 |
|
Лабораторная установка
Лабораторная установка состоит из двух частей: приемной и передающей. Функциональная схема установки изображена на рис. 3.
Рисунок 3 – Схема лабораторной установки:
1 – облучатель, 2 - зеркало, 3 – волноводная детекторная секция, 4 – избирательный усилитель, 5 – регистрирующий прибор, 6 – передающая антенна, 7- СВЧ генератор,
Передающая часть установки содержит антенну и СВЧ генератор.
Колебания генератора СВЧ сантиметрового диапазона волн, модулированы низкочастотным колебанием (1000 Гц), т.е. их можно считать квазимонохроматическими.
Приемная часть включает в себя зеркальную антенну, детекторную секцию, избирательный усилитель и регистрирующий прибор. Поворотное устройство имеет градуированную шкалу и позволяет развернуть антенну в определенном направлении, фиксировать показания регистрирующего прибора и таким путем изучить ее направленные свойства обработав результаты измерений и построив диаграммы направленности.
Лабораторное задание
6.1. Изучить особенности лабораторного макета для исследования направленных свойств зеркальной антенны
6.2. Измерив радиус и глубину параболического зеркала, определить фокусное расстояние,
6.3. Внимательно ознакомиться с порядком работы с СВЧ генератором и селективным микровольтметром.
6.4. Измерить диаграммы направленности (ДН) антенны в Е–плоскости плоскости и в Н– плоскости для каждого из трех случаев:
· фазовый центр излучателя находится точно в фокуса;
· фазовый центр излучателя смещен в сторону зеркала;
· фазовый центр излучателя смещен в противоположную от зеркала сторону.
6.5. Построить диаграммы направленности в виде двух графиков соответствующих измерениям в Е– плоскости и в Н– плоскости.
Примечание:
1. Измерения диаграмм следует проводить при повороте антенны в пределах сектора углов, включающего главный и первый боковой лепесток ДН.
2. Количество точек, необходимое для корректного построения ДН, определяется так, чтобы в пределах одного лепестка ДН было не менее 5-ти точек измерения.
3. При построении ДН следует нормировать полученные значения и учитывать квадратичность характеристики детектора.
6.6. Проанализировать полученные результаты.
Содержание протокола
7.1. Результаты выполнения домашнего задания
7.2. Функциональные схемы измерительной установки
7.3. Результаты измерений в виде графиков и таблиц.
7.4. Анализ результатов и выводы.
Литература
8.1. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебник для вузов /Г.А. Ерохин, О.В. Чернышев, Н.Д. Козырев, В.Г. Кочержевский; под. ред. Г.А. Ерохина. — 3-е изд. — М.: Горчая линия – Телеком, 2007. — 491 с.
8.2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ / Д.М. Сазонов. – М.: Высш. шк., 1988. – 432 с.
8.3. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов связи / А.З.Фрадин. – М.: Связь, 1977. – 44 с.
8.4. Жук М.С. Проектирование антенно-фидерных устройств / М.С.Жук, Ю.Б. Молочков. – М.-Л. : Энергия, 1973. – 448 с.
Приложения
9.1. Метод геометрической оптики
Этот метод не является строгим и часто применяется для решения внутренней задачи теории антенн. Подобное решение относится к так называемым асимптотическим решениям, и оно тем более точно, чем меньше длина волны по сравнению с характерными размерами антенны.
Следует отметить, что метод геометрической оптики (ГО) непригоден для расчета полей в окрестности особых областей (ребер, вершин, фокальных точек, границ свет-тень и т.п.).
Составляющие векторов электромагнитного поля в безграничной среде в приближении ГО представляются в виде произведения быстро осциллирующей и медленно меняющейся функций:
, (П.1)
где 
называется эйконалом, это функция, определяющая фазовую структуру поля - систему фронтов и лучей, 
- амплитуда, которая рассматривается как медленно меняющаяся функция. Поверхности равных фаз, описываемые уравнением 
- фронты волн, а линии градиента 
представляют собой лучи, они перпендикулярны поверхностям равных фаз. Законы ГО суть законы, определяющие функции 
.
Эйконал имеет смысл оптической длины луча
, (П.2)
где 
- показатель преломления среды, а интеграл (9.2) вычисляется вдоль луча.
Луч определяется как траектория, удовлетворяющая принципу Ферма: луч, соединяющий две точки 
и 
, выделяется из всех кривых, проходящих через эти две точки, тем, что эйконал, выражаемый интегралом (П.2), взятым в пределах от до , экстремален. Иными словами - оптическая длина пути между двумя точками вдоль луча, проходящего через них, меньше, чем оптическая длина пути вдоль любой кривой, соединяющей эти же точки.
Рассматривая только однородные среды, отметим, что в этом случае лучи представляют собой прямые линии, ейконал пропорционален обычной длине пути вдоль луча, а ориентация векторов поля в пределах луча постоянна. Трубка бесконечно малого сечения, стенки которой состоят из лучей, называют элементарной лучевой трубкой.
Одним из фактов, позволяющих просто рассчитывать изменение полей вдоль луча, является то, что в первом приближении энергия за пределы элементарной лучевой трубки не выходит. В методе ГО поле как бы распадается на совокупность лучевых трубок, которые можно рассматривать как волокна, по каждому из которых распространяется энергия электромагнитного поля. Причем распространение в каждой элементарной трубке происходит независимо от наличия соседних. То есть, лучевые трубки не взаимодействуют между собой.
