УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

Кафедра АФУ

 

 

 

Методическое руководство к лабораторной работе №5

«ИССЛЕДОВАНИЕ РУПОРНЫХ АНТЕНН»

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

 

1.Ознакомление с принципом действия рупорных антенн и металлопластинчатой линзы.

2. Выяснения влияний размеров и формы рупора на его диаграмму направленности в плоскостях Е и Н.

3. Изучение влияния металлопластинчатой линзы, вставленной в рупор, на его диаграмму направленности.

4. Анализ экспериментальных диаграмм направленности.

 

2.     КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Простейшей антенной СВЧ диапазона является открытый конец волновода. Электромагнитная волна, распространяющаяся в волноводе, частично отражается от его открытого конца и частично излучается. При этом на месте перехода от волновода к свободному пространству возникают волны высших типов и токи на наружных поверхностях стенок волновода.


Антенна в виде открытого конца волновода является слабонаправленной. Действительно для получения острой диаграммы направленности, т.е. большого значения коэффициента направленного действия (КНД), необходимо, чтобы размеры излучающей поверхности были много больше длины волны λ. В тоже время размеры волновода не могут выходить за определенные пределы, так как в противном случае в волноводе возникают волны высших типов. Для прямоугольного волновода (рис.2.1) с волной Н10 размеры поперечного сечения выбираются в пределах  λ/2<а<λ,  b<λ/2.

Рис.2.1. Прямоугольный волновод

 

Другой особенностью волноводных излучателей является их относительно плохое согласование со свободным пространством.

Таким образом, открытый конец волновода является неэффективной антенной вследствие малого значения КНД и значительного отражения электромагнитных волн от открытого конца волновода.

Для получения более острых диаграмм направленности размеры поперечного сечения волновода плавно увеличивают, превращая волновод в рупор. При этом структура поля в волноводе, в основном, сохраняется. В месте перехода волновода в рупор возникают высшие типы волн. Если угол раскрыва рупора не очень велик, то волны всех типов, кроме основного, быстро затухают в окрестностях горловины рупора. Пренебрегая волнами высших типов, можно считать структуру поля в рупоре подобной структуре поля основной волны в волноводе. Плавное увеличение поперечного сечения волновода улучшает также его согласование со свободным пространством.

Если расширение прямоугольного волновода происходит только в одной плоскости, то рупор называется секториальным.

Рупор, образованный увеличением размера а волновода, параллельного вектору Н, называется секториальным Н- плоскостным рупором (рис.2.2.а).

Рупор, образованный увеличением размера b волновода, параллельного вектору Е, называется секториальным Е- плоскостным рупором (рис.2.2.б).


Рупор, образованный одновременным увеличением размеров а и b поперечного сечения волновода, называется пирамидальным рупором (рис.2.2.в), а увеличением поперечного сечения круглого волновода – коническим рупором (рис.2.2.г).

Рис.2.2 Типы рупорных антенн

 

Кроме размеров раскрыва, рупор характеризуется длиной L и углом раскрыва φ0 (рис.2.4). Точка О называется вершиной рупора.

Структура поля в пирамидальном рупоре приведена на рис.2.3.

Вследствие того, что боковые стенки рупора не параллельны друг другу, векторы электромагнитного поля при переходе из волновода в рупор несколько изменяют свое направление, чтобы обеспечить выполнение граничных условий на стенках рупора (рис.2.3).


Рис.2.3. Структура поля в секторальной Е – плоскостной рупорной антенне (сплошной линией изображены электрические силовые линии, пунктирной – магнитные)

 


Поэтому поверхностью равных фаз поля в рупоре является не плоскость, как в волноводе, а цилиндрическая поверхность в случае секториальных рупоров и сферическая поверхность в случае пирамидального и конического рупоров (рис.2.4). Вследствие этого поле в раскрыве рупора будет несинфазным.

Рис.2.4. Продольное сечение рупора

 

В произвольной точке М с координатой Х фаза поля отстает от фазы в центре раскрыва на величину

                ,                                            (2.1)

а максимальное фазовое отклонение (фазовая ошибка) будет на краях раскрыва рупора:

,                                               (2.2)

для Н -секториального рупора и

,                                                (2.3)

 для Е -секториального рупора.

Таким образом, в раскрыве рупора возникают квадратичные фазовые искажения, которые приводят к расширению диаграммы направленности и «заплыванию» нулевых излучений.

