УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

Кафедра АФУ

 

 

 

Методическое руководство к лабораторной работе №1

«ИССЛЕДОВАНИЕ СИНФАЗНОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ АНТЕННЫ»

по дисциплинам «Распространение радиоволн и

антенно-фидерные устройства» и «Антенны и устройства СВЧ»

для студентов очного и заочного обучения и направлений

образования «Телевидение, радиосвязь и

 радиовещание» и «Радиотехника»

 

 

Ташкент 2004

 

 

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

В результате выполнения лабораторной работы студент должен:

з н а т ь     конструкцию синфазной горизонтальной диапазонной антенны, назначение и функции ее конструктивных элементов, особенности характеристики направленности антенны, зависимости характеристики направленности антенны от частоты и конструктивных параметров;

у м е т ь    снимать диаграммы направленности макета антенны в лабораторных условиях, определять значения коэффициента бегущей волны в фидере.

 

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Синфазная горизонтальная диапазонная антенна (СГД) предназначена, в основном, для магистральной радиосвязи в диапазоне коротких волн на расстояниях до (1000…6000) км и более.

Антенна обеспечивает высоконаправленное излучение электромагнитных волн. Различные варианты антенны имеют значения коэффициента направленного действия от 20 до 400.

Антенна способна работать без перестройки почти в двукратном диапазоне длин волн от  до , где  - расчетная длина волны.

Однонаправленное излучение антенны обеспечивается рефлектором. Обычно используются рефлекторы двух типов: настраиваемый рефлектор и апериодический рефлектор. В настоящей лабораторной работе исследуется СГД антенна с настраиваемым рефлектором. Поэтому при переходе с одной рабочей длины волны на другую требуется произвести настройку рефлектора.

Антенна состоит из двух вертикальных параллельных одинаковых полотен, расположенных на расстоянии  друг от друга. Каждое полотно представляет собой синфазную эквидистантную равноамплитудную решетку поперечного излучения из симметричных вибраторов с длиной плеча , которые располагаются горизонтально над поверхностью земли (рис.2.1). Каждый горизонтальный ряд вибраторов называется этажом. Различные варианты антенны отличаются числом этажей (m), числом симметричных вибраторов (n) в этаже и типом рефлектора. Маркировка    СГД() РН обозначает – синфазная горизонтальная диапазонная антенна с настраиваемым рефлектором (РН) с числом этажей  и с числом плеч вибраторов в этаже . Расстояния между центрами соседних вибраторов в этаже равны , а расстояния между этажами -.

Вибраторы первого полотна называют полотном антенны. К нему подключается фидер от передатчика.

Рис.2.1. Эскиз полотна антенны СГД() РН с системой питания

 

Вибраторы второго полотна антенны выполняют функцию рефлектора, т.е. обеспечивают однонаправленность излучения всей антенны. Поэтому   второе полотно антенны называют полотном рефлектора. Вибраторы полотна рефлектора возбуждаются электромагнитным полем  вибраторов полотна антенны и являются вторичными излучателями. К фидеру полотна рефлектора подключается регулируемая реактивная нагрузка, выполненная в виде отрезка двухпроводной линии с передвижным короткозамыкателем. Изменяя величину реактивной нагрузки, производят настройку рефлектора.

Диапазонная антенна должна удовлетворять двум основным требованиям:

-                направление максимального излучения должно оставаться неизменным во всем рабочем диапазоне длин волн;

-                для обеспечения заданной степени согласования антенны с фидером входное сопротивление антенны не должно сильно изменяться в рабочем диапазоне длин волн.

Для выполнения первого требования наиболее важно обеспечить синфазность возбуждения вибраторов одного полотна в рабочем диапазоне длин волн. Одинаковая длина распределительных фидеров от точек (а-а) подключения фидера передатчика до каждого вибратора обеспечивает синфазность и одинаковую амплитуду токов в точках питания вибраторов на любой длине волны.

Диапазонность антенны по входному сопротивлению достигается следующими способами:

Применяются вибраторы с пониженным волновым сопротивлением Ом (большого диаметра). Как видно из рис.2.2, входное сопротивление таких вибраторов меньше меняется с изменением длины волны, чем у вибраторов с большим волновым сопротивлением (тонких вибраторов). Вибраторы выполняются из проводов, натянутых по образующим цилиндра (вибраторы Надененко).

Рис.2.2. Зависимость активной и реактивной составляющих входного сопротивления симметричного вибратора от его относительной длины плеча  для различных значений волнового сопротивления

 

В распределительные фидеры включаются вставки длиной  с волновым сопротивлением, отличающимся от волнового сопротивления фидера. Эти вставки являются четвертьволновыми трансформаторами сопротивлений. Подбором волновых сопротивлений распределительных фидеров и вставок уменьшают изменение входного сопротивления антенны и добиваются удовлетворительного согласования с фидером передатчика в рабочем диапазоне длин волн. На рис.2.1 указаны значения волновых сопротивлений  фидеров и вставок для одного из вариантов антенны.

