Реферат: Диаграмма направленности антенны
СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Распределениеэлектромагнитного поля в дальней зоне, создаваемое любой антенной, полностьюопределяется векторной функцией />,зависящей только от сферических угловых координат (/>,/>) точки наблюдения
/>, (1)
где /> и/> - орты сферической системыкоординат.
Дальняя зонаопределяется обычно условиями:
дляостронаправленных антенн />; (2)
дляслабонаправленных антенн
при /> />, (3)
при /> />, (4)
где L — наибольшийразмер антенны.
Подпространственной диаграммой направленности (ДН) антенны по полю понимаютграфическое изображение изменения модуля функции /> и/> в зависимости от угловыхкоординат/> и/> (рис.1).
На практикеобычно итерессуются не пространственной ДН, а ее сечениями в плоскостях />и /> (рис.2)
/>
/>, (5)
/>. (6)
Чаще всего ДНизображается в полярной и прямоугольной системе координат (рис.2, а и б соответственно).
/>
Диаграмманаправленности, у которой максимальное значение равняется единице, называетсянормированной ДН (рис.3) и обозначается как F(/>,/>):
/>
/>. (7)
Направленноедействие антенны часто оценивается шириной ДН или углом раскрыва главного лепесткадиаграммы направленности. Под шириной ДН по половинной мощности/> подразумевают угол междунаправлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в /> раз, по сравнению с напряженностьюполя в направлении максимума излучения (см. рис.3), а поток мощностиуменьшается вдвое. Под шириной ДН по нулям /> подразумеваетсяугол между направлениями, вдоль которых напряженность поля равна 0.
Направленныесвойства различных антенн удобно оценивать коэффициентом направленного действия(КНД)
/> при /> (8)
в точке приема. Наиболее распространенытри метода измерения КНД антенны: графоаналитический, метод зеркальногоизображения и метод сравнения. В данной работе используется графоаналитическийметод.
Для антенн,имеющих остронаправленные характеристики, мало отличающиеся друг от друга вдвух взаимно перпендикулярных плоскостях, выражение для расчета КНД можноприближенно записать следующим образом:
/> /> , (9)
где F(/>,/>)- нормированная ДН антенны.
По значению F(/>,/>)одним из графических методов находят интеграл, стоящий в знаменателе. Затемопределяют КНД антенны.
В случае, еслихарактеристика направленности имеет узкий главный (/><25/>) и малые боковые лепестки,такая характеристика с достаточной точностью может быть аппроксимированаэллипсом. В этом случае КНД антенны может быть выражен удобной для расчетаформулой:
/> , (10)
где /> и /> - ширина главного лепесткаДН по половинной мощности в плоскостях Е и Н соответственно.
Вработе исследуются директорная и рупорная антенна сантиметрового диапазона.
Директорная антенна
Директорнаяантенна (рис.4) представляет собой линейную систему одинаково ориентированныхприблизительно полуволновых вибраторов, перпендикулярных линии их расположения,и относится к системам с осевым излучением. Директорная антенна состоит изрефлектора Р, активного электрического вибратора А и целого ряда директорныхвибраторов Д. Питание от генератора получает лишь один вибратор, которыйназывается поэтому активным. Возбуждение прочих, так называемых пассивныхвибраторов, осуществляется бегущей вдоль системы волной, источником которойявляется активный вибратор.
sitednl.narod.ru/1.zip — база сотовыхпо Петербургу
/>
Длина активноговибратора составляет около 0,45/>0,47/>. Чтобы обеспечитьотставание фазы тока в вибраторах (директорах), направляющих излучение в своюсторону, их укорачивают на 5/>10 % посравнению с резонансной длиной. Опережение фазы тока в рефлекторе, “отражающем”излучение в сторону активного вибратора, достигается удлинением рефлектора на 3/>5 % относительно резонанснойдлины.
Расстояниемежду вибраторами обычно несколько меньше четверти длины волны и частовыбирается порядка 0,2/>.
Многовибраторнаядиректорная антенна узкополосна (5/>10 % отрабочей частоты). Для оценки направленности действия настроенной антенны пользуютсяформулами:
/> (11)
и
/> град, (12)
где L — длинаантенны, а коэффициенты А и В, как функции L / />, представлены на рис.5.
Общийвид и основные размеры исследуемой антенны даны на рис.4 и в табл.1. Помимоактивного петлевого вибратора в ее состав входит три элемента рефлектора и пятьдиректоров. Один из элементов рефлектора прикреплен к несущей стреленепосредственно, а два крайних — посредством вспомогательных стоек. Элементырефлектора находятся примерно на поверхности параболического цилиндра, вдоль фокальнойлинии которого расположен петлевой вибратор, имеющий сложную форму для того,чтобы обеспечить хорошее согласование во всей полосе пропускаемых частот.
/>
Всевибраторы директорной антенны изготовлены из полосок металла. Симметрирующеесогласующее устройство выполнено в виде U-колена длиной />/ 2. Антенна настроена начастоту 1165 МГц (/> см).
Пирамидальная рупорная антенна
Рупорнаяантенна (рис.6) состоит из рупора — отрезка волновода плавно расширяющегосясечения с открытым излучающим концом — раскрывом и устройства для питаниярупора — волновода с возбуждающим устройством.