Если максимальные фазовые искажения в рупоре не превышают значений:

ΔΨmax = 3π/4 – в плоскости Н,                                 (2.4)

ΔΨmax = π/2 – в плоскости Е,                                    (2.5)

то при расчете диаграмм направленности фазовые искажения обычно не учитывают. Амплитудное распределение поля в раскрыве остается приблизительно таким же, что и для основной волны в волноводе. Например, для пирамидального рупора с волной Н10 амплитудное распределение в Е-плоскости равномерное, а в Н-плоскости спадает к краям по косинусоидальному закону. В этом случае расчет диаграмм направленности пирамидального рупора проводится по приближенным формулам:

 ,              (2.6)

- в плоскости Н,

,                 (2.7)

- в плоскости Е,

 

где φЕ и φН – углы между осью Z и направлением на точку наблюдения соответственно в плоскостях Е и Н;

k – волновое число.

Ширина диаграммы направленности по половинной мощности в плоскостях Е и Н может быть рассчитана по следующим приближенным формулам:

 

                                       2φЕ0,5= 510 λ/bр , 2φН0,5= 670 λ/ар ,                        (2.8,2.9)

 

Диаграммы направленности рупора в плоскостях Е и Н независимы. Сужение или расширение рупора, например, в плоскости Е приводит к изменению диаграммы направленности только в этой плоскости.

КНД рупорной антенны определяется выражением

,                                                 (2.10)

где S – площадь поверхности раскрыва рупора,

       ν – коэффициент использования поверхности раскрыва, зависящий от амплитудного и фазового распределения поля в раскрыве.

Допустимая величина максимального сдвига фаз определяется условием получения максимального КНД при заданной относительной длине L/λ рупора. Вначале, с увеличением относительных размеров раскрыва рупора (аp/λ или bp/λ) при его неизменной длине диаграмма направленности сначала становится уже и КНД растет, так как увеличиваются размеры излучающей поверхности S, которая практически остается синфазной (сдвиг фаз Ψmax – мал). При дальнейшем увеличении размеров раскрыва заметно растут фазовые искажения (значение коэффициента использования поверхности ν уменьшается) вследствие чего диаграмма направленности начинает расширяться и КНД уменьшается.

При заданной длине L/λ имеется оптимальная величина аp/λ или bp/λ при которой получается максимальный КНД. Можно также сказать что размеру аp/λ или bp/λ соответствует оптимальная величина длины рупора L/λ.


Рупор, размеры которого (аp/λ или bp/λ) подобраны так, чтобы при заданной длине L/λ получить максимальный КНД, называется оптимальным.

Рис.2.5 Зависимость КНД от размеров раскрыва

 

Коэффициент использования поверхности раскрыва ν оптимальных Е и Н секториальных рупоров ν = 0,64; для оптимального пирамидального рупора ν = 0,5.

Рупорные антенны являются широкополосными антеннами. Это объясняется следующим. Если длина волны увеличивается, то направленность рупора снижается за счет уменьшения размеров рупора по сравнению с длиной волны, но это в значительной мере компенсируется тем, что уменьшаются фазовые искажения в раскрыве рупора. При уменьшении длины волны увеличиваются фазовые искажения в раскрыве рупора, влияние которых на диаграмму направленности компенсируется увеличением поверхности раскрыва рупора по сравнению с длиной волны. Практически диапазон использования рупорных антенн определяется диапазонными свойствами волноводов.

Коэффициент полезного действия рупорных антенн близок к единице. Поэтому значения КНД и коэффициента усиления рупорных антенн практически совпадают.

Недостатком рупорной антенны является наличие фазовых искажений в ее раскрыве. Для уменьшения этих искажений приходится увеличивать длину рупора. Указанный недостаток рупорной антенны можно устранить применением фазовыравнивающих устройств. В качестве таких устройств чаще всего применяют различные линзы, устанавливаемые в раскрыве рупора. Линза преобразует волну с цилиндрическим или сферическим фронтом в волну с плоским фронтом, то есть поле в раскрыве рупора становится синфазным.


Обычные диэлектрические линзы не нашли широкого применения в радиотехнике главным образом из-за их дороговизны и большой массы. В технике связи на сверхвысоких частотах значительное распространение получили линзы, выполненные из параллельных металлических пластин (рис.2.6), образующих среду с коэффициентом преломления меньше единицы (ускоряющие линзы).

