієнт направленої дії (КНД) - відношення потужностей випромінювання направленої та ненаправленої антени, які створюють в даному напрямі на одній і тій ж відстані однакову напруженість поля. Таким чином, КНД пока­зує, який енергетичний виграш дає застосування направленої антени по­рівняно з ненаправленою. Взагалі КНД визначається в напрямку максимуму діаграми направленості антени. Обчислюють КНД антени за формулою:

KНД = 4S_q/1

Оцінюють КНД по формулі КНД ≈ 41253/ψ₀φ₀, де ψ₀ та φ₀ - ширина головної пелюстки по точках нульової потужності.

Іноді замість КНД краще використовувати коефіцієнт підсилення (КП) ан­тени, який визначає собою добуток КНД на ККД антени. Так як ККД антени близький до одиниці, то без великої помилки можна вважати, що КНД та КП рівні між собою.

5. Поляризаційна характеристика - це залежність амплітуди сигналу в ан­тені з лінійною поляризацією , яка приймає електромагнітні хвилі з передавальної антени, від кута повороту цієї антени в площині, перпендику­лярній випромінюванню. Поляризаційна характеристика визначається видом поляризації хвилі- При цьому розрізняють лінійну, кругову і еліптичну поляри­зації.

6 Вхідний опір антени (Z_а) є еквівалентною величиною, яка визначає уз­годження антени с НВЧ трактом. В загальному випадку Z = R_а + iX_a, де R_а = R_n + R_t - активна складова; R_n - опір, який характеризує теплові втрати;

r_t - опір, який характеризує ефект випромінювання; Х_a - реактивна складова, яка характеризує відбиття від антени. Взагалі, коефіцієнт стоячої хвилі антени КСХ < 1,5. При цій умові Х_a << R_a і вхідний опір антени приблизно дорівнює хвильовому опору тракту живлення Z_a ≈ Z_b.

7. Коефіцієнт корисної дії (ККД) обчислюють як відношення потужності випромінювання Р_t до повної потужності, яка підводиться до антени Р_a = р_t + Р_n:

де р_n - потужність теплових втрат в антені.

8. Робочий діапазон частот антени характеризується інтервалом частот від f_max до f_min, в якому значення всіх параметрів антени не виходять за межі заданих. Частіше всього критерієм для визначення смуги частот є вхідний опір.

9. Характеристики керування променем антени виходять з вимог до харак­теристик сканування (сектор огляду, швидкість огляду, безперервний або дис­кретний огляд і т.і.) і характеризується допустимим значенням КНД в різних ре­жимах роботи (пошук або супроводження), часом перемикання з одного променя на інший, часом перемикання з передачі на прийом. В антені з механічним скануванням променя задані характеристики керування променем визначають необхідні механізми обертання антени. Вони не з'вязані безпосередньо з розрахунком антени.

10. До енергетичних характеристик відносяться максимально допустима без пробою і перегріву антени потужність випромінювання, а також потужність керування положенням променя (при механічному скануванні ця потужність визначається конструкцією антени і її електроприводом, а при електричному - за­тратами потужності на керування фазообертачами в колі окремих випромінювачів антени).

11. Кліматичні та механічні характеристики визначаються місцем їх вста­новлення на космічних кораблях, ракетах, літаках, морських та річних судах, ав­тотранспорті, наземних РЛС і станціях радіоліній, переносних РЛС і т.і.

12. До експлуатаційих характеристик відносяться маса, габаритні розміри, зручність та простота обслуговування, періодичність регламентних робіт антен. Вимоги до них залежать від призначення НВЧ пристроїв та умов їх застосуван­ня.

ВИПРОМІНЮВАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ

Довільну випромінюючу антену можна розглядати ях систему з багатьох елементарних випромінювачів. Це дозволяє скористатися принципом суперпо­зиції та визначити поле антени як суму полів елементарних випромінювачів. Поля самих елементарних випромінювачів знаходяться по заданому розподілу струму за допомогою розв'язання рівнянь Максвела. Взагалі вважають, що струм не змінюється вздовж довжини елементарного вібратора. До елементарних випромінювачів відносяться елементарний електричний вібратор (диполь Герца), елементарна пилина та випромінювач Гюйгенса.

5. ВІБРАТОРНІ АНТЕНИ

Вібраторні антени відносяться до числа найбільш простих типів антен у НВЧ діапазоні. Вони використовуються як збуджувачі антенних пристроїв або як елементи складних пристроїв з дискретними випромінювачами (антенних гра­ток). Вібратори в якості антен частіше всього використовуються у ра­діодіапазоні довгих, середніх та коротких хвиль.

