Лабораторная работа 9

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ РУПОРНЫХ И ЛИНЗОВЫХ АНТЕНН

Антенны СВЧ предназначены для излучения электромагнитной энергии в пространство, а также приема сигналов из пространства. Требования к основным характеристикам антенн определяются целью, для которой антенны используются, и бывают различны по отдельным параметрам. Чаще всего антенны выполняют одновременно функции приема и передачи сигналов. На рис. 1 показана антенна для приема сигнала, исследуемая в данной работе, а на рис. 2 – передающая антенна.

Рис. 1

Рис .2

Если антенна не содержит невзаимных элементов (например, ферритовых устройств), их характеристики при приеме и передаче полностью совпадают, т. е. антенны представляют собой обратимые устройства. Антенны обеспечивают эффективный прием или излучение сигнала в определенном направлении; таким образом, они являются направленными системами. Это свойство характеризуется специальными графиками, получившими название диаграмм направленности. Такие диаграммы определяются для горизонтальной и вертикальной плоскости. Причем при построении диаграмм широко используются как декартовые, так и полярные координаты.

Диаграмму направленности можно описать числовыми данными, которые указывают углы раствора главного лепестка в горизонтальной и вертикальной плоскостях; количество боковых лепестков, их интенсивность и положение. Наиболее важная характеристика – ширина диаграммы направленности антенны, которая определяется величиной угла между направлениями, лежащими в пределах основного лепестка направленности и соответствующими излучению (приему) половины мощности, в максимуме главного лепестка.

Эффективность работы антенны характеризуется двумя основными параметрами – коэффициентом направленного действия (направленностью) D и коэффициентом полезного действия η. Направленность D определяется как отношение квадрата величины напряженности поля, создаваемого антенной в направлении максимального излучения, к среднему (в полном телесном угле) значению квадрата напряженности поля. Коэффициент полезного действия η находится как отношение всей мощности излучения к полной мощности, подводимой к антенне. Произведение этих двух коэффициентов дает новый параметр, называемый коэффициентом усиления антенны kу = D η. Коэффициент усиления характеризует действительный выигрыш в мощности, получаемый в результате использования направленной антенны, по сравнению с изотропной антенной без потерь.

Направленные свойства антенны существенным образом зависят от эффективных размеров излучающей площади антенны, в реальных конструкциях она меньше геометрической площади, с которой происходит излучение. Только в идеальном случае, когда на всей излучающей поверхности антенны образуется плоская электромагнитная волна с однородным распределением амплитуд, эти площади совпадают.

В данной работе исследуются диаграммные свойства рупорных и линзовых антенн. Рупор имеет пирамидальную форму с квадратной поверхностью раскрыва (рис. 3). Коэффициент направленного действия D такого рупора в направлении максимального излучения может быть рассчитан по формуле

, (1)

где – интегралы Френеля (Янке Е. и др., 1977),

а .

В этих формулах a – сторона раскрыва рупора; R - длина рупора; λ - длина волны.

Обычно диаграммные свойства рупора примерно во столько раз лучше диаграммных свойств открытого конца волновода, во сколько площадь раскрыва рупора больше поперечного сечения волновода.

Некоторое ухудшение диаграммных свойств рупора происходит из-за неравномерного распределения фазы волны в плоскости раскрыва рупора. Фаза в этой плоскости меняется по квадратичному закону. Например, в случае, когда в подводящем энергию волноводе возбуждена основная волна H10, поле в плоскости раскрыва рупора имеет вид

, (2)

λ – длина волны в свободном пространстве.

Чтобы улучшить диаграммные свойства рупора, следует выровнять фазу в плоскости раскрыва. Для этой цели используются линзы, которые обычно делятся на два класса: ускоряющие (с показателем преломления n < 1) и замедляющие (n > 1). В первом случае фазовая скорость волны в линзе больше скорости света в пустом пространстве, а во втором – меньше. Если одна из сторон линзы плоская (рис. 4), то поверхность второй описывается в полярных координатах уравнением

(3)

где F – фокусное расстояние линзы, ρ и j – полярные координаты. При n < 1 линза вогнута и ее поверхность является эллипсоидом вращения; при n > 1 линза имеет выпуклую поверхность, представляющую гиперболоид вращения.

Рис. 4

Исследуемая в данной работе линза является ускоряющей (т. е. характеризуется значением n < 1).

Конструктивно она состоит из параллельных металлических пластин, расположенных на некотором расстоянии b друг от друга. Это расстояние связано с показателем преломления линзы следующим образом:

(4)

Для того чтобы значения n лежали в пределах 0 < n < 1, надо величину b ограничить следующим неравенством:

. (5)

Однако, чтобы исключить возможность появления в линзе других типов волн (в частности, H20 и т. д.), на величину b следует наложить более жесткое ограничение:

(5¢)

и соответственно 0 < n < 0,86.

Методика измерений

Целью работы является снятие диаграмм направленности рупорных и линзовых антенн в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Общая схема измерительного стенда показана на рис. 5.