Другим фактом является возможность использования законов отражения и преломления. Например, при падении плоской электромагнитной волны на плоскую границу раздела двух сред выполняется закон Снеллиуса: угол падения равен углу отражения. Амплитуда отраженного луча в точке отражения определяется, как и при падении плоской волны на плоскую границу раздела, т.е. известными из электродинамики формулами Френеля.
Если граница раздела не плоская, и если радиусы кривизны поверхности и фронта падающей волны (вблизи поверхности) велики по сравнению с длиной волны, то отражающую поверхность считают локально плоской. Тогда систему отраженных лучей находят, проводя касательную плоскость к поверхности раздела в рассматриваемой точке и применяя первый закон Снеллиуса.
Метод геометрической оптики предполагает, что при движении волны вдоль лучевой трубки амплитуда ее на расстоянии 
спадает в сферической волне как 
, в цилиндрической волне как 
, и неизменна в плоской волне. Фазовые соотношения определяются множителем 
, где 
– волновое число, а 
- пройденное расстояние.
9.2. Апертурный метод
Апертурный метод также является приближенным и позволяет рассчитать поле излучения антенны по известным значениям касательных составляющих векторов электромагнитного поля в раскрыве (апертуре) антенны.
Для нахождения поля излучения, воспользуемся методом эквивалентных токов Щелкунова. С этой целью окружим рассматриваемую антенну воображаемой произвольной замкнутой поверхностью 
так, чтобы часть этой поверхности совпадала с апертурой антенны (рис. 4).
Положим, что в результате точного или приближенного предварительного решения внутренней задачи нами уже определено поле на поверхности 
, т.е. в апертуре (раскрыве) антенны, и значит, известны плотности эквивалентных поверхностных токов на этой поверхности.
Рисунок 4 - Применение апертурного метода
При расчете полей излучения антенны апертурным методом полагают, что поле вне апертуры равно нулю. Следовательно, поверхностные эквивалентные токи на остальной части поверхности 
также отсутствуют. В рассматриваемом примере такое предположение основано на том, что амплитуды полей на "неосвещенной" – теневой поверхности зеркала значительно меньше, чем на "освещенной". С учетом этого, путем интегрирования эквивалентных токов распределенных только по поверхности розкриву антенны, рассчитывают поле излучения.
Таким образом, поле излучения при использовании апертурного метода определяется только через касательные составляющие векторов электрического и магнитного полей (согласно принципу эквивалентности) на апертуре антенны.
На практике часто считают, что касательные составляющие векторов электрического и магнитного поля в апертуре антенны связаны между собой также как и в плоской волне (т.е. они синфазны, взаимно перпендикулярны и отличаются коэффициентом, имеющим смысл волнового сопротивления):
,
где 
- нормаль к поверхности апертуры, 
- волновое сопротивление среды, 
и 
- касательные составляющие векторов электромагнитного поля в апертуре. Такое утверждение в основном справедливо для плоских синфазных раскрывов больших электрических размеров.
В этом случае характеристика направленности может быть определена только через касательную составляющую вектора электрического (либо магнитного) поля из выражения
, (П.3)
причем интегрирование ведется по поверхности апертуры 
.
Апертурный метод, являясь приближенным, не учитывает полей создаваемых токами на поверхности вне апертуры, а также дифракционных явлений на краях апертуры. Он с достаточной для практики точностью описывает особенности характеристики направленности в области главного и первых боковых лепестков и абсолютно непригоден для нахождения поле в области дальнего бокового и заднего излучения антенны.
Преимущества апертурного метода:
- возможность выбора наиболее походящей формы апертуры для упрощения вычисления интегралов.
Недостатки апертурного метода:
- большая погрешность при расчете дальнего бокового излучения;
- невозможен учет кроссполяризации;
- не учитываются дифракционные эффекты.
9.3. Метод физической оптики (ФО) или «токовый» метод
В этом методе характеристика направленности антенны вычисляется интегрированием токов на "освещенной", т.е. облучаемой первичным источником, части поверхности антенны. Считая форму поверхности заданной, а саму поверхность антенны идеально проводящей, решаем внутреннюю задачу, предварительно определив плотность поверхностных токов на этой поверхности, воспользовавшись выражением
, (П.4)
где 
- вектор плотности поверхностных электрических токов; 
- вектор падающего (неискаженного, создаваемого первичным источником) магнитного поля вблизи рассматриваемой поверхности. Обычно падающее поле рассчитывается приближенно, методом геометрической оптики, с использованием асимптотического представления, пригодного на больших расстояниях - характеристики направленности излучателя.
Следует знать, что формула (9.4) дает точный результат только в случае падении плоской волны на бесконечную идеально проводящую плоскую поверхность. Однако ее можно применить и для приближенного определения плотности поверхностного тока в том случае, если радиус кривизны поверхности в рассматриваемой точке значительно превышает длину волны, а падающее поле в этой области можно считать локально плоским.
Тогда, согласно принципу эквивалентности С.А. Щелкунова, поле излучения антенны можно определить путем интегрирования плотности электрических поверхностных токов на металлической поверхности 
антенны. С учетом сказанного векторную комплексную характеристику направленности антенны можно рассчитать, воспользовавшись выражением
,
где 
- расстояние от начала выбранной системы координат до точки интегрирования на поверхности антенны, 
- угол между направлением на точку интегрирования и на точку наблюдения, находящуюся в дальней зоне, а интегрирование ведется по освещенной части поверхности антенны .
Преимущества токового метода:
- меньшая погрешность при расчете бокового излучения;
- возможность учета кроссполяризации;
- возможность учета краевых эффектов, вводя на кромке антенны контурный краевой ток.
Недостатки токового метода:
- не учитываются токи, затекающие на теневую поверхность антенны;
- токи на освещенной поверхности определяются приближенно.