До найбільш розповсюджених конструкцій вібраторних антен відносяться електричні (рис. 5.1 а, б) та магнітні (рис. 5.1 в ,г ) чверть- та напівхвильові вібратори.

Рис. 5.1 Конструкції вібраторів: а) несиметричного електричного; б) симет­ричного електричного; в) несиметричного магнітного; г) симетричного магнітного.

Чверть- та напівхвильові електричні вібратори можна розглядати як розімкнену лінію передачі з властивим для неї розподілом струмів та напруг. Частотна залежність вхідного опору вібратора має форму резонансної характе­ристики. Резонансна довжина симетричного вібратора дорівнює λ₀/2, а несимет­ричного -λ₀/4.

Поле випромінювання вібратора можна знайти додаванням полей окремих елементарних ділянок, які є елементарними вібраторами,

(5.1)

де (5.2)

Е_max - амлітуда поля в напрямку максимального випромінювання (ψ = 90), е^kr - фазовий множник,

(5.3)

- діаграма направленості в меридіальній площині.

В азимутальній площині дані вібратори не мають направленості, тобто Ф1(φ) = 1. Це пояснюється відсутністю залежності складових елекромагнітного поля в елементарному електричному вібраторі від азимутального кута. Ана­лізуючи (5.3), можна зробити наступні висновки:

а) при 2L<<λ₀/2cos(kL) = 1 – k²L²/2

тобто короткий вібратор має таку ж направленість, як і вібратор Герца, б) при збільшенні довжини антени (L>λ₀/2) в діаграмі направленості з'являються побічні пелюстки (потім головна пелюстка розщіплюється). При цьому, чим більше відношення L>λ₀, тим більша кількість пелюсток. Зміна фор­ми діаграми направленості з збільшенням довжини вібратора показана на рис 5.1

Напруженість електричного поля, яке створюється напівхвильовим вібратором, згідно (5.2)-(5.3) дорівнює

(5.4)

З (5.4) слідує, що ДН симетричного напівхвильового вібратора відповідає наступне рівняння:

(5.5)

Електричний симетричний напівхвильовий вібратор має КНД = 1,74, S = 0,21, R = 73,1 Ом. Магнітний напівхвильовий вібратор має КНД = 1,64, S = 0,21, R = 292 Ом

6. АНТЕНИ 3 ДВОХ ВІБРАТОРІВ

Розглянемо діаграму направленості двох однакових та однаково орієнтованих напівхвильових вібраторів, розташованих паралельно вісі z на відстані d один від одного (рис 6.1).

Рис.6.1

Позначимо напруженість поля, яке створюється в точці спостереження М першим вібратором, через Е (рис. 6.1, а). В дальній зоні при достатньо малих d впливом різниці відстаней D_г = d siny на амплітуду поля можна знехтувати, тому:

де - kd siny - просторовий зсув фаз полів з-за різниці відстаней; K_а - відношення амплітуд струмів у вібраторах; - часовий фазовий зсув між струмами у вібраторах.

Сумарне поле вібраторів визначається співвідношенням

(6.1)

Амплітуда напруженості сумарного поля на підставі (5.4)

З цього рівняння слідує, що приведена ДС двох напівхвильових вібраторів в меридіальній площині x0z (площині У на рис 6.1, а ) виража­ється співвідношенням:

тобто

.

В цьому рівнянні перший множник представляє собою ДН окремого си­метричного напівхвильового вібратора (5.5). Другий множник має назву множни­ка системи та дорівнює

(6.2)

Множник системи з двох вібраторів залежить від відстані між вібраторами d, відношення амплітуд стумів у вібраторах К_а та зсуву фаз стумів φ.

В азимутальній площині у0х (площина Н на рис.6.1,б) одиничні вібратори не мають направленості, тобто Ф1(φ) = 1. Складаючи поля двох вібраторів в площині у0х, неважко пересвідчитися, що множник та ДН системи з двох вібраторів у площині Н визначається рівнянням (6.2). Співвідношення Ф2(ψ) = Ф1(ψ)Фс(ψ) є математичним виразом теореми множення ДН, яка формулюється наступним чином: ДН системи однакових та однаково орієнтованих в просторі випромінювачів є добуток діаграми направленості оди­ничного випромінювача, який входить в систему, та множника системи, який являє собою ДН такої ж системи, але складеної з ненаправлених випро­мінювачів. На рис 6.2 приведені ДН в площині Н для двох напівхвильових вібраторів, які знаходяться на відстані d = λ₀/4, при умові рівності амплітуд збуджуючих струмів, К_а = 1.

