УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ
ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Факультет Радиотехники, Радиосвязи и Телевидения.
Кафедра Антенно-Фидерных Устройств
Методическое указание к виртуальной лабораторной работе
“исследование стержневых диэлектрических антенн”
по дисциплинам: “Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства” и “Антенны и устройства СВЧ”
по направлениям образования “Телевидение, радиосвязь и радиовещание”, “Радиотехника”
Ташкент 2005
Аннотация.
Данные методические указания предназначены для студентов изучающих курсы “Распространение радиоволн и Антенно-фидерные устройства” и “Антенны и устройства СВЧ” по направлениям образования: “Телевидение, радиосвязь и радиовещание” и “Радиотехника”.
Программа курса “Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства” содержит 36 часов лекций, 20 часов упражнений и 18 часов лабораторных работ, а программа курса “Антенны и устройства СВЧ” – 32 часа лекций и 16 часов лабораторных работ.
Настоящая виртуальная лабораторная работа рассчитана на выполнение в течении двух часов.
Данная работа предназначена для студентов, изучающих теорию антенн поверхностных волн и может быть полезна при работе над выпускными квалификационными работами и магистерскими диссертациями.
- Цель РАБОтЫ
В результате выполнения лабораторной работы студенты должны
-знать устройство и принцип действия диэлектрических стержневых антенн; -уметь определять их направленные свойства при разных размерах антенн.
2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1. Диэлектрическая антенна как линия передачи поверхностной волны
Принцип действия диэлектрической антенны основан на явлении полного внутреннего отражения электромагнитных волн от границы раздела диэлектрических сред.
Известно, что при падении плоской электромагнитной волны на безгранично протяженную поверхность раздела двух диэлектриков образуется поверхностная волна при выполнении двух условий:
- волна падает из диэлектрика с большей относительной
диэлектрической проницаемостью 
на поверхность диэлектрика
с меньшей относительной проницаемостью 
(обычно вторым диэлектриком
выступает воздух 
);
- угол падения волны больше угла полного внутреннего отражения (критического угла) или равен ему.
Поверхностная волна, которая образуется в оптически менее плотном диэлектрике (воздухе) как бы “прилипает” к поверхности раздела двух диэлектриков и характеризуется следующими свойствами:
- амплитуда напряженности поля этой волны в воздухе быстро убывает по экспоненциальному закону по нормали к поверхности раздела;
- поверхностная волна направлена по оси антенны,
причем фазовая скорость этой волны v меньше скорости света 
и больше
фазовой скорости волны в безграничной среде с параметром 
(т.е. величины 
);
- имеются продольные составляющие векторов
напряженности поля 
и 
.
Диэлектрический стержень антенны можно рассматривать
как отрезок диэлектрического волновода. Из теории диэлектрических волноводов
известно, что в них могут распространяться как симметричные, так и
несимметричные волны. Волны симметричного типа, как правило, не используются в
диэлектрических стержневых антеннах, так как из-за осевой симметрии они не
излучают вдоль оси стержня. Несимметричные волны 
и 
(
, 
) в
диэлектрическом волноводе не разделяются, а существуют совместно, т.е. являются
вырожденными. Основной волной среди этих волн является гибридная волна 
.
Распределение поля волны показано на
рис.2.1. В отличие от волны 
в круглом металлическом
волноводе, касательные составляющие электрического поля волны к границе
диэлектрика отличны от нуля из-за существования поля вне диэлектрического
стержня. Следствием этого является наличие продольной составляющей
электрического поля волны , объясняющее одновременное
существование в диэлектрическом волноводе несимметричных волн класса 
и 
.
Рис.2.1. Структура поля волны в диэлектрическом
стержне
Твердый диэлектрик обладает свойством более сильной концентрации поля в себе по сравнению с окружающим воздухом. Поэтому поперечный размер стержня значительно влияет на распределение энергии электромагнитного поля, распространяемого по стержню и в окружающем пространстве. Если диаметр стержня близок к длине волны, большая часть энергии передается внутри него, а при уменьшении диаметра большая часть энергии направляется по внешней поверхности стержня.
