УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

Кафедра АФУ

 

 

 

Методическое руководство к лабораторной работе №2

«ИССЛЕДОВАНИЕ ДИРЕКТОРНОЙ 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

 

Исследование диаграммы направленности и входного сопротивления директорной работы.

 

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Директорная антенна представляет собой линейную антенную решетку осевого излучения. В таких решетках фазы токов в вибраторах ΨП отстают в направлении излучения

ΨП = k*d(c/v),

где k = 2π/λ – волновое число,

      λ – длина волны,

      d – расстояние между вибраторами,

      c/v – коэффициент замедления,

      с – скорость света,

      v – фазовая скорость волн.

Если пространственный сдвиг фаз Ψ = kd равен сдвигу фазы по питанию ΨП, что наблюдается когда c/v = 1, то в направлении излучения (вдоль оси антенны) поля будут складываться синфазно ΨР = ΨП – Ψ = 00, т.е. арифметически, а в противоположном направлении – компенсироваться.


В директорной антенне v<c (c/v>1), т.е. наблюдается режим «медленной волны» при котором наблюдается векторное сложение полей в направлении излучения (рис. 2.1)

            Рис.2.1. Пример сложения полей при c/v>1

 

Антенна состоит из активного вибратора (так называют вибратор к которому подводится фидер) и ряда пассивных вибраторов (так называются вибраторы к которым питание не подводится). Пассивные вибраторы возбуждаются электромагнитным полем активного вибратора. В качестве активного вибратора, как правило, используется петлевой или шунтовой вибратор. Устройство антенны иллюстрируется на рис.2.2.

Пассивные вибраторы расположенные от активного вибратора в направлении максимального излучения (приема), называют «директорами» (название произошло от латинского слова «Direkt» – направлять).


Рис.2.2. Эскиз директорной антенны

 

Пассивный вибратор, расположенный от активного вибратора  в направлении, противоположном направлению максимального излучения (приема), называется «рефлектором» (название произошло от латинского слова «Reflekt» – отражать). Обычно применяется только один рефлектор, так как последующие за ним пассивные вибраторы возбуждаются слабо и не оказывают существенного влияния на излучение антенны.

Ток в пассивном рефлекторе должен опережать по фазе ток в активном вибраторе. Это возможно, когда его входное сопротивление будет носить индуктивных характер, т.е. полная длина вибратора (2l) должна быть больше его резонансной длины.

Ток в пассивном директоре должен отставать по фазе от тока в активном вибраторе. Это возможно, когда его входное сопротивление носит емкостной характер, т.е. полная длина вибратора (2l) должна быть меньше его резонансной длины.

Направленные свойства директорной антенны определяются числом, взаимным расположением и настройкой пассивных вибраторов. Так как входное сопротивление симметричного вибратора меняется с изменением его относительной длины плеча (l/λ) как показано на рис.2.3, настройка всех пассивных вибраторов производится изменением их длин. Длины вибраторов и расстояние между ними подбирают так, чтобы начиная от рефлектора, в каждом последующем вибраторе, ток отставал по фазе от тока в предыдущем вибраторе на величину ΨП.

При этом в направлении расположения директоров будет происходить сложение полей излучения от всех вибраторов, а в обратном направлении – компенсация. Таким образом,   директорная антенна формирует почти однонаправленную диаграмму направленности.

В директорной антенне длину рефлектора выбирают равной                (0,51…0,53)λ, а расстояние между рефлектором и активным вибратором–(0,15…0,25)λ. Длины директоров выбирают равными (0,41…0,45)λ, а расстояние между активным вибратором и ближайшим к нему директором, а также между отдельными директорами – (0,1…0,34)λ.


Рис.2.3.Зависимости активной и реактивной составляющих входного сопротивления вибратора от величины l/λ

 

Пояснение о сложении электромагнитных полей системы из двух вибраторов в плоскости Н дается в ПРИЛОЖЕНИИ.

Если бы в качестве активного вибратора использовать полуволновой вибратор, то за счет наведенных сопротивлений его входное сопротивление уменьшилось бы до 20…30 Ом, что вызвало бы проблемы согласования с коаксиальным кабелем. Поэтому, в основном, в качестве активного вибратора используется петлевой вибратор, имеющий точку нулевого потенциала «0» (рис.2.4.), и обладающий входным сопротивлением 290…300 Ом.

