УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ
ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Кафедра АФУ
Методическое руководство к лабораторной работе №3
«ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКОЙ 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 направленных свойств и входного сопротивления логопериодической антенны.
2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
В основу конструкции
логопериодической антенны положен принцип электродинамического подобия.
Согласно этому принципу электрические характеристики антенны остаются
неизменными при изменении рабочей длины волны в 
раз, если при этом также в раз изменяются
геометрические размеры антенны.
 |
Логопериодическая антенна (ЛПА) представляет следующую конструкцию (рис.2.1).
Рис.2.1. Схема плоской логопериодической антенны коротковолнового диапазона
К двухпроводной линии присоединены симметричные вибраторы, длина которых и расстояние между которыми растут по мере удаления от начала антенны, так что все вибраторы являются подобными. Коэффициент подобия, называемый безразмерным периодом структуры, τ равен
, (2.1)
где 
- длина плеча i
–го вибратора,
- расстояние от вершины до i –го вибратора.
Точками входа антенны являются зажимы первого, самого малого вибратора. К этим зажимам подключается фидер. Остальные вибраторы запитываются с помощью распределительной длинной линии, провода которой перекрещиваются в промежутках между вибраторами. Линии соединяющие концы вибратора, образуют угол полотна антенны α.
Рассмотрим принцип действия логопериодической вибраторной антенны.
Электромагнитная волна, распространяющаяся в распределительной линии от малых вибраторов к большим, возбуждает вибраторы различно.
Вибраторы, длина которых оказываются много меньше
половины длины волны (
), возбуждаются слабо и, следовательно,
практически не излучают, поскольку их входные сопротивления характеризуются
малой активной составляющей и чрезвычайно большой отрицательной реактивной
составляющей. Затухание электромагнитной волны в распределительной линии в
области малых вибраторов почти отсутствует.
Вибраторы, длины которых оказываются приблизительно
равными половине длины волны (
) интенсивно возбуждаются, поскольку их
входное сопротивление характеризуется небольшой активной составляющей (
) и очень малой
реактивной составляющей. В этих вибраторах возбуждаются большие токи и они
излучают электромагнитные волны.
Вибраторы, длина которых оказываются много больше
половины длины волны (
), возбуждаются сравнительно слабо
из-за значительной реактивной составляющей входного сопротивления.
Благодаря резкому уменьшению токов в вибраторах по мере их удаления от резонансного, излученное поле, в основном, определяется резонансным и ближайшими к нему вибраторами, которые образуют активную область антенны.
При увеличении длины волны активная область смещается в сторону более длинных вибраторов, а при уменьшении длины волны – в сторону более коротких вибраторов.
Таким образом, на определенной частоте интенсивно излучают только три – шесть вибраторов, длины которых приблизительно равны половине длины волны. Диаграмма направленности антенны определяется, в основном, амплитудно-фазовым распределением токов в вибраторах активной зоны. Оно оказывается подобным амплитудно-фазовому распределению токов в вибраторах директорной антенны. Поэтому диаграмма направленности логопериодической антенны подобна диаграмме направленности директорной антенны. Очевидно, что вибраторы, расположенные дальше резонансного (более длинные), работают в режиме рефлекторов, а расположенные ближе к точкам питания – в режиме директоров. Напомним, что фазы токов в вибраторах должны отставать в направлении излучения. Напряженность поля излучения максимальна в направлении оси антенны в сторону малых вибраторов.
Поскольку вибраторы, находящиеся к точкам питания ближе чем резонансный, короче него, то их входные сопротивления имеют емкостной характер и токи, наводимые в этих вибраторах резонансным вибратором, отстают по фазе от тока в последнем. Однако, вследствие того, что более короткий вибратор находится ближе к точкам питания, чем резонансный, но возбуждается раньше резонансного вибратора, что компенсирует отставание фазы тока в нем. Для получения отставания фаз токов в направлении излучения делается перекрещивание по питанию (фазы токов в соседних вибраторах сдвигаются на 1800 из-за их подключения к различным проводам распределительного фидера).