Поскольку магистральная радиосвязь осуществляется ионосферной волной, максимум излучения антенны в вертикальной плоскости должен быть направлен под некоторым углом  к поверхности земли.

Направление излучения антенны в пространстве определяется значениями азимутального угла  и угла возвышения .

Выражения для характеристики направленности антенны в главных плоскостях (горизонтальной  и вертикальной ) получают на основании теоремы перемножения характеристик направленности (§ 7.2.а [1] или § 7.1[2]).

Выражение для ненормированной характеристики направленности антенны в горизонтальной плоскости (), в основном, определяется тремя множителями

,                                    (2.1)

где                                                                    (2.2)

- характеристика направленности одного симметричного вибратора в горизонтальной плоскости (плоскости Е),  - длина плеча вибратора, а - волновое число;

                                      (2.3)

- множитель линейной синфазной антенной решетки поперечного излучения, т.е. это характеристика направленности системы из  ненаправленных излучателей, расположенных также, как вибраторы в одном этаже полотна антенны, где  – число вибраторов в этаже,  - расстояние между соседними вибраторами в этаже;

                          (2.4)

- множитель, учитывающий влияние рефлектора, то есть это характеристика направленности системы из двух ненаправленных излучателей, расположенных и запитываемых также, как полотна антенны и рефлектора,  - модуль отношения тока в вибраторе полотна рефлектора  к току в вибраторе полотна антенны  , а  - сдвиг фаз между токами  и .

Из анализа выражений для характеристики направленности антенны в горизонтальной плоскости следует:

- ширина главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости уменьшается с увеличением числа вибраторов в этаже, так как при этом увеличивается относительный размер антенной решетки () в этой плоскости;

- с увеличением длины волны главный лепесток диаграммы направленности расширяется, так как уменьшаются относительный размер антенны в горизонтальной плоскости и относительная длина плеча вибратора ().

Выражение для ненормированной характеристики направленности антенны в вертикальной плоскости (), в основном, определяется тремя множителями:

,                                 (2.5)

где                                                                     (2.6)

- множитель линейной синфазной антенной решетки поперечного излучения, т.е. это характеристика направленности системы из  ненаправленных излучателей, расположенных также, как этажи полотна антенны, где  - число этажей,  - расстояние между этажами;

                           (2.7)

- множитель, учитывающий влияние рефлектора.

В реальных условиях антенна располагается вблизи поверхности земли, которая поглощает и отражает электромагнитные волны, излучаемые антенной. Строгий учет влияния земли для полей в дальней зоне производится методом зеркальных изображений.

Приближенный учет влияния земли (земля считается идеально проводящей) производится через множитель

ƒ3(Δ) = sin(kHCPsinΔ),                                      (2.8)

Такое приближение в некоторой степени соответствует действительности, т.к. на антенных полях делается металлизация почвы – искусственное заземление.

Из анализа характеристики направленности антенны в вертикальной плоскости следует:

- ширина главного лепестка диаграммы направленности в вертикальной плоскости уменьшается с увеличением числа этажей антенны, так как при этом увеличивается относительный размер антенны  в этой плоскости, и с увеличением относительной высоты (2HCP/λ) между антенной и ее зеркальным изображением;

- с увеличением длины волны главный лепесток диаграммы направленности расширяется, так как при этом уменьшаются относительный размер антенны в вертикальной плоскости и относительная высота подвеса антенны (HCP/λ);

- с увеличением длины волны угол ΔMAX увеличивается, так как уменьшается относительная высота подвеса антенны.

- с увеличением высоты подвеса антенны HCP главный лепесток диаграммы направленности прижимается к поверхности земли и дальность радиосвязи за счет одного отражения от ионосферы увеличивается. С уменьшением высоты подвеса антенны наблюдается излучение под большими углами относительно поверхности земли (значение угла ΔMAX увеличивается).

 

3. ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ

 

3.1.Ознакомиться с конструкцией макета антенны, измерительной аппаратурой и методикой проведения измерений.

3.2.Настроить рефлектор антенны на минимум излучения в сторону рефлектора (на минимум со стороны рефлектора).

3.3.Снять диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости на трех частотах, заданных преподавателем.

3.4.Построить нормированные диаграммы направленности антенны в прямоугольной системе координат.

3.5.Определить значения коэффициента бегущей волны в фидере антенны в заданном диапазоне частот (по указанию преподавателя).