Поскольку коаксиальный фидер является не симметричным фидером, то для подключению к активному вибратору требуется симметрирующее устройство являющееся также трансформатором сопротивлений. Таким свойством обладает симметрируюшее устройство типа «U – колено» (рис.2.4.б) с коэффициентом трансформации 4. В результате петлевой вибратор оказывается хорошо согласованным с коаксиальным фидером, имеющим волновое сопротивление 75 Ом.

Длина «U – колена» выбирается равной λK/2, где λK =  – длина волны в коаксиальном фидере, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость заполнителя между центральной жилой и оплеткой кабеля (для полиэтилена низкого давления ).

 


Рис.2.4. Эскиз петлевого вибратора (а) с симметрирующим устройством (б)

 

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 


Установка позволяет исследовать направленные свойства директорной антенны, а также определять ее входное сопротивление. На рис.3.1 представлена структурная схема установки для исследования диаграммы направленности директорной антенны.

Рис.3.1. Структурная схема установки для исследования направленных свойств директорной антенны (1 - генератор, 2 – коаксиальный фидер,                3 – передающая антенна, 4 – приемная директорная антенна, 5 – резонансный волномер с индикаторным прибором)


На рис.3.2 представлена структурная схема установки для определения входного сопротивления антенны.

Рис.3.2 Структурная схема установки для определения входного сопротивления антенны (1 - генератор, 2 – коаксиальный фидер,  3 – измерительная линия,        4 – приемная директорная антенна, 5 – индикаторный прибор)

 

4. ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ

 

4.1.Снять диаграммы направленности одиночного симметричного вибратора.

4.2.Собрать и настроить двухэлементную директорную антенну, состоящую из активного вибратора и пассивного рефлектора.

4.3.Снять диаграмму направленности двухэлементной антенны.

4.4.Собрать и настроить трехэлементную директорную антенну, состоящую из активного вибратора, пассивного рефлектора и пассивного директора.

4.5.Снять диаграмму направленности трехэлементной директорной антенны.

4.6.Определить входное сопротивление трехэлементной директорной антенны.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

5.1.Собрать установку для снятия диаграмм направленности (см. рис. 3.1).

5.2.Включить генератор и дать ему прогреться в течение 10…15 минут.

5.3.Установить частоту генератора по заданию преподавателя.

5.4.Настроить резонансный волномер по максимальному отклонению стрелки индикаторного прибора волномера.

5.5.Поворачивая подвижную штангу с петлевым вибратором с шагом в 100, снять диаграмму направленности вибратора, записывая углы φ и показания индикаторного прибора волномера α.

5.6.Установить рефлектор и настроить его, перемещая его вдоль оси антенны до положения, где будет наблюдаться минимальный прием со стороны рефлектора (минимальное отклонение стрелки прибора волномера).

5.7.Поворачивая подвижную штангу с петлевым вибратором и рефлектором, снять их диаграмму направленности, записывая углы φ и показания индикаторного прибора волномера α.

5.8.Установить директор и настроить его, перемещая его вдоль оси антенны до положения, где будет наблюдаться максимальный прием со стороны директора (максимальное отклонение стрелки индикаторного прибора).

5.9.Поворачивая подвижную штангу с петлевым вибратором, рефлектором и директором снять их диаграмму направленности, записывая углы φ и показания индикаторного прибора волномера α.

5.10.Результаты измерений занести в таблицу типа табл. 5.1

Таблица 5.1

Результаты снятия диаграмм направленности (характеристики направленности) для случая ……

φ0

0

10

20

30

40

…

350

α

 

 

 

 

 

 

 

F(φ) = α/αmax

 

 

 

 

 

 

 

5.11.Построить диаграмму направленности F(φ) в прямоугольной системе координат.

5.12.Если преподавателем задано определение входного сопротивления антенны, необходимо выключить генератор и собрать установку, структурная схема которой приведена на рис.3.2. Включить генератор и дать ему прогреться в течение 10…15 минут.

5.13.Настроить измерительную линию на частоту генератора по максимальному отклонению стрелки индикаторного прибора.