/>
Рупорявляется трансформатором волны, распространяющейся в волноводе, в волну другоготипа. Чаще всего он преобразует участок “плоской” волны малых размеров впоперечном сечении волновода в участок приблизительно плоской волнызначительных размеров в раскрыве рупора. Это приводит к сужению диаграммынаправленности и увеличению КНД. Кроме того, благодаря плавному изменениюволнового сопротивления вдоль рупора, обеспечивается согласование волновода сосвободным пространством. Фронт волны в пирамидальном рупоре можно считатьсферическим, а фазовую ошибку в раскрыве определить по следующей формуле:
/>. (13)
При этом
/>; (14)
/>. (15)
Весьматочно КНД пирамидального рупора в децибелах по отношению к КНД абсолютно ненаправленнойантенны может быть определен с помощью выражения:
/> дБ, (16)
где величины /> и /> определяются из рис.6, а /> и /> - из рис.7. длина волны, накоторой снимаются ДН рупора, />=3,2 см.
Методика снятия характеристики направленности антенны
Исследуемаяантенна работает на прием. Она имеет возможность вращаться вокруг оси,перпендикулярной к плоскости, в которой снимается характеристиканаправленности. К выходу антенны подключен кристаллический детектор сусилителем У3-29 и ВК7-27. Так как при слабых сигналах детектор имеет квадратичнуювольтамперную характеристику, показания индикатора ВК7-27 соответствуютквадрату напряженности поля, наводимого в исследуемой антенне. В качествеисточника электромагнитных волн используется антенна, работающая на передачу.Передающая антенна в данном случае неподвижна и удалена от исследуемой антеннына расстояние /> (/> определяется по одной изформул: (2), (3) или (4) ).
/>
Дляснятия характеристики направленности исследуемую антенну поворачивают нанекоторый угол и фиксируют показания связанного с ней прибора. Операциюповторяют до тех пор, пока исследуемая антенна не будет повернута на 360/>. По полученным даннымстроят ДН исследуемой антенны.
Экспериментальноеснятие характеристики направленности директорной и рупорной антенн осуществляетсяс помощью установки, структурная схема которой приведена на рис.8. Приисследовании директорной антенны в качестве генератора 1 применяется Г3-21, арупорной — 51И. На вход измерительного усилителя 5 при этом подаются поочередносигналы то с детектора директорной антенны, то с детектора рупорной антенны.
/>
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Директорная антенна
Включениеустановки:
1)подключить детектор директорной антенны ко входу усилителя У3-29, при этомзадать максимальную чувствительность усилителя;
2)включить усилитель У3-29 в сеть тумблером “Сеть”, включить цифровой вольтметрВК7-27 в сеть и установить предел измерения 100 mВ;
3)направить исследуемую директорную антенну на передающую антенну;
4)включить генератор Г3-21 тумблером “Сеть”; спустя 1-2 минуты включить”Высокое”;переключатель рода работы поставить в положение “Манипул.”;
5)установить на шкале частот Г3-21 частоту 1165МГц и вращением ручек “Уст. уровняВЧ” и “Подстройка” добиться максимальных показаний индикатора.
Выводитьпостепенно выходной аттенюатор Г3-21 до тех пор, пока стрелка индикатора ВК7-27не отклониться на половину шкалы при его максимальной чувствительности.
Установкаготова к снятию ДН.
Измеренияи расчеты:
1)снять ДН директорной антенны в плоскости Е; измерения производить в пределах0-360/> через 5/> (необходимо учесть, чтопоказания индикатора ВК7-27 соответствуют квадрату напряженности поля, т.е.мощности, принимаемой антенной);
2)повернуть приемную и передающую антенны относительно оси на 90/> и снять ДН исследуемой антенныв плоскости Н через 6/>;
3)пронормировать и вычертить ДН директорной антенны в полярной системе координат;определить ширину ДН (/>;/>) по половинной мощности вплоскостях Е и Н;
4)рассчитать значения D и /> поформулам (11) и (12), подставив в них величины А, В и L (см. рис.4 и5);
5) сравнить значения D и /> полученные экспериментальнои в результате расчетов по формулам (11) и (12).
Пирамидальная рупорная антенна
Включениеустановки:
/>1) подключить к усилителю У3-29 детекторрупорной антенны;
/>/>/>/>/>2) выключатель “Сеть” генератора Г4-32Апоставить в положение ” “
3)после 15-минутного прогрева настроить СВЧ-генератор на излучение максимальноймощности на частоте 8830 МГц; с помощью выходного аттенюатора СВЧ-генератораустановить ослабление 1-3 дБ.
Установкаготова к снятию ДН.
Измеренияи расчеты:
Проделатьпп.1-3, как для директорной антенны, но снимать показания через 3/>.
1)Подставить полученные значения углов (/>)и (/>) в формулу (10). Принятьчислитель равным 34000 и определить значения D.
2)Рассчитать значения D по формуле (16), подставив значения />, />, />, /> (см. рис. 6 и 7).
3) Сравнить значения D, полученныеэкспериментально (п.1), и в результате расчетов по формуле (16).
Литература
1. Казарин А.Н.,Кравченко И.Т. “Руководство к лабораторным работам по курсу “Излучающиеустройства” - Минск, изд. БГУ им. В.И. Ленина, 1968.
2. Фрадин А.В., Рыжков Е.В. “Измерение параметров антенно-фидерных устройств” — М., “Связь”, 1972.