3.6.Построить график зависимости значений коэффициента бегущей волны в фидере антенны от частоты.

3.7.Провести анализ полученных результатов.

 

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 

4.1. Макет антенны

 

Макет антенны представляет собой дециметровую модель антенны СГДРН (см. рис.2.1) и создан на основе принципа электродинамического подобия. Фидер полотна антенны, выполненный в виде двухпроводной линии (симметричная линия), подключается к измерительным приборам с помощью коаксиального кабеля (несимметричной линии) через симметрирующее устройство. Реактивной нагрузкой для настройки рефлектора служит отрезок двухпроводной линии с передвижным короткозамыкателем.

 

4.2. Лабораторная установка для снятия

диаграмм направленности антенны

 

Установка предназначена для снятия диаграмм направленности методом вращающейся антенны. Структурная схема установки показана на рис.4.1.

 

Рис.4.1. Структурная схема лабораторной установки для снятия диаграммы направленности антенны (1 – генератор, 2 – коаксиальный фидер, 3 – передающая антенна, 4 – приемная антенна СГД, 5 – резонансный волномер со стрелочным индикатором)

 

Исследуемая антенна располагается на вращающейся подставке, позволяющей отсчитывать и фиксировать угол поворота антенны в горизонтальной плоскости. Фидер антенны подключается к резонансному волномеру   Ч2-8. Стрелочный индикатор волномера служит для отсчета величин, пропорциональных напряжению на выходе антенны. В качестве передающей антенны (облучателя) используется измерительная антенна П6-33, которая подключается к генератору Г4-76.

 

4.3. Лабораторная установка для определения значений

коэффициента бегущей волны в фидере

 

Структурная схема установки для определения значений коэффициента бегущей волны () приведена на рис. 4.2.

 

Рис.4.2. Структурная схема лабораторной установки для определения значений коэффициента бегущей волны (1 – генератор, 2 – коаксиальный фидер, 3 – измерительная линия, 4 – исследуемая антенна, 5 – индикаторный прибор)

 

Определение значений  производится с помощью измерительной линии PI-6. Измерительная линия включается между генератором Г4-76 и фидером исследуемой антенны. Индикатор измерительной линии служит для отсчета величин, пропорциональных напряженности электрического поля в фидере антенны.

 

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

5.1. Снятие диаграммы направленности

антенны в горизонтальной плоскости

 

5.1.1. Подключить исследуемую антенну ко входу волномера, а передающую антенну – к генератору.

5.1.2. Включить тумблер “сеть” генератора (тумблер “ВЧ” должен быть выключен) и прогреть генератор в течение 5…10 минут.

5.1.3. Установить значение одной из заданных частот на шкале генератора и включить тумблер “ВЧ”.

5.1.4. Установить исследуемую антенну так, чтобы перпендикуляр к полотну антенны был направлен в сторону передающей антенны и настроить волномер на эту частоту по максимуму показаний индикатора.

5.1.5. Поворачивая исследуемую антенну, точно установить ее в положение максимального приема по максимуму показаний индикатора волномера. Установить ручкой генератора “установка уровня ВЧ” такой уровень сигнала, чтобы показания индикатора волномера составили примерно  всей шкалы.

5.1.6. Повернуть исследуемую антенну рефлектором в сторону передающей антенны и произвести настройку рефлектора. Для этого необходимо добиться минимума показаний индикатора волномера, передвигая короткозамыкатель вдоль отрезка двухпроводной линии, являющейся продолжением фидера рефлектора.

5.1.7. Снять диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости, поворачивая антенну вокруг вертикальной оси в пределах углов  от  до  с шагом , записывая показания  индикаторного прибора волномера. Результаты измерений занести в таблицу типа табл.5.1

Таблица 5.1

Результаты исследования направленных свойств антенны на частоте …МГц

0

10

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

350

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1.8. Повторить п.п. 5.1.3…5.1.7 для двух других частот.

 

5.2. Определение значений коэффициента бегущей волны в фидере

 

5.2.1. Подключить выход генератора и фидер исследуемой антенны к измерительной линии.

5.2.2. Установить на шкале генератора нижнюю частоту диапазона, заданного преподавателем.

5.2.3. Настроить объемный резонатор измерительной линии в резонанс по максимуму показаний индикатора.

5.2.4. Переместить каретку измерительной линии в точку максимума напряженности электрического поля. Занести значение  в таблицу типа табл.5.2.

5.2.5. Переместить каретку измерительной линии в точку минимума напряженности электрического поля и занести показания индикатора  в таблицу типа табл.5.2.

Таблица 5.2

Результаты экспериментального исследования согласования фидера с антенной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2.6. Повторить измерения (п.п. 5.2.2…5.2.5) на других частотах диапазона. В пределах диапазона частот измерения необходимо выполнить в пяти – семи точках.