5.14.Перемещая головку измерительной линии, определить максимальное αmax и минимальное αmin показания индикаторного прибора, а также координату минимума амплитудного распределения z1.

5.15.Определить значение коэффициента бегущей волны, используя выражение .

5.16.Установить короткозамыкатель на выходе измерительной линии и определить координату узла z2 амплитудного распределения.

5.17.Определить длину волны λ в измерительной линии, измерив предварительно расстояние между двумя узлами, равное λ/2.

5.18.Определить значение смещения узла в измерительной линии           ∆z = z2 – z1.

5.19.Зная значения коэффициента бегущей волны КБВ, относительного смещения узла амплитудного распределения в измерительной линии ∆z/λ и волнового сопротивления измерительной линии  W = 75 Ом, определить входное сопротивление антенны с помощью круговой диаграммы полных сопротивлений (рис.5.1).

Рис.5.1.Круговая диаграмма полных сопротивлений

 

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Отсчет должен содержать:

6.1.Структурные схемы экспериментальных установок.

6.2.Экспериментальные нормированные диаграммы направленности петлевого вибратора, двухэлементной директорной антенны и трехэлементной директорной антенны в виде таблиц и графиков.

6.3.Конструктивные размеры двухэлементной и трехэлементной директорных антенн, определенные в процессе настройки антенны.

6.4.Значение входного сопротивления директорной антенны.

6.5.Выводы.

 

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

7.1.Как изменяется диаграмма направленности симметричного вибратора в зависимости от его относительной длины l/λ в  плоскости Е и в плоскости Н?

7.2.Какой симметричный вибратор называется активным? Какой симметричный вибратор называется пассивным?

7.3.Как изменяется входное сопротивление симметричного вибратора в зависимости от его относительной длины l/λ?

7.4.Какой вибратор называется рефлектором?

7.5.Какой вибратор называется директором?

7.6.Как зависит фаза тока в пассивном вибраторе от его длины?

7.7.Теорема перемножения диаграмм направленности.

7.8.Построить диаграмму направленности антенной решетки, состоящих из двух полуволновых вибраторов, запитанных с разностью фаз   ψ = 0, π/2, π при расстояниях между ними d = λ/4.

7.9.Как выбирается число элементов директорной антенны?

7.10.Как выбирается расстояние между элементами директорной антенны?

7.11.Как выбираются длины элементов директорной антенны?

7.12.Как влияет пассивный вибратор на входное сопротивление активного вибратора?

7.13.Почему активный вибратор рекомендуется выполнять в виде петлевого вибратора Пистолькорса?

7.14.Почему необходимо применять симметрирующие устройства?

7.15.Какие виды симметрирующих устройств применяются в диапазоне УКВ?

7.16.Почему необходимо обеспечить согласование антенны с фидером?

7.17.Что называется коэффициентом бегущей волны?

7.18.Каким должно быть по величине входное сопротивление антенны для обеспечения согласования с фидером?

7.19.Область применения директорных антенн.

7.20.Чему равно входное сопротивление петлевого вибратора?

ЛИТЕРАТУРА

 

1.Кочержевский Г.Н. и др. Антенно-фидерные устройства – М.: Радио и связь, 1989 (с.36…45; 138…145; 164…166).

2.Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. – М.: Связь, 1972 (с.34…54; 65…82; 234…242).

3.Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ.      – М.: Связь, 1977 (Часть1 с. 96…99, Часть2 с. 212…220).

4.Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. - М.: Советское радио, 1974 (с.53…64; 93…96; 136…141).

5.Ерохин Г.А., Чернышев О.В. и др. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. – М.: Радио и связь, 1966 (с.31…39, 46…56, 119…123).

6.Ликонцев Д.Н. Антенно-фидерные устройства. Конспект лекций. Части 1 и 2. – Т.: ТУИТ, 2002.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

 


Рассмотрим антенную решетку, предоставленную на рис.П.1, состоящую их двух (n = 2) вибраторных излучателей, расположенных на расстоянии           d = λ/4.`

 

Рис. П.1. Эскиз системы двух вибраторов 1 и 2

 

Питание к элементам антенной решетки подводится таким образом, что фаза тока первого вибратора опережает фазу тока второго на ψП = π/2.