Любая антенна поверхностной волны состоит из двух элементов: возбудителя электромагнитного поля (например коаксиально – волноводного перехода) и собственно антенны (направителя), представляющей собой замедляющую структуру, трансформирующую электромагнитное поле, созданное возбудителем, в поле поверхностной волны.
2.2. Свойства направленности стержневых диэлектрических антенн
Направленные свойства антенн поверхностных волн можно анализировать с двух точек зрения:
- считая, что излученное электромагнитное поле создается синфазно возбужденной поверхностью. Этой поверхностью является часть плоского фронта поверхностной волны на конце антенны. Чем больше коэффициент замедления c/v, тем меньше эффективная излучаемая поверхность. Максимум излучения направлен перпендикулярно фронту волны, т.е. вдоль оси антенны;
- так как в диэлектрическом стержне с волной линии
вектора 
в поперечном сечении
стержня имеют одно преимущественное направление
(рис.2.1),
перпендикулярное оси 
, поэтому диэлектрический
стержень можно рассматривать как непрерывную систему вибраторов (рис.2.2),
возбуждаемых токами смещения (поляризации), оси которых перпендикулярны оси
стержня. Фазы этих токов изменяются прямо пропорционально расстоянию от начала
антенны, а их амплитуды (пренебрегая потерями) – одинаковы. В учебной
литературе вторая концепция получила более широкое использование.
Рис.2.2. К пояснению принципа работы антенны (получения бегущей волны)
Таким образом, диэлектрическую антенну можно представить в виде антенны бегущей волны с непрерывным распределением источников и пониженной фазовой скоростью. Характеристика направленности такой антенны может быть рассчитана по формуле
, (2.1)
где
-
значение нормированного множителя характеристики направленности одного элемента
антенны (
, 
),
- длина
диэлектрического стержня,
c/v - коэффициент замедления волны, определяемый из графика (рис.2.3),
- длина
волны в свободном пространстве,
- угол,
отсчитываемый от оси стержня
Форма диаграммы направленности определяется выбором
размеров стержня: его диаметром d, длиной стержня и
материалом стержня. От размеров поперечного сечения стержня зависит величина
замедления волны.
При тонком стержне замедление c/v близко к единице и почти вся энергия поверхностной волны переносится вне стержня и, следовательно, теряются направляющие свойства направителя. С увеличением диаметра стержня увеличивается замедление и эффективность возбуждения поверхностной волны.
Однако при толстом стержне из-за значительного замедления волны растут нежелательные отражения от конца стержня, которые искажают структуру поля в нем, искажают диаграмму направленности. Поэтому диаметры цилиндрических стержней не достигают значения длины волны и выбираются по условию
. (2.2)
На практике для уменьшения отражения от конца стержня (уменьшения уровня боковых лепестков) стержни выполняются конической формы с диаметрами:
, (2.3)
. (2.4)
Диэлектрическая стержневая антенна, как любая антенна бегущих волн, имеет оптимальное значение длины, при котором достигается максимальное значение ее коэффициента направленного действия. Как известно, оптимальная длина таких антенн зависит от коэффициента замедления и вычисляется по формуле
. (2.5)
Коэффициент направленного действия 
и коэффициент
усиления 
диэлектрической стержневой
антенны приближенно можно определить по формуле
. (2.6)
Необходимо учесть, что при выборе длины стержня в два раза больше оптимальной может возникнуть провал в диаграмме направленности вдоль оси антенны.
3. ОПИСАНИЕ МАКЕТА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Установка позволяет измерить характеристику
направленности диэлектрических стержней в плоскости H в
диапазоне углов (
). Структурная схема
установки приведена на рис.3.1.