5.2.7. Рассчитать значения  и занести их в таблицу типа табл.5.2.

 

5.2.8. Построить ориентировочный график зависимости  от частоты.

 

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

6.1. Название лабораторной работы.

6.2. Структурную схему установки для снятия диаграмм направленности.

6.3. Результаты измерений и значения нормированных характеристик направленности (таблица 5.1).

6.4. Построенные в прямоугольной системе координат диаграммы направленности антенны на трех частотах.

6.5. Таблицу значений ширины главного лепестка по уровню половинной мощности для трех частот.

6.6. Сделать вывод как меняется ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости с увеличением частоты?

6.7. Структурную схему установки для определения  в фидере.

6.8. Результаты измерений и полученные значения  (таблица 5.2).

6.9. График зависимости  от частоты.

6.10. Выводы об изменении  в диапазоне частот.

При подготовке к защите лабораторной работы необходимо повторить    §§ 2.1, 2.2, 2.4, 3.3, 4.1, 7.2а,б [1] или §§ 2.1, 2.2, 3.1, 3.3, 4.1, 4.2, 7.1, 7.2 [2], проработать § 14.4 [1] или § 12.4 [2] §§ 10.9; 10.14; 12.1…12.16 [3] и ответить на контрольные вопросы.

 

 

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

7.1.Для чего предназначена и в каком диапазоне длин волн используется синфазная горизонтальная диапазонная антенна? (§ 14.4 [1] или § 12.4 [2]).

7.2.Какую конструкцию имеет антенна СГДРН и какие принципы положены в основу ее действия?

7.3.Каким способом производится настройка рефлектора?

7.4.Какая антенна называется диапазонной?

7.5.В каком диапазоне относительных длин плеча  симметричный вибратор максимально излучает в направлении перпендикуляра к его оси? (Для объяснения нарисуйте диаграммы направленности симметричного вибратора в плоскости вектора Е для следующих значений : 0,1; 0,25; 0,5; 0,625; 0,75; 1,0). (§ 2.2 [1] или § 3.2 [2]).

7.6.Как обеспечивается синфазность питания вибраторов каждого из полотен антенны? (§ 14.4 [1] или § 12.4 [2]). В каком направлении максимальна напряженность поля, излучаемого синфазной плоской антенной решеткой?      (§ 7.26 [1] или § 7.2 [2]).

7.7.Какими путями достигается диапазонность антенны по входному сопротивлению? (§ 14.4 [1] или § 12.4 [2]).

7.8.Почему вибратор с низким волновым сопротивлением будет более диапазонным, чем вибратор с высоким волновым сопротивлением? (Для объяснения нарисуйте зависимости  и  симметричного вибратора от его относительной длины плеча  для двух различных значений волнового сопротивления ). (§ 2.4 [1] или § 3.4 [2]).

7.9.Из каких множителей состоит выражение для характеристики направленности антенны в горизонтальной плоскости?

7.10.Как и почему изменяется ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости:

- с увеличением частоты?

- с увеличением числа вибраторов в этаже?

7.11.Из каких множителей состоит выражение для характеристики направленности антенны в вертикальной плоскости? Характеристиками направленности каких излучателей и каких систем излучателей являются эти множители? От каких параметров зависят указанные множители?

7.12.Каким образом влияет и в чем проявляется влияние поверхности земли на диаграмму направленности антенны в вертикальной плоскости? Как изменяется угол подъема главного лепестка диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости:

- с увеличением высоты подвеса антенны?

- с уменьшением частоты?

7.13.Как и почему изменяется ширина главного лепестка диаграммы направленности в вертикальной плоскости:

- с увеличением частоты?

- с увеличением числа этажей?

- с увеличением высоты подвеса антенны?

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М.:Связь, 1972.

2. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М.:Радио и связь, 1981.

3. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П. и др. Коротковолновые антенны.              –М.:Радио и связь, 1985.

4. Ерохин Г.А., Чернышев О.В. и др. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. –М.:Радио и связь, 1996.

5. Ликонцев Д.Н. Антенно-фидерные устройства. Конспект лекций. –Т.: ТУИТ, 2002.

 

 

Методическое руководство к лабораторной работе №1 по дисциплинам «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства» и «Антенны и устройства СВЧ» рассмотрено на заседании кафедры АФУ (протокол №16 от 19.04.2004г.) и рекомендовано к печати.

Отв. редактор доц. Ликонцев Д.Н.

Составители: доц. Ликонцев Д.Н.

Редакционно-корректурная комиссия:

редактор доц. Романенко Б.А.

корректор ст. преп. Павлова С.И.