 

Рис.2.6. Металлопластинчатая ускоряющая линза

 

Вектор напряженности электрического поля Е должен быть параллелен пластинам. Тогда пространство между двумя соседними пластинами может рассматриваться как волновод, в котором возбуждается волна типа Н10 с фазовой скоростью . Таким образом, система параллельных пластин представляет собой среду с эффективным коэффициентом преломления, меньшим единицы

   n = c/v =.                            (2.11)

Расстояние между пластинами а должно удовлетворять неравенству λ/2< а < λ для того, чтобы между пластинами распространялась волна только одного типа Н10. Следовательно, коэффициент преломления ускоряющей линзы находится в пределах 0 < n < 0,86. На практике значения n выбирают в пределах 0,5…0,7.

Освещенная поверхность линзы (профиль линзы) имеет форму эллипсоида

 

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 


Структурная схема установки для исследования диаграммы направленности рупорных антенн показана на рис.3.1.

Рис.3.1. Структурная схема лабораторной установки (1 – генератор СВЧ, 2 – коаксиальный кабель, 3 – передающая антенна, 4 – приемная рупорная антенна, 5 – прямоугольный волновод, 6 – детекторная секция,       7 – индикаторный прибор)

 

4.     ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ

 

4.1.Снять диаграммы направленности открытого конца волновода и различных рупорных антенн в плоскостях Е и Н.

4.2.Построить нормированные диаграммы исследуемых антенн в прямоугольной системе координат.

4.3.Сделать анализ направленных свойств исследуемых антенн.

 

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

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

5.2.Убедитесь в том, что передающая и исследуемая антенны имеют одинаковые поляризации (вектор Е всегда перпендикулярен широкой стенке волновода).

5.3.Снять диаграммы направленности открытого конца волновода в Е – и Н плоскостях, поворачивая антенну с шагом в 50, записывая показания индикаторного прибора α и соответствующие им значения угла поворота φ антенны. Результаты измерений занести в таблицу типа табл.5.1.

5.4.Снять диаграммы направленности в Е – и Н – плоскостях нескольких рупорных антенн (по указанию преподавателя) аналогично п. 5.3.

5.5.Снять диаграммы направленности в Е – и Н – плоскостях рупорной антенны с ускоряющей линзой аналогично п.5.3 (для студентов с углубленной подготовкой).

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

5.7.По построенным диаграммам направленности определить ширину главного лепестка по половинной мощности и уровень боковых лепестков.

 

Таблица 5.1

Результаты экспериментального исследования направленных свойств ……в плоскости ……

φ0

-40

-35

…

-5

0

5

…

35

40

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(φ) = α /αmax

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. УКАЗАНИЯ К СОСТАВЛЕНИЮ ОТЧЕТА

 

Отчет должен содержать:

6.1.Структурную схему лабораторной установки.

6.2.Экспериментальные диаграммы направленности в прямоугольной системе координат.

6.3.Найденные по экспериментальным диаграммам направленности значения ширины диаграмм направленности и уровней боковых лепестков.

6.4.Анализ полученных экспериментальных данных.

 

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

 

7.1.Назовите типы рупорных антенн и нарисуйте их.

7.2.Как зависят диаграммы направленности возбужденной поверхности от размеров раскрыва?

7.3.Как зависят диаграммы направленности возбужденной поверхности от амплитудного распределения поля?

7.4.Как зависят диаграммы направленности возбужденной поверхности от фазового распределения поля? Виды фазовых распределений (фазовых ошибок).

7.5.По какому закону изменяется фаза поля в раскрыве рупора и от каких параметров рупора она зависит?

7.6.Какие рупорные антенны называются оптимальными?

7.7.Сравните диаграммы направленности двух рупоров с одинаковым раскрывом, но с различной длиной L.

7.8.Почему допустимые фазовые искажения для секториальных Е–и Н–плоскостных рупоров имеют разные значения?

7.9.Каковы диапазонные свойства рупорных антенн?

7.10.Укажите область применения рупорных антенн.

7.11.Достоинства и недостатки рупорных антенн.

7.12.Поясните принцип действия металлопластинчатой линзовой антенны.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.Кочержевский Г.Н. и др. Антенно-фидерные устройства. – М.: Связь, 1989 (с. 106…117, 182…190).

2.Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. – М.: Связь, 1972  (с. 157…175, 255…272).

3.Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. – М.: Связь, 1977 (т.1. с. 139…155, 240…274).

4.Драбкин А.Л., Зузенко В.Л. Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. – М.: Советское радио, 1974 (с. 39…45, 248…304).

5.Ерохин Г.А., Чернышев О.В. и др. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. – М.: Радио и связь, 1996 (с.75…82, 134…140).

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

 

Методическое руководство к лабораторной работе №5 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.