передающая часть приемная часть
Рис.3.1. Структурная схема лабораторной установки (1- генератор сантиметрового диапазона волн, 2- прямоугольный волновод, 3- рупорная антенна, 4- исследуемая диэлектрическая антенна, 5- аттенюатор волноводный калиброванный, 6- детекторная секция, 7- коаксиальный кабель, 8- индикаторный прибор)
Приемная часть смонтирована на вращающейся штанге, имеющей диск с нанесенной на него градусной шкалой.
В лабораторной установке применяется конструкция, в которой направителем поверхностной волны является диэлектрический стержень, а ее возбудителем – открытый конец прямоугольного волновода (рис.3.2)
Рис.3.2. Эскиз стержневой диэлектрической антенны
Наряду со стержнями цилиндрической и конической формы используются замедляющие структуры с периодически изменяющимися вдоль оси антенны замедлением (рис.3.3.а), ребристо-стержневые антенны (рис.3.3.б) и трубчатые антенны.
а) б)
Рис.3.3. Эскиз замедляющих структур с периодически изменяющимся вдоль оси замедлением волны
Виртуальный макет, созданный на основе рассмотренной установки, моделирует ход выполнения реальной лабораторной работы и обеспечивает получение необходимых характеристик диэлектрической антенны.
4.Задание на выполнение работы
4.1. Необходимо сначала предварительно ознакомиться с устройством и принципом действия диэлектрической антенны, получить от преподавателя исходные данные для выполнения работы.
4.2. Ввести в программу свою фамилию, имя и номер группы.
4.3. Выбрать тип основной волны в прямоугольном волноводе и эскиз структуры поля, соответствующий этой волне.
4.4. Для данного прямоугольного волновода определить рабочую частоту f0 либо рабочую длину волны l0.
4.5. Для заданных диэлектрических стержней расчитать значение диаметров стержней к величине 2λ0, а затем по графику v/с = ƒ (d/2λ0) найти величину коэффициента v/с.
4.6. Последовательно, для каждого заданного диэлектрического стержня снять характеристику направленности (ХН) и построить диаграмму направленности (ДН).
4.7. Определить ширину главного лепестка ДН по уровням нулевой и половинной мощностей излучения.
4.8. Провести анализ полученных результатов и сделать выводы.
5. Порядок проведения работы
5.1. Для того чтобы приступить к выполнению работы с помощью компьютерной модели необходимо убедится, что на экране монитора изображено главное окно программы - «Меню» (рис.5.1):
|
В этом окне нужно нажать на кнопку «Начать выполнение», которая открывает следующее окно данной работы.
Если на экране отображено окно, которое не соответствует указанному (рис.5.1) или при нажатии кнопки «Начать выполнение» появилось сообщение: «Сначала необходимо получить задание на выполнение работы», то нужно обратится к преподавателю.
5.2. Следующее окно имеет название «Знакомство с заданием и заполнение анкетных данных» (рис.5.2). Здесь необходимо ввести в соответствующие поля свои фамилию, имя и номер группы. Если потребуется, то следует произвести смену раскладки клавиатуры (комбинация клавиш «Shift и Alt» или «Shift и Ctrl»).
Задание, содержащиеся в этом же окне, совпадает с заданием на выполнение работы, указанным в данном методическом пособии.
|
После того как все три поля будут заполнены, необходимо нажать кнопку «Далее>>». При не заполнении хотя бы одного вводного поля, нажатие данной кнопки вызовет сообщение об ошибке, которую необходимо будет исправить, иначе продолжать выполнение будет невозможно.
5.3 Окно «Шаг № 1» следует после окна ввода анкетных данных. В нем предстоит выполнить несколько действий:
5.3.1. Необходимо среди кнопок с названиями типов волн (рис.5.3) выбрать название основного типа волны, распространяющегося в прямоугольном волноводе;
5.3.2. После правильного определения типа основной волны необходимо выбрать эпюр распределения поля этой волны в поперечном сечении прямоугольного волновода (рис.5.4);
5.3.3. Если эпюр выбран правильно, вместо них на окне появляются кнопки для определения рабочей частоты f0 и длины волны l0. Вы должны будете выбрать, какой из двух параметров будете определять.