Характеристика направленности (диаграмма направленности) антенной решетки, как следует из теоремы перемножения диаграмм направленности  определяется следующим образом

F(θ) = F1(θ)*Fс(θ),

где F1(θ) – характеристика (диаграмма) направленности одного вибратора,

 Fс(θ) – множитель антенной решетки.

Характеристика направленности симметричного вибратора в плоскости Н записывается так F1(θ) = 1, а диаграмма направленности имеет вид окружности.


Множитель антенной решетки записывается в виде


и имеет вид кардиоиды (рис. П.2)


Рис. П.2. Диаграмма направленности системы из двух вибраторов (в плоскости Н)

 

Диаграмму направленности антенной решетки, приведенной на рис.П.1, можно построить и другим способом – складывая напряженности поля излучения элементов решетки в разных точках пространства.

В произвольной точке пространства между напряженностями поля излучение элементов решетки будет существовать сдвиг фаз – ψР, обусловленный системой питания – ψП, и разностью хода полей – ψ. То есть имеет место равенство , где E1 – напряженность электрического поля излучения 1-го вибратора, E2 – напряженность электрического поля излучения 2-го вибратора, ψР = ψП + ψ . В данном случае ψП = π/2.

На рис.П.3 показаны векторные диаграммы напряженностей поля излучения вибраторов 1 и 2 в четырех характерных точках пространства.


 

Рис.П.3. Пример сложения полей

 

В точке А ψ = - π/2, т.к. излучатель 1 расположен на расстоянии d = λ/4 дальше от точки А, чем излучатель 2. Полный сдвиг фаз между напряженностями Е1 и Е2 в точке А равен ψР = ψП + ψ = π/2 - π/2 = 0, т.е. напряженности электрического поля излучения элементов решетки в точке А оказывается синфазными Е1 = Е2 , Ерез = Е1 + Е2 = 2 Е2,

В точке В ψ = 0, т.к. разность хода между полями излучателей отсутствует. Поэтому ψР = ψ П + ψ  = ψ П = π/2 и Е1 = Е2 *е j(π/2) ,

Ерез = Е1 + Е2 = Е2 (1 + е j(π/2)) = .

Аналогичная картина будет наблюдаться в точке D.

В точке С  ψ = π/2, т.к. вибратор 1 расположен на расстоянии d = λ/4 ближе к точке С, чем вибратор 2. Полный сдвиг фаз между напряженностями полей излучения Е1 и Е2 в точке С равен ψР = ψП + ψ = π/2 + π/2 = π, т.е.

Е1 = Е2 *е jπ = - Е2 ,

Ерез = Е1 + Е2 = 0 .

 

В точке С происходит полная компенсация напряженностей полей излучения вибраторов антенн решетки.

Таким образом, диаграмма напряженности рассматриваемой антенной решетки имеет форму кардиоиды (рис.П.2). Из рис.П.2 следует, что вибратор 1 является рефлектором по отношению к вибратору 2. То есть, чтобы вибратор 1 являлся рефлектором, необходимо:

1) разместить вибратор 1 на расстоянии λ/4 от вибратора 2;

2) запитать вибраторы так, чтобы фаза тока вибратора 1 опережала фазу тока вибратора 2 на π/2.

Если в антенной решетке, изображенной на рис.П.1, считать нулевой фазой тока вибратора 1, тогда фаза тока вибратора 2 будет отставать от фазы тока вибратора 1 на π/2.


Все предыдущие рассуждения относительно диаграммы направленности антенной решетки, приведенной на рис.П.2, справедливы и для антенной решетки, предоставленной на рис.П.4.

Рис.П.4. Пример системы из двух вибраторов

 

В этом случае вибратор 2 оказывается директором относительно вибратора 1. То есть, чтобы, вибратор 2  являлся директором, необходимо:

1) разместить вибратор 2 на расстоянии d = λ/4 от вибратора 1;

2) запитать вибратор 2 так, чтобы фаза тока в нем отставала от фазы тока вибратора 1 на π/2.

 

 

 

 

Методическое руководство к лабораторной работе №2 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.

                        ст. преп. Кан В.С.(работа №2)

Редакционно-корректурная комиссия:

редактор доц. Романенко Б.А.

корректор ст. преп. Павлова С.И.