УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

Кафедра АФУ

 

 

 

Методическое руководство к лабораторной работе №4

«ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ»

по дисциплинам «Распространение радиоволн и

антенно-фидерные устройства» и

«Антенны и устройства СВЧ»

направлениям образования «Телевидение, радиосвязь и

 радиовещание» и «Радиотехника»

 

 

 

Ташкент 2004

 

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучение влияния расположения облучателя на диаграмму направленности параболической антенны.

 

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 


Параболическая антенна состоит из облучателя и зеркала, которое, преобразуя сферическую волну облучателя в плоскую, формирует остронаправленное излучение. На рис.2.1 приведен эскиз параболического зеркала с указанием лучей, идущих из фокуса зеркала F, где находится точечный источник сферических волн. Отрезок OF называется фокусным расстоянием и обозначается ƒо. Часть плоскости (при Z = Z0), ограниченная кромкой параболоида, называется раскрывом зеркала. Линия CD представляет собой сечение плоскости раскрыва параболоида.

Рис.2.1. Эскиз параболической антенны

 

Ломаная линия FAB обозначает путь произвольного луча электромагнитной волны облучателя. Из аналитической геометрии известно, что длина этого пути не зависит от положения точки на поверхности параболоида. Поэтому все, отраженные от зеркала, лучи в плоскости раскрыва и плоскостях, параллельных ей, оказываются в фазе. Таким образом, параболическая антенна преобразует сферическую волну точечного источника в плоскую. Реальные облучатели не являются точечными. Однако, если фазовый центр облучателя совпадает с фокусом параболоида, можно считать, что облучатель является точечным источником, расположенным в фокусе параболы.

Если фазовый центр облучателя смещен относительно фокуса в направлении перпендикуляра к оси зеркала (рис.2.2.а), то лучи, отраженные в соответствующих точках зеркала, достигают поверхности раскрыва не одновременно. Так, луч 2 достигает поверхность раскрыва позже чем луч 1, а луч 3 позже, чем луч 2, то есть поверхности раскрыва зеркала перестает быть синфазной. На рис.2.2.б показаны соответствующие законы распределения фаз в раскрыве параболы при разных значениях величин смещения ΔX облучателя. При небольшой величине смещения ΔX облучателя и достаточно длиннофокусном зеркале, фазовое распределение на поверхности раскрыва близко к линейному. Поэтому, в этом случае, вынос облучателя из фокуса в направлении перпендикуляра  к оси зеркала, приводит к повороту диаграммы направленности в сторону противоположную смещению облучателя, как показано на рис.2.1.в. Угол поворота диаграммы направленности υ2 при малых смещениях облучателя примерно равен углу смещения облучателя υ1 .


Рис.2.2. К формированию диаграммы направленности антенны

 

Увеличение смещения ΔX приводит к появлению фазовых искажений (преимущественно кубических) в раскрыве антенны. Чтобы величина фазовых искажений не превышала допустимой (450), должно выполняться условие

Δх £ 0,6 λ/sinΨ0,                            (2.1)

где λ – длина волны,

      Ψ0 – угол раскрыва зеркала.

Смещение облучателя из фокуса в направлении перпендикуляра к оси параболы широко используется в практике для управления диаграммой направленности параболической антенны. При этом обычно облучатель перемещается не перпендикулярно оси Z, а по дуге, радиус которой равен фокусному расстоянию.

При смещении облучателя вдоль фокальной оси (вдоль оси Z) также возникают нелинейные (преимущественно квадратичные) фазовые искажения поля в раскрыве антенны, которые приводят к расширению диаграммы направленности параболической антенны и исчезновению нулей на ней.

Диаграммы направленности реальных облучателей таковы, что не вся, излученная облучателем, энергия попадает на зеркало. Часть энергии облучателя проходит мимо зеркала, что увеличивает уровни боковых лепестков диаграммы направленности зеркальной антенны.

Коэффициент направленного действия (КНД) параболической антенны можно рассчитать по формуле (2.2).

 

,                                      (2.2)

где S – площадь поверхности раскрыва;

       νрез = νη1 – результирующий КИП (коэффициент использования поверхности раскрыва) зеркальной антенны;

       ν – КИП раскрыва зеркала (апертурный КИП), определяемый только амплитудным распределением в раскрыве (если раскрыв возбуждается синфазно);

η1 = РΣ/ РОБЛ- отношение мощности, излученной зеркалом, к мощности излученной облучателем (потери в зеркале здесь не учитываются).

Коэффициент усиления (КУ) G можно определить по формуле

 

                                            G = η2*D,                                                       (2.3)

где η2 = РΣ / РОБЛ;

Р ОБЛ – мощность подведенная к облучателю.

Коэффициент η2, который можно назвать КПД зеркальной антенны, учитывает тепловые потери энергии в облучателе, в элементах крепления облучателя, в краске, покрывающей внутреннюю поверхность зеркала и т.д.

Если при заданной форме зеркала (R0/ƒ0 = const) расширять диаграмму направленности облучателя, то облучение зеркала становиться более равномерным (апертурный КИП растет), что ведет к росту ν рез и КНД. Однако вместе с тем увеличивается доля энергии, проходящей мимо зеркала (уменьшается η1), что уменьшает νрез и КНД.

При сужении диаграммы направленности облучателя возрастает неравномерность амплитудного распределения (уменьшается ν), при этом уменьшается νрез и КНД, но одновременно уменьшается переливание энергии через края зеркала (растет η1), что вызывает увеличение νрез и КНД.