При нажатии кнопки «Рабочая длина волны» будет отображено поле для ввода значения длины волны l0 (рис.5.5), которое должно быть рассчитано с учетом указанного в окне условия, после чего следует нажать кнопку «О.К»
Аналогично, при нажатии кнопки «Рабочая частота f0» будет отображено поле для ввода значения частоты f0, которое должно быть рассчитано с учетом указанного в окне условия, после чего следует нажать кнопку «О.К».
Если значения найдены верно, то в окне будет сказано, что можно нажимать кнопку «Далее>>».
5.4. Окно определения коэффициента замедления волны «Шаг № 2» следует после окна «Шаг № 1» и также включает в себе несколько действий:
5.4.1. Необходимо определить для всех заданных стержней значение d/2l0 (рис.5.6), после чего следует нажать кнопку «О.К»;
5.4.2. По графику необходимо будет найти подходящий коэффициент v/с, который выражает коэффициент замедления волны с/v в обратном отношении. Для этого следует (рис.5.7), передвигая бегунок, расположенный вдоль оси (v/с), совместить в пересечении красную линию (v/с) с синий линией (d/2l0) и зеленой линией (ε данного стержня), после чего следует нажать кнопку «О.К».
Внимание! Если задано несколько диэлектрических стержней, пункты 5.4.1. и 5.4.2. следует повторить для каждого из них.
Когда значения v/с будут найдены для всех стержней, в окне появится надпись о том, что можно нажимать кнопку «Далее>>».
|
5.5. В окне расчета ХН и построения ДН (рис.5.8) необходимо предварительно нажать кнопку «ВКЛ» на панели «Сеть», в результате чего произойдет имитация включения генератора и измерительной аппаратуры. Затем следует произвести следующие действия:
5.5.1. Записать значения рабочих частоты f0 и длины волны l0, а также параметры прямоугольного волновода: размеры широкой стенки a и узкой стенки b, поперечного сечения.
5.5.2. Записать номер текущего стержня и его параметры: диаметр d; длина L; значения относительной диэлектрической проницаемости материала стержня e и коэффициента замедления с/v.
5.5.3. Нажать переключатель «Плоскость Е», расположенный справа от кнопки «Повернуть антенну на один шаг», что будет соответствовать расчёту в плоскости Е.
5.5.4. Нажимая кнопку «Повернуть антенну на один шаг» (рис.5.9), записать значения угла поворота j и значение ХН f(j) из таблицы, расположенной в левом углу окна.
Продолжить нажатие данной кнопки и фиксировать значения ХН пока не будет пройден весь угловой сектор от 0 до 360 градусов, т.е. не будет произведен полный оборот исследуемой антенны.
 |
5.5.5. После поворота антенны на 360° таблица прекращает заполняться, и в окне прорисовываются графики ДН.
ДН представлены в полярной системе координат (рис.5.10) и в прямоугольной (рис.5.11). Переход между системами можно осуществить при нажатии соответствующих переключателей на панели под графиками.
Для наилучшего восприятия измерения, имеется возможность отображение ДН различными цветами, как при сплошной заливке, так и при ее отсутствии. Произвести настройку можно с помощью кнопок, расположенных справа под графиком ДН.
5.5.6. Следует нажать кнопку «2(j)» и графически определить ширину главного лепестка по нулевому уровню излучения 2j0 и по половинной мощности 2j0,5. Для этого необходимо перемещать горизонтальный бегунок (рис.5.12), двигая желтые линии по ДН до тех пор, пака не установите их на ширине главного лепестка, соответствующей 2j0 или 2j0,5.
Найденные значения 2j0 и 2j0,5 должны быть записаны и приведены в отчете.