Исследуемая антенна может вращаться вокруг вертикальной оси на 360° (рис. 6). Кроме того, исследуемую антенну можно поворачивать вокруг своей оси. Этим обеспечивается снятие диаграммы направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Рис. 5

Рис. 6

Диаграмма направленности строится в полярной системе координат. Полярный угол обозначается θ, а по радиусу откладывается относительная величина мощности Р(θ). Для того чтобы выявить уровень боковых лепестков (которые бывают иногда очень слабыми), удобнее относительные величины мощности выразить в децибелах (рис. 7).

Рис. 7

С этой целью между генератором (рис. 8) и излучающей антенной включается аттенюатор (рис. 9), проградуированный в децибелах. При ориентации излучающей и приемной антенн строго друг на друга аттенюатор включается на максимум поглощения (например, m1). Допустим, показание индикатора (рис. 10) приемника излучения при этом равно α0. При повороте исследуемой антенны на некоторый угол (вокруг вертикальной оси) показание приемника, естественно, снизится. Медленно уменьшая поглощение в аттенюаторе до некоторой величины m2, добиваются, чтобы показания гальванометра снова приняли значение α0.

Рис. 8

Рис. 9 Рис. 10

Разность показаний аттенюатора m1 – m2 дает в децибелах относительное уменьшение мощности в данном направлении (по сравнению с максимумом излучения). Таким образом, строится диаграмма направленности. Использование аттенюатора в данном случае позволяет избежать необходимости предварительной калибровки детектора.

Другой важной характеристикой антенны служит так называемая поляризационная диаграмма, определяющая поляризационные свойства антенны. Для изменения поляризационных характеристик одной из двух антенн приемно-передающего тракта необходимо предварительное знание этих характеристик для другой антенны, которая в этом случае служит как бы индикатором поляризации. В качестве индикатора обычно применяют антенну с линейной поляризацией (как наиболее простой).

В данном случае исследуемая антенна используется в режиме приема, поэтому индикатором с линейной поляризацией служит передающая антенна (т. е. полагается, что передающая антенна излучает вертикально поляризованную волну). Максимум излучения индикатора совмещается с направлением на исследуемую антенну, и в дальнейшем это направление является осью вращения. При вращении исследуемой антенны вокруг данной оси сигнал с индикатора приемной антенны будет зависеть от угла поворота j. Полученная зависимость называется поляризационной диаграммой. Строится она так же, как и диаграмма направленности (с использованием аттенюатора). Причем следует отметить, что поляризационная диаграмма не совпадает с эллипсом поляризации. Так, если исследуемая антенна обладает линейной поляризацией, то соответствующий «эллипс» поляризации изображается отрезком прямой АВ (рис. 11), а поляризационная диаграмма имеет вид восьмерки. Из поляризационной диаграммы легко получить эллипс поляризации, поскольку эти понятия взаимосвязаны. Предлагаем самим студентам разработать методику построения эллипса поляризации из поляризационной диаграммы.

Порядок выполнения работы

1.     Рассчитать по формуле (1) коэффициент направленного действия D рупора. Сравнить полученные результаты с коэффициентом направленного действия идеальной эквивалентной антенны. Идеальной антенной называется возбужденная пластина с равномерным распределением амплитуды и фазы возбуждения. Ее коэффициент направленного действия равен  где S – площадь пластины. При расчетах использовать значение частоты, равное f = 37 500 МГц.

2.     Возбудить генератор на указанной частоте. Пользуясь описанной выше методикой, построить диаграммы направленности рупора в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которые проходят через ось, соединяющую две антенны. Причем диаграммы строятся как в децибелах (по результатам измерений), так и в относительных единицах мощности. Измерения следует производить через каждые 2°.

3.     Присоединить линзу к рупору и снять диаграмму направленности этой антенны. Измерения проводятся так же, как и в предыдущем случае. Рассчитать коэффициент преломления n линзы по ее параметрам.

4.     Снять поляризационные диаграммы для рупора с линзой и без нее. Диаграммы построить как в децибелах, так и в относительных единицах напряженности. Из последней поляризационной диаграммы получить эллипсы поляризации для рупора с линзой и без нее.

Контрольные вопросы

1.     Назовите основные параметры, характеризующие работу антенн.

2.     Что такое поляризационная диаграмма антенны и ее связь с эллипсом поляризации?

3.     Объяснить работу ускоряющей линзы.

4.     Каков характер фазовых и амплитудных искажений в раскрыве рупорной антенны и какое влияние они оказывают на диаграмму направленности?

5.     Из каких соображений выбирают оптимальные размеры рупора?

6.     Из каких соображений выбирается оптимальный показатель преломления линзы?

7.     Как должны быть ориентированы пластины линзы (рис. 2) по отношению к плоскости поляризации поля Е.

Библиографический список

Антенны УКВ. М., 1977.

, Антенно-фидерные устройства. М., 1974.

, Антенны. М., 1975.

Антенно-фидерные устройства. М., 1977.

и др. Специальные функции / Е Янке., Ф. Эмде, Ф. Леш. М., 1977.