Рис. 6.2 Діаграми направленості антени з двох вібраторів: а) φ = 0°; б) φ = 90°; в) φ = 180°

У випадку однонаправленого випромінювання (j = 90°) ДН визна­чається рівнянням Ф2(φ) = cos(±45° - 45°sinφ), яке описує кардіоїду. Напруженість поля в напрямку φ = 90° подвоюється в порівняні з полем одинич­ного вібратора, а в напрямку φ = 270° вона дорівнює нулю. При φ = -90° напруже­ність поля подвоюється у напрямку φ = 270° та дорівнює нулю при φ = 90°.

Таким чином, в залежності від різниці фаз між струмами, які живлять два паралельних вібратори, випромінювання може підсилюватись або послаблюватись в напрямку один до одного. Це дозволяє забезпечити їх однонаправлену дію. Відмітимо, що напруженість поля підсилюється в напрямку вібратора з фазою збуджуючого струму, яка відстає Вібратор, який підсилює випромінювання у напрямку до іншого вібратора, називається рефлектором. Вібратор, який по­слаблює випромінювання у напрямку до іншого вібратора та підсилює ви­промінювання у протилежному напрямку, називається директором. Необхідність забезпечення визначених зсувів фаз між струмами, які живлять вібратори, уск­ладнюють конструкцію антени. Тому в більшості випадків вібратори виконують роль рефлекторів або директорів, які не містять джерел живлення, тобто є пасив­ними.

Вони збуджуються електромагнітним полем активного вібратора.

Відмітимо, що в конструкціях з пасивними вібраторами не вдається отримати рівність амплітуд струмів у вібраторах та забезпечити повну однонаправленість. Для того, щоб пасивний вібратор працював як рефлектор, необхідно збуд­жувати в ньому струм І_р, зсунутий по фазі відносно струму І_а в активному вібраторі в сторону випередження на 90°. В цьому випадку електромагнітні хвилі, які випромінюються вібраторами, додадуться в напрямку активного та віднімуться в напрямку пасивного вібратора. Випереджуючий зсув по фазі в па­сивному вібраторі можна отримати шляхом вибору його довжини більшою λ₀/2 (опір вібратора індуктивний), що видно з розгляду векторної діаграми рис.6.3,а.

Рис. 6.3 Залежність діаграми направленості вібратора від його довжини

Початковий вектор струму в активному вібраторі І_а. Безпосередньо в ак­тивного вібратора напруженість магнітного поля випромінювання в сторону рефлектора (Н_а) співпадає по фазі з струмом І_а. Досягнувши рефлектора, поле (Н'_а) відстає по фазі від струму в актиному вібраторі на 90°, тобто на час розпов­сюдження хвилі від активного вібратора до рефлектора. Це поле (Н'_а) наводить у рефлекторі ЕРС взаємоіндукції Е, яка відстає від задаючого її поля на 90°. Під дією цієї ЕРС в рефлекторі тече струм І_р.

Так як рефлектор довший λ₀/2, то його опір має індуктивний характер і струм в рефлекторі відстає від наведеної ЕРС приблизно на 90°. Магнітне поле Н_р, яке створене цим струмом, в площині активного вібратора Н'_р відстає по фазі на 90° та знаходиться в фазі з Н_а.

Для того, щоб пасивний вібратор був директором, необхідно збуджувати в ньому струм, який зсунений по фазі в сторону запізнення на 90° відносно струму в активному вібраторі. На рис 6.3, б показана векторна діаграма , з якої видно, що необхідний зсув по фазі струму в директорі І_р може бути отриманий при його зменшенні в порівнянні з λ₀/2 (опір ємнісний).

Рис. 6.4 Складання полів активного і пасивного вібраторів: а) пасивний рефлектор; б) пасивний директор

ДИРЕКТОРНІ АНТЕНИ

Директорна антена являє собою лінійну решітку напівхвильових вібраторов. Її конструкція та ДН показана на рис 7.1.

Рис. 7.1 Директорна антена: а) конструкція; б) діаграма направленості 1) рефлектор; 2) директор; 3) активний вібратор.

Директорна антена складається з одного активного та декількох пасивних вібраторів. Вібратори z закріплюють на металевому стержні. Така конструкція допустима в зв'язку з тим, що в місці кріплення знаходиться вузол електричного поля та сам стержень, перпендикулярний до площини поляризації випромінювачів. Взаємний вплив вібраторів зменшує вхідний опір антени, тому в якості активного вібратора обирають петлевий вібратор, який кріплять в центрі петлі до стержня. Поряд з активним вібратором на відстані λ₀/4 (з боку, протилежного випромінюванню) розташовують пасивний вібратор, який виконує функцію рефлектора. Індуктивний опір рефлектора забезпечується за рахунок збільшення його довжини в порівнянні з довжиною активного вібратора до L_p = (0,51 ... 0,52)λ₀.