5.5.7. Все результаты измерений ХН должны быть сведены в таблицу типа
|
Угол поворота j (градусы) |
Значения f(j) |
|
|
в плоскости Е |
в плоскости Н |
|
|
0 |
|
|
|
… |
|
|
|
359 |
|
|
По табличным значениям в отчете необходимо построить все ДН, во всех системах координат, привести все их параметры. Отчет должен так же содержать исходные данные и промежуточные значения.
5.5.8. Нажать кнопку «Пересчитать» и выбрать переключатель «Плоскость Н», затем повторить выполнение пунктов: 5.5.4 ... 5.5.7.
Внимание! Если было задано несколько стержней, то необходимо провести исследования всех стержней, включая снятие ХН и построение ДН диэлектрической антенны.
Исследование нового стержня производится путем нажатия кнопки «Следующий стержень», после чего необходимо повторить выполнение пунктов 5.5.2 ... 5.5.8.
При выполнении работы нужно исследовать все, заданные преподавателем, диэлектрические стержни, иначе работа не будет считаться выполненной.
6. Содержание отчета
отчет должен содержать:
6.1. Структурную схему действующей лабораторной установки;
6.2. Значения рабочей частоты f0 и длины волны l0, соответствующие одноволновому режиму;
6.3. Параметры заданного прямоугольного волновода;
6.4. Параметры заданных диэлектрических стержней;
6.5. Результаты измерений ХН для всех заданных диэлектрических стержней, оформленные в виде таблиц;
6.6. ДН исследованных диэлектрических стержней в прямоугольной и полярной системах координат;
6.7. Значения ширины главного лепестка по уровню нулевого излучения 2φ0 и по половинной мощности 2j0,5;
6.8. Значения коэффициента направленного действия D, заданных диэлектрических стержней.
7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
7.1. Опишите принцип действия и конструкцию диэлектрической стержневой антенны.
7.2. Обоснуйте выбор типа волны, возбуждающей диэлектрический стержень.
7.3. Какими факторами ограничивается длина стержневой антенны, как определяется ее оптимальная длина?
7.4. Как зависит форма диаграммы направленности от формы и размеров диэлектрического стержня?
7.5. Как осуществляется согласование диэлектрического стержня с волноводом и окружающей средой?
7.6. Коэффициент замедления и его зависимость от размеров диэлектрического стержня.
7.7. Способы возбуждения диэлектрических стержней.
7.8. Пути сужения диаграмм направленности диэлектрических антенн.
7.9. Область использования диэлектрических антенн.
7.10. Диапазонные свойства диэлектрических антенн.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. –М.: Радио и связь, 1972 (С.145…154; 299…313).
2. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. –М.: Радио и связь, 1989 (С.174…177).
3. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. –М.:Связь, 1972 (С.355…372).
4. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. –М.: Советское радио, 1974 (С.391…398).
5. Ерохин Г.А., Чернышев О.В. и др. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. –М.:Радио и связь, 1996 (С.128…133).
6. Ликонцев Д.Н. Антенно-фидерные устройства: Конспект лекций. –Т.: ТУИТ, 2002.
Методическое руководство к виртуальной лабораторной работе “ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕРЖНЕВЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АНТЕНН” по дисциплинам “Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства” и “Антенны и устройства СВЧ” рассмотрено на заседании кафедры АФУ (протокол №
от 2005 года) и рекомендованно к печати.
Отв. редактор доц. Ликонцев Д.Н
Составители: ст. преп. Губенко В.А
доц. Ликонцев Д.Н
Редакционно-корректурная комиссия:
редактор доц. Абдуазизов А.А
корректор асс. Васильева Т.В
Работа рекомендована ММС ТУИТ
(протокол №27 от 19 мая 2005 г.)
Бумага офсетная. Заказ № 192
Тираж. 100
Отпечатано в типографии ТУИТ
Ташкент 700084, ул. А. Темура - 108