Входное сопротивление антенны определяется собственными и наведенными сопротивлениями вибраторов, входящих в активную зону, и волновым сопротивлением распределительной линии. В зависимости от конструктивного выполнения антенны оно колеблется от 60 до 140 Ом.
При использовании логарифмической шкалы резонансные частоты повторяются через одинаковые интервалы, равные lnτ, что и определило название антенны.
На частотах, лежащих в промежутке между резонансными частотами, электрические характеристики антенны будут отличаться от соответствующих характеристик на резонансных частотах.
Согласно принципу электродинамического подобия, амплитудно-фазовое распределение токов в вибраторах активной зоны, независимо от ее места нахождения, будет одинаковым. Это означает, что на всех резонансных частотах диаграмма направленности и входное сопротивление логопериодической антенны будут одинаковыми.
Увеличение τ (в некоторых пределах) при неизменном α сужает диаграмму направленности, так как увеличивается число вибраторов, входящих в активную область, это объясняется тем, что чем больше τ, тем меньше отличаются по длине соседние вибраторы друг от друга и, следовательно, и токи вибраторов по мере их удаления от резонансного затухают слабее. Однако при больших значениях τ направленные свойства начинают ухудшаться, так как при этом ширина активной области уменьшается.
Уменьшение угла α (при неизменном τ) до некоторого определенного значения, зависящего от τ, сужает диаграмму направленности, так как при этом увеличивается расстояние между соседними вибраторами, т.е. активная область расширяется.
Предельные значения 
и 
.
Диаграмма направленности плоской ЛПА в плоскости Е уже, чем в плоскости Н. Для сужения диаграммы направленности в плоскости Н делают пространственные логопериодические антенны.
Таким образом, логопериодическая вибраторная антенна является линейно-поляризованной антенной, сохраняющей почти неизменными свои электрические параметры в широкой полосе частот, границы которой определяются размерами крайних вибраторов.
Логопериодическая антенна УКВ диапазона (рис. 2.2), состоит из линейных вибраторов, присоединенных к двухпроводной линии. Возбуждение осуществляется с помощью коаксиального кабеля, проложенного внутри одного из проводов двухпроводной линии, изготовленной из трубок. Подобный переход от коаксиальной к двухпроводной линии не требует симметрирующего устройства. Длины вибраторов также удовлетворяют условию ln/ln+1 = τ. Принцип действия тот же, что и антенны КВ диапазона.
Рис.2.2. Логопериодическая антенна УКВ диапазона
3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Структурная схема установки для исследования диаграммы направленности ЛПА показана на рис.3.1.
 |
Рис.3.1. Структурная схема установки для снятия диаграммы
направленности (1 – генератор, 2 – коаксиальный кабель, 3 – передающая антенна, 4 – приемная антенна (ЛПА), 5 – резонансный волномер с индикаторным прибором)
 |
Структурная схема установки для определения входного сопротивления ЛПА показана на рис.3.2.
Рис.3.2. Структурная схема для определения входного сопротивления антенны (1 – генератор, 2 – коаксиальный кабель, 3 – измерительная линия, 4 – исследуемая антенна (ЛПА), 5 – индикаторный прибор)
4. ПРОГРАММА РАБОТЫ
4.1.По геометрическим размерам исследуемой антенны определить резонансные (рабочие) частоты.
4.2.Снять диаграмму направленности логопериодической антенны в плоскости Е на нескольких частотах (по указанию преподавателя).
4.3.Определить входное сопротивление логопериодической антенны на нескольких рабочих частотах (по указанию преподавателя).
5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
5.1.Снятие диаграммы направленности.
5.1.1.Собрать установку в соответствии со структурной схемой рис.3.1.
5.1.2.Включить генератор и дать ему прогреться в течение 10…15 минут.
5.1.3.Установить одну из рабочих частот и настроить резонансный волномер в резонанс (по максимальному отклонению стрелки индикаторного прибора волномера).
5.1.4.В положении максимального приема антенны, регулируя уровень выходной мощности генератора, установить удобный для отсчета уровень показаний индикатора резонансного волномера.
5.1.5.Снять диаграмму направленности антенны, поворачивая ее в
пределах от 
до
,
записывая показания индикатора α резонансного волномера через каждые 
угла φ
поворота антенны.
5.1.6.Результаты измерений занести в таблицу аналогичную таблице 5.1.
5.1.7.Установить другую частоту и провести операции п.п.5.1.3…5.1.6.
Таблица 5.1
Результаты экспериментального исследования направленных свойств логопериодической антенны на частоте …МГц
|
φ0 |
0 |
10 |
20 |
… |
350 |
|
α |
|
|
|
|
|
|
F(φ) = α /αmax |
|
|
|
|
|
5.1.2. Построить нормированные диаграммы направленности F(φ) в прямоугольной системе координат.
5.2. Определение входного сопротивления.
5.2.1. Собрать установку в соответствии со структурной схемой рис.3.2.
5.2.2. Включить генератор (см. пункт 5.1.2).
5.2.3. Настроить головку измерительной линии в резонанс по максимальному отклонению стрелки индикаторного прибора.
5.2.4. Перемещая головку измерительной линии, определить значение коэффициента бегущей волны в измерительной линии, используя выражение
, (5.1)
где 
- минимальное
показание индикатора измерительной линии,
- максимальное
показание индикатора измерительной линии.
5.2.5. Определить положение минимума напряжения в измерительной линии z1.
5.2.6. Поставить короткозамыкающую нагрузку на выходе измерительной линии и определить новое положение узла амплитудного распределения в измерительной линии. z2
5.2.7. Определить величину
относительного смещения 
узла амплитудного распределения
. (5.2)
5.2.8. Зная величины
коэффициента бегущей волны КБВ, относительного смещения узла
амплитудного распределения в измерительной линии Δz/λ и волнового сопротивления линии 
, определить входное
сопротивление логопериодической антенны с помощью круговой диаграммы полных
сопротивлений (рис.5.1.)
Рис.5.1. Круговая диаграмма полных сопротивлений
6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
6.1. Структурные схемы измерительных установок;
6.2. Экспериментальные нормированные диаграммы направленности;
6.3. Значение входного сопротивления;
6.4. Выводы о направленных и диапазонных свойствах логопериодической антенны, которые следуют из анализа полученных результатов.
7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
7.1.Какой принцип положен в основу конструкции логопериодической
антенны?
7.2.Объясните принцип действия ЛПА.
7.3.Что называется “активной зоной” ЛПА?
7.4.Чем определяются направленные свойства ЛПА?
7.5.Чем определяется входное сопротивление ЛПА?
7.6.Чем ограничивается рабочий диапазон ЛПА?
7.7.Почему антенна называется логопериодической?
7.8.В каких системах связи применяются логопериодические антенны?
7.9.Почему ширина диаграммы направленности плоской ЛПА в плоскости Н шире, чем в плоскости Е?
7.10.В чем отличие характеристик направленности плоской и пространственной ЛПА?
ЛИТЕРАТУРА
1.Кочержевский Г.Н. и др. Антенно-фидерные устройства. -М.: Радио и связь, 1989 (с.36…45, 67…69, 167…169, 295…297).
2.Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. – М.: Связь, 1972 (с. 38…44, 115…122, 201…209).
3.Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны. – М.: Связь, 1985 (с. 344…384).
4.Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. – М.: Советское радио, 1974 (с. 171…175).
5.Ликонцев Д.Н. Антенно-фидерные устройства. Конспект лекций. – Т.: ТУИТ, 2002.
Методическое руководство к лабораторной работе №3 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.