УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра АФУ

Методическое руководство к лабораторной работе №6

«ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕРЖНЕВЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ 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

В результате выполнения лабораторной работы студенты должны:

з н а т ь устройство и принцип действия диэлектрических стержневых антенн;

у м е т ь произвести расчет и экспериментальное исследование характеристик направленности диэлектрических антенн.

2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1. Диэлектрическая антенна как линия передачи поверхностной волны

Принцип действия диэлектрической антенны основан на явлении полного внутреннего отражения электромагнитных волн от границы раздела диэлектрических сред.

Известно, что при падении плоской электромагнитной волны на безгранично протяженную поверхность раздела двух диэлектриков образуется поверхностная волна при выполнении двух условий:

- волна падает из диэлектрика с большей относительной диэлектрической проницаемостью на поверхность диэлектрика с меньшей относительной проницаемостью (обычно вторым диэлектриком выступает воздух );

- угол падения волны больше угла полного внутреннего отражения (критического угла) или равен ему.

Поверхностная волна, которая образуется в оптически менее плотном диэлектрике (воздухе) как бы “прилипает” к поверхности раздела двух диэлектриков и характеризуется следующими свойствами:

- амплитуда напряженности поля этой волны в воздухе быстро убывает по экспоненциальному закону по нормали к поверхности раздела;

- поверхностная волна направлена по оси антенны, причем фазовая скорость этой волны v меньше скорости света и больше фазовой скорости волны в безграничной среде с параметром (т.е. величины );

- имеются продольные составляющие векторов напряженности поля и .

Диэлектрический стержень антенны можно рассматривать как отрезок диэлектрического волновода. Из теории диэлектрических волноводов известно, что в них могут распространяться как симметричные, так и несимметричные волны. Волны симметричного типа, как правило, не используются в диэлектрических стержневых антеннах, так как из-за осевой симметрии они не излучают вдоль оси стержня. Несимметричные волны и (, ) в диэлектрическом волноводе не разделяются, а существуют совместно, т.е. являются вырожденными. Основной волной среди этих волн является гибридная волна .

Распределение поля волны показано на рис.2.1. В отличие от волны в круглом металлическом волноводе, касательные составляющие электрического поля волны к границе диэлектрика отличны от нуля из-за существования поля вне диэлектрического стержня. Следствием этого является наличие продольной составляющей электрического поля волны , объясняющее одновременное существование в диэлектрическом волноводе несимметричных волн класса и .

Рис.2.1. Структура поля волны в диэлектрическом стержне

Твердый диэлектрик обладает свойством более сильной концентрации поля в себе по сравнению с окружающим воздухом. Поэтому поперечный размер стержня значительно влияет на распределение энергии электромагнитного поля, распространяемого по стержню и в окружающем пространстве. Если диаметр стержня близок к длине волны большая часть энергии передается внутри него, а при уменьшении диаметра большая часть энергии направляется по внешней поверхности стержня.

Любая антенна поверхностной волны состоит из двух элементов: возбудителя электромагнитного поля (например коаксиально – волноводного перехода) и собственно антенны (направителя), представляющей собой замедляющую структуру, трансформирующую электромагнитное поле, созданное возбудителем, в поле поверхностной волны.

2.2. Свойства направленности стержневых диэлектрических антенн

Направленные свойства антенн поверхностных волн можно анализировать с двух точек зрения:

- считая, что излученное электромагнитное поле создается синфазно возбужденной поверхностью. Этой поверхностью является часть плоского фронта поверхностной волны на конце антенны. Чем больше коэффициент замедления c/v, тем меньше эффективная излучаемая поверхность. Максимум излучения направлен перпендикулярно фронту волны, т.е. вдоль оси антенны;

- так как в диэлектрическом стержне с волной линии вектора в поперечном сечении стержня имеют одно преимущественное направление

(рис.2.1), перпендикулярное оси , поэтому диэлектрический стержень можно рассматривать как непрерывную систему вибраторов (рис.2.2), возбуждаемых токами смещения (поляризации), оси которых перпендикулярны оси стержня. Фазы этих токов изменяются прямо пропорционально расстоянию от начала антенны, а их амплитуды (пренебрегая потерями) – одинаковы. В учебной литературе вторая концепция получила более широкое использование.