Два, противоположно действующих на КНД антенны, фактора при постоянной величине R0/ƒ0 или угла раскрыва зеркала (2Ψ0) и при изменяемой ширине диаграммы направленности облучателя, определяют условия оптимального облучения зеркала, при котором КНД становится максимальным.

Для большинства, применяющихся на практике, облучателей оптимальное условие облучения зеркала выполняется, если диаграмма направленности облучателя обеспечивает уменьшение напряженности поля на краях зеркала (ЕКР) относительно напряженности поля у его вершины (Е0) на  10 дБ, т.е. 20lg(ЕКР /Е0) = -10 дБ или ЕКР /Е0 = 0,316.

Диаграмма направленности параболической антенны определяется диаграммой направленности облучателя и формой зеркала (R0 /f0)

3.ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 

Структурная схема установки для исследования влияния расположения облучателя на диаграмму направленности параболической антенны представлена на рис.3.1.

 


Рис.3.1. Структурная схема лабораторной установки  (1 – генератор,                   2 – коаксиальный кабель, 3 – передающая антенна, 4 – исследуемая параболическая антенна, 5 – детекторная секция с индикатором)

 

Приемная часть установки смонтирована на подвижной стойке, что позволяет снимать диаграмму направленности параболической антенны в горизонтальной плоскости (в плоскости Е)

 

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

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

4.2. Перемещая облучатель вдоль фокальной оси и перпендикулярно ей, настроить антенну по максимальному показанию индикаторного прибора. При этом фокус параболического зеркала совпадает с фазовым центром облучателя.

4.3. Снять диаграмму направленности антенны при положении облучателя в фокусе, записывая углы поворота φ антенны и показания индикаторного прибора α.

4.4. Снять диаграммы направленности антенны при смещения  облучателя вдоль фокальной оси (оси Z) (несколько фиксированных положений по заданию преподавателя), записывая углы поворота φ антенны и показания индикаторного прибора α.

4.5. Снять диаграммы направленности антенны при смещении облучателя из фокуса в направлении перпендикуляра к фокальной оси (несколько положений по заданию преподавателя), записывая углы поворота φ антенны и показания индикаторного прибора α.

4.6. Результаты измерений занести в таблицу типа табл.4.1.

 

 

 

Таблица 4.1

Результаты экспериментальных исследований

φ0

-15

-14

…

-1

0

1

…

14

15

Примечание

α, мкА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

облучатель в фокусе

F(φ) = α /αmax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α, мкА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

облучатель смещен ^ фок. оси на … мм

F(φ) = α /αmax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α, мкА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

облучатель смещен вдоль фок. оси на…мм

F(φ) = α /αmax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.7. Построить нормированные диаграммы направленности F(φ) в прямоугольной системе координат.

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Отчет должен содержать:

5.1.Структурную схему установки.

5.2.Таблицы с результатом измерений.

5.3.Экспериментальные нормированные диаграммы направленности антенны в прямоугольной системе координат.

5.4.Выводы по результатам экспериментального исследования.

 

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

6.1.Каков принцип действия параболической антенны?

6.2.Каким образом определение амплитуды поля в раскрыве зеркала влияет на диаграмму направленности антенны?

6.3.Каким образом фазовые искажения поля в раскрыве зеркала влияют на диаграмму направленности антенны?

6.4.Что называется коэффициентом использования поверхности раскрыва?

6.5.Что называется эффективной (действующей) площадью раскрыва?

6.6.Что называется коэффициентом направленного действия и коэффициентом усиления антенны?

6.7.Как изменяется диаграмма направленности антенны при смещении облучателя из фокуса?

6.8.Какие требования предъявляются к облучателям зеркал? Какие антенны используются в качестве облучателей параболических антенн?

6.9.Что называется теневым эффектом в параболической антенне?

6.10.Что называется «реакцией зеркала на облучатель»?

6.11.Какой угол называется оптимальным углом раскрыва зеркала?

6.12.От чего зависит диаграмма направленности параболической антенны?

6.13.Какие типы зеркальных антенн Вы знаете?

6.14.Объясните принцип работы рупорно-параболической антенны.

6.15.Объясните принцип работы двухзеркальных антенн.

6.16.В каких системах связи применяются параболические антенны?

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Кочержевский Г.Н. и др. Антенно-фидерные устройства. – М.: Радио и связь, 1989 (с. 106…117; 190…218; 250…266).

2. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. – М.: Связь, 1972 (с.157…175; 274…298; 339…347).

3. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. – М.: Советское радио, 1974 (с. 248…265; 333…390).

4. Айзенберг Г.З. Ямпольский В.Г. Терешин О.Н. Антенны УКВ. Часть 1. – М.: Связь, 1977 (с. 138…155; 311…356).

5. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. – М.: Связь, 1977               (с. 263…291; 302…303).

6. Ерохин Г.А., Чернышев О.В. и др. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. – М.: Радио и связь 1996 (с.75…82; 140…155).

7. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. – М.: Высшая школа, 1988 (с. 371…394).

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

 

Методическое руководство к лабораторной работе №4 по дисциплине «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства» и «Антенны и устройства СВЧ» рассмотрено на заседании кафедры АФУ (протокол №16 от 19.04.2003г.) и рекомендовано к печати.

Отв. редактор доц. Ликонцев Д.Н.

Составитель: доц. Ликонцев Д.Н.

редакционно-корректурная комиссия:

редактор доц. Романенко Б.А.

корректор ст. преп. Павлова С.И.