Для отримання ємнісного опору директора його довжину зменшують до L_p = (0,35 ... 0,44)λ₀.

Так як рефлектор підсилює поле в напрямку активного вібратора та по­слаблює його в протилежному напрямку, застосування декількох рефлекторів не має сенсу, тому що всі рефлектори, які слідують за першим, будуть збуджува­тися дуже слабо. Ефект концентрації електромагнітної енергії в напрямку ви­промінювання посилюється з збільшенням кількості директорів. Але на практиці застосовують не більше 5 ... 7 директорів. Це пояснюється малим збільшенням КНД при подальшому збільшенні кількості вібраторів та видов­женні антени. Коефіцієнт направленої дії антени невеликий і приблизно об­числюється по формулі ККД ≈ К_аL_а/λ₀, де L_a - загальна довжина антени; K_а ≈ (5 ... 7) - коефіцієнт, який залежить від довжини антени (зменшується з збільшенням довжини). Директорні антени застосовуються в метровому та дециметровому діапазонах хвиль, їх робоча смуга частот 5...15%, діаграма направленості має ширину 15°... 40° та залежить від кількості вібраторів та якості настройки.

Домашнє завдання.

1. Ознайомитись з принципом дії антени типу "хвильовий канал"

2. Вияснити принцип змінювання діаграми направленості при включенні рефлектора, директора.

3. Підготувати звіт по лабораторній роботі.

Порядок виконання роботи.

1. Вімкнути вимірювальну апаратуру та прогріти її на протязі 10 хвилин.

2. Настроїти генератор на частоту, яка відповідає необхідній довжині хвилі.

3. Прибрати рефлектор та директор і зняти діаграму направленості активного вібратора, повільно повертаючи передавальну антену відносно приймальної, яка закріплена нерухомо. Дані знімати через кожні 20°. Результати вимірювань занести в Таблицю 1.

Таблиця 1.

4. Настроїти активний вібратор на максимум випромінювання. Після цього розмістити на макеті рефлектор. Зміщуючи рефлектор відносно активного вібратора, зняти залежність І_пр від положення рефлектора 1. Результати занести в таблицю 2.

Таблиця 2.

5. Настроїти систему "активний вібратор-рефлектор" на максимум ви­промінювання, зняти діаграму направленості в межах 0°-3б0°. Дані знімати через кожних 20°. Результати вимірювань занести в таблицю 3.

Таблиця 3.

6. До системи "активний вібратор-рефлектор", яка настроєна на максимум випромінювання, прибавити директор. Зміщуючи директор відносно активного вібратора, зняти залежність І_пр від положення директора 1. Дані занести в табли­цю 4.

Таблиця 4.

7. Настроїти систему "рефлектор-активний вібратор-директор" на максимум випромінювання. Закріпити вібратори нерухомо. Зняти ДН даної системи в межах 0°-3б0° через кожних 20°. Результати занести в таблицю 5.

Таблиця 5.

8. В діапазоні частот від 700 МГц до 800 МГц з кроком 10 МГц визначити КСХ передавальної антени. Результати занести в таблицю б.

Таблиця 6

Зміст звіту

1. Назва та мета роботи.

2. Схема антени типу хвильовий канал.

3. Результати вимірювань.

4. Діаграми направленості.

5. Висновки по роботі.

Контрольні запитання.

1. Основні характеристики антен?

2. Симетричний вібратор, розподіл струмів та напруг, діаграма направленості ДН?

3. Опір випромінювання, вхідний опір симетричного вібратора ?

4. Петлевий вібратор "Пістолькорса"?

5. Антена типу "хвильовий канал", поняття "рефлектор", "директор", їх вплив на діаграму направленості?

6. Побудувати векторну діаграму струмів активного вібратора, рефлектора, яка пояснює формування ДН антени?

Література.

1. Марков Т. Т., Сазонов Д. М., Антени - М.: Енергія, 1975, 268 с.

2. Лавров А. С., Резніков Г. Б. "Антенно-фідерні пристрої", уч. посібник для Вузів. М.: Рад. радіо, 1974, 368 с.

3. Бова Н. Т. Резніков Г. Б. Антени та прилади СВЧ, 2-ге вид. перероб та доп. -Київ: Вища школа. Головне видавництво, 1982, 278 с.

Поиск по сайту: