Главная | Обратная связь

Лабораторна установка

ДОСЛІДЖЕННЯ дзеркальнихАНТЕН

 

 

методичні вказівки до використання лабораторної роботи №2

за дисципліною «Антенні системи»

 

для студентів денної та заочної форми навчання за дисципліною професійної

підготовки бакалаврів за напрямом вищої освіти 6.050901 – Радіотехніка

 

 

Одеса 2012

 

 

УДК 621.392.67

 

Укладач Т.А. Цалієв

Рецензенти: зав. каф. ТЕД та СРЗ, проф. Проценко М.Б.,

доц. каф. ТЕД та СРЗ, доц. Драганов В.М.

 

Методичні вказівкидо лабораторної роботи студентів по дисципліні «Антені системи» / Укл. Т.А. Цалієв. – Одеса: Вид-во ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2012. – __ с.

 

 

Метою методичних вказівок є допомога студентам при самостійному вивченні теоретичних положень дисципліни «Антени та пристрої НВЧ», виконані індивідуальних завдань та лабораторних робот.

Методичні вказівки призначені для студентів денної та заочної форм навчання інституту радіоелектроніки.

 

Методичні вказівки розглянуті та затверджені на засіданні кафедри технічної електродинаміки та систем радіозв'язку

(протокол № ____ от « » ____________ 20 р.)

 

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ДЗЕРКАЛЬНИХ АНТЕН

Ціль роботи

 

· Поглиблене пророблення лекцій.

· Вивчення конструктивних особливостей дзеркальних антен

· Вивчення класифікації дзеркальних антен

· Вивчення наближених методів розв'язку задачі про випромінювання.

· Вивчення методів вимірювання діаграм спрямованості .

 

Основні визначення

 

Дзеркальні антени відносяться до класу апертурних антен, і має достатньо просту конструкцію, що полягає з невеликої антени − излучателя й рефлектора (дзеркала) з добре провідною (у більшості випадків криволінійною) поверхнею. У цих антенах випромінювання формується шляхом трансформації фронту хвилі, створюваної випромінювачем, при відбитті її від рефлектора. Існує велика кількість різновидів дзеркальних антен, що відрізняються по своїх конструктивних ознаках.

 

Рисунок 1 – Однодзеркальні параболічні антени

 

Класифікація дзеркальних антенможе здійснюватися різним ознакам, наприклад, як це показано в таблиці 1.

 

 

2.1. Класифікація дзеркальних антен

 

Комбінація цих ознак класифікації дозволяє достатньо повно схарактеризувати конструкцію антени. Наприклад: «однодзеркальна антена із симетричним параболічним рефлектором», або: «двохдзеркальна антена з усіченим параболічним головним дзеркалом і гіперболічним малим дзеркалом».

 

Таблиця 1 – Варіант класифікації дзеркальних антен

 

По спрямованих властивостях	По кількості елементів антени
Однопроменеві	Однодзеркальні
Багатопроменеві	Двохдзеркальні
ІЗ ДС спеціальної форми	Багатодзеркальні
За формою профілю дзеркала	За ознаками симетрії дзеркала
Плоскі (кутова)	Поверхня тіла обертання
Параболічні	Циліндрична поверхня
Еліптичні	Симетрична
Сферичні	Усічена
Гіперболічні
Подвійної кривизни

 

 

Однією з основних форм рефлектора дзеркальної антени є параболоїд обертання (або параболічний циліндр). Така поверхня утворюється при обертанні відрізка параболічної кривій навколо осі симетрії (або при її паралельнім зрушенні уздовж прямої). І в тому й в іншому випадку профіль дзеркала, тобто переріз розглянутої поверхні площиною, – це парабола

 

 

Рисунок 2 – До ілюстрації властивостей параболи

 

 

Для того, щоб пояснити зміст застосування параболічного рефлектора в дзеркальних антенах розглянемо рис. 2.

З курсу вищої математики відомо, що парабола (це крива, що має наступні властивості :

§ нормаль і дотична до будь-якої точки параболи є бісектрисами кутів між фокальним радіус-вектором і діаметром , що проходять через точку дотику;

§ відстані від фокуса до будь-якої точки параболи (наприклад, ) і від цієї точки до прямої лінії, називаною директрисою ( ), рівні між собою.

Якщо мінімальний радіус кривизни поверхні дзеркала в будь-якій точці значно перевищує довжину хвилі, те, розташувавши у фокусі параболи джерело сферичної хвилі й ґрунтуючись на методі геометричної оптики (ГО) можна укласти що:

§ параболоїд трансформує розбіжний пучок променів сферичної хвилі в паралельний, відповідний до плоского фронту;

§ згідно із другою властивістю параболи всі хвилі вихідні з фокуса приходять у площину розкриву синфазне, оскільки директриса й фронт хвилі паралельні;

§ амплітуда хвиль на ділянці руху уздовж променя від фокуса до точки відбиття змінюється, як і в сферичній хвилі, а на ділянці уздовж променя від точки відбиття до площини розкриву, амплітуда незмінна, як у плоскій хвилі.

 

 

2.2. Однодзеркальна параболічна антена

 

Симетрична параболічна однодзеркальна антена складається із двох елементів: дзеркала (рефлектора) утвореного добре провідною поверхнею параболоїда обертання, і опромінювача. Фазовий центр опромінювача сполучений з фокусом параболоїда. У прямокутній системі координат з початком у вершині параболоїда його поверхня описується рівнянням

 

, (1)

 

де − фокусна відстань, а вісь збігається з віссю симетрії параболоїда, яка називається оптичною віссю антени. Площина, проведена через фокальну точку перпендикулярно оптичної осі, зоветься фокальною площиною.

Якщо розташувати рефлектор у сферичній системі координат, початок якої знаходиться у фокусі параболоїда, рівняння його поверхні описується виразом

 

, (2)

 

де (рис. 2) − фокальний радіус (лінія, що з'єднує фокус і довільну точку поверхні параболоїда), − полярний кут (кут між напрямком на дану точку й віссю параболоїда).

 

 

 

а б

 

Рисунок 2 –Профілі параболічних рефлекторів

 

Радіус розкриву дзеркала й кут розкриву дзеркала зв'язані співвідношенням . Розрізняють дзеркала залежно від величини розкриву: якщо ( ) дзеркало називається короткофокусним (рис. 2, а), якщо ( ) − довгофокусним (рис. 2, б).

Поле випромінювання дзеркальної антени формується в такий спосіб:

· падіння електромагнітної хвилі, створюваної випромінювачем (первинне або падаюче поле), приводить до виникнення поверхневих струмів на всій поверхні рефлектора антени;

· ці струми є джерелами, що створюють вторинне (розсіяне) поле в просторі навколишнім антені;

· електромагнітне поле в навколишньому антену просторі (повне або сумарне поле) − це результат накладення поля створюваного випромінювачем (у всім просторі, а не тільки на поверхні дзеркала) і розсіяного полів.

Для знаходження сумарного поля потрібно розв'язати математичне задачі дифракції електромагнітного поля на геометричнім тілі у вигляді елемента поверхні параболоїда обертання.

Точний аналітичний розв'язок такої задачі дотепер не знайдене. Тому часто застосовуються наближені методи розв'язку задачі: апертурний метод, метод геометричної оптики або метод фізичної оптики («струмовий» метод).

 

2.3. Розподіл поля в розкриві дзеркала

 

Розв'язок внутрішньої задачі (знаходження амплітудно-фазового розподілу поля в розкриві дзеркала) у переважній більшості випадків проводиться з урахуванням припущень, що спрощують (наприклад, у наближенні ГО). Крім цього при розрахунках амплітудного розподілу прийнято вважати, що всі точки приналежні поверхні дзеркала знаходяться у дальній зоні відносно опромінювача.

Тоді відносна амплітуда напруженості поля, створюваного випромінювачем у будь-якій точці поверхні дзеркала, може бути розрахована по формулі

 

, (3)

 

де − амплітуда напруженості поля в розкриві дзеркала, − амплітуда напруженості поля у вершини дзеркала, амплітудна характеристика спрямованості опромнювача.

Якщо опромнювач має фазовий центр, і цей фазовий центр перебуває точно у фокусі параболоїда, то в першім наближенні фазовий розподіл поля в розкриві дзеркала прийнято вважати рівномірним.

Зсув фазового центру опромнювача щодо фокуса дзеркала уздовж оптичної осі приводить до появи симетричних фазових помилок у розкриві антени, головним чином квадратичних.

Це погіршує спрямовані властивості: головна пелюстка ДС розширюється, збільшується відносний рівень бічних пелюсток, знижується КВП і КСД антени.

Причому якщо опромнювач зміщається від дзеркала розширення головної пелюстки дещо менше, тому що при цьому одночасно вирівнюється амплітудний розподіл поля в розкриві. Однак рівень бічних пелюсток зростає, у той час як при зсуві опромнювача до дзеркала цей рівень зменшується.

Зсув фазового центру опромнювача у фокальній площині приводить до виникнення несиметричних фазових помилок і якщо цей зсув невеликий, то переважає лінійна помилка. Це викликає відхилення напрямку головної пелюстки ДС убік протилежну зсуву.

Механічна неточність виготовлення поверхні антени приводить до виникнення фазових помилок поля в розкриві дзеркала, які носять випадковий характер і трохи збільшують рівень бічних пелюсток ДС.

Причому допуски на точність виконання профілю дзеркала для різних його частин різні. Так якщо прийняти, що припустиме відхилення фази поля в розкриві становить , то для центральної частини дзеркала профіль повинен виконуватися з точністю . На краях рефлектора вимоги до точності трохи знижуються.

 

2.4. КСД дзеркальної антени

 

При заданих радіусі розкриву дзеркала й характеристиці спрямованості опромнювача КСД антени є функцією тільки кута розкриву дзеркала, яка має максимум при деякому куті розкриву називаним для даного опромнювача оптимальним. Це пояснюється тим, що при збільшенні все більша частина поля опромнювача перехоплюється дзеркалом, що приводить до росту КСД. Однак цьому перешкоджає зростаюча нерівномірність амплітудного розподілу поля по розкриву дзеркала.

Приблизно коефіцієнт спрямованої дії дзеркальної антени може бути розрахований по формулі придатної для будь-яких апертурних антен.

У цій формулі – це так званий результуючий коефіцієнт використання поверхні (КВП)

 

 

Основні фактори, що впливають на результуючий КВП дзеркальної антени враховуються наступними співмножниками:

§ − апертурний КВП розкриву антени, нерівномірність амплітудного розподілу й фазові помилки в розкриві дзеркала знижують величину ;

§ − множник, обумовлений переливанням частини енергії падаючого поля за краї дзеркала;

§ − множник, що враховує ефект затінення дзеркала;

§ − множник, що враховує інтерференцію поля опромінювача й розсіяного поля;

§ − множник, що враховує ефекти кроссполяризации.

 

 

3. Ключові питання

 

3.1. Перелічіть основні властивості параболи.

3.2. Що розуміють по фокусною відстанню дзеркала?

3.3. Сформулюйте поняття «фокальна площина дзеркала».

3.4. Сформулюйте короткофокусне дзеркало.

3.5. Сформулюйте довгофокусне дзеркало.

3.6. Яка роль рефлектора в дзеркальній антені?

3.7. Що означає термін «амплітудний розподіл поля» у розкриві дзеркала?

3.8. Що означає термін «фазовий розподіл поля» у розкриві дзеркала?

3.9. Які фактори впливають на «амплітудний розподіл поля» у розкриві дзеркала?

3.10. Які фактори впливають на «фазовий розподіл поля» у розкриві дзеркала?

3.11. Поясніть термін «реакція дзеркала на опромнювач» у дзеркальній антені

3.12. Поясніть термін «ефект затінення» у дзеркальній антені?

3.13. У чому причина ефекту кроссполяризации в дзеркальній антені?

3.14. Які фактори обумовлюють апертурний КВП?

3.15. Поясніть поняття «апертура дзеркальної антени».

3.16. Порівняйте переваги й недоліки довгофокусного дзеркала в порівнянні з короткофокусним.

3.17. До яких наслідків призведе зсув опромнювача дзеркальної антени уздовж її оптичної осі?

3.18. До яких наслідків призведе зсув опромнювача дзеркальної антени у фокальній площині?

3.19. Який основний фактор визначає рівень далеких бічних пелюсток ДС дзеркальної антени?

3.20. Опишіть коротко апертурний метод, його переваги й недоліки.

3.21. Опишіть коротко метод ГО, його переваги й недоліки.

3.22. Опишіть коротко метод ФО, його переваги й недоліки.

3.23. Як визначити відстань до найближчої границі дальньої зони поля випромінювання дзеркальної антени.

3.24. Який фактор обумовлює поляризацію поля випромінювання дзеркальної антени

 

Домашнє завдання

4.1. Вивчіть теоретичний матеріал по даній роботі й підготуйте відповіді на ключові питання.

4.2. Скористувавшись формулами (2) і (3) розрахуйте й побудуйте у вигляді графіків амплітудний розподіл поля в розкриві дзеркала згідно вихідним даним наведеним у табл.2. Укажіть можливі достоїнства й недоліки обраного опромнювача.

 

Таблиця 2 – Вихідні дані до домашнього завдання

 

№ бригади	Довжина хвилі,	Радіус дзеркала,	Фокусне відстань,	Характеристика спрямованості опромнювача,
	4,5см	20	10
	3,5 см	30	30
	3,0 см	40	10
	5 см	20	20
	2,5 см	30	10
	1,5 см	40	15

 

4.3. Складіть план проведення досліджень.

4.4. Намалюйте схему установки для вимірювання ДС антени.

 

Лабораторна установка

 

Лабораторна установка складається із двох частин: приймальні й передавальної. Функціональну схему установки зображено на рис. 3.

 

 

Рисунок 3 – Схема лабораторної установки:

1 – опромнювач, 2 - дзеркало, 3 – хвилеводна детекторна секція, 4 – вибірковий підсилювач, 5 – прилад, що реєструє, 6 – передавальна антена, 7- НВЧ генератор,

 

Передавальна частина установки містить антену й НВЧ генератор.

Коливання генератора НВЧ сантиметрового діапазону хвиль, модульовані низькочастотним коливанням (1000 Гц), тобто їх можна вважати квазі монохроматичними.

Прийомна частина містить у собі дзеркальну антену, детекторну секцію, вибірковий підсилювач, що й реєструє прилад. Поворотний пристрій має градуйовану шкалу й дозволяє розгорнути антену в певному напрямку, фіксувати показання приладу, що реєструє, і таким шляхом вивчити її спрямовані властивості обробивши результати вимірювань і побудувавши діаграми спрямованості.