Рис.2.2. К пояснению принципа работы антенны (получения бегущей волны)

Таким образом, диэлектрическую антенну можно представить в виде антенны бегущей волны с непрерывным распределением источников и пониженной фазовой скоростью. Характеристика направленности такой антенны может быть рассчитана по формуле

, (2.1)

где - значение нормированного множителя характеристики направленности одного элемента антенны (, ),

- длина диэлектрического стержня,

c/v- коэффициент замедления волны, определяемый из графика (рис.2.3),

- длина волны в свободном пространстве,

- угол, отсчитываемый от оси стержня

Форма диаграммы направленности определяется выбором размеров стержня: его диаметром d, длиной стержня и материалом стержня. От размеров поперечного сечения стержня зависит величина замедления волны.

При тонком стержне замедление c/v близко к единице и почти вся энергия поверхностной волны переносится вне стержня и, следовательно, теряются направляющие свойства направителя. С увеличением диаметра стержня увеличивается замедление и эффективность возбуждения поверхностной волны.

Рис.2.3. Зависимости v/c от относительного диаметра и материала диэлектрического стержня

Однако при толстом стержне из-за значительного замедления волны растут нежелательные отражения от конца стержня, которые искажают структуру поля в нем, искажают диаграмму направленности. Поэтому диаметры цилиндрических стержней не достигают значения длины волны и выбираются по условию

. (2.2)

На практике для уменьшения отражения от конца стержня (уменьшения уровня боковых лепестков) стержни выполняются конической формы с диаметрами:

, (2.3)

. (2.4)

Диэлектрическая стержневая антенна, как любая антенна бегущих волн, имеет оптимальное значение длины, при котором достигается максимальное значение ее коэффициента направленного действия. Как известно, оптимальная длина таких антенн зависит от коэффициента замедления и вычисляется по формуле

. (2.5)

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления диэлектрической стержневой антенны приближенно можно определить по формуле

. (2.6)

Необходимо учесть, что при выборе длины стержня в два раза больше оптимальной может возникнуть провал в диаграмме направленности вдоль оси антенны.

3. ЗАДАНИЕ К РАБОТЕ

3.1. Ознакомиться с устройством и принципом действия диэлектрической антенны.

3.2. Исследовать влияние размеров и формы диэлектрической антенны на форму ее диаграммы направленности.

3.3. Экспериментально определить значения коэффициента направленного действия различных стержневых антенн по сравнению с эталонной.

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Установка позволяет измерить характеристику направленности диэлектрических стержней в плоскости H в диапазоне углов (). Структурная схема установки приведена на рис.4.1.

передающая часть приемная часть

Рис.4.1. Структурная схема лабораторной установки (1- генератор сантиметрового диапазона волн, 2- прямоугольный волновод, 3- рупорная антенна, 4- исследуемая диэлектрическая антенна, 5- аттенюатор волноводный калиброванный, 6- детекторная секция, 7- коаксиальный кабель, 8- индикаторный прибор)

Приемная часть смонтирована на вращающейся штанге, имеющей диск с нанесенной на него градусной шкалой.

В лабораторной установке применяется конструкция, в которой направителем поверхностной волны является диэлектрический стержень, а ее возбудителем – открытый конец прямоугольного волновода (рис.4.2)

Рис.4.2. Эскиз стержневой диэлектрической антенны

Наряду со стержнями цилиндрической и конической формы используются замедляющие структуры с периодически изменяющимися вдоль оси антенны замедлением (рис.4.3.а), ребристо-стержневые антенны (рис.4.3.б) и трубчатые антенны.

а) б)

Рис.4.3. Эскиз замедляющих структур с периодически

изменяющимся вдоль оси замедлением волны

5. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1. Включить генератор и после его прогрева в течение 10…15 минут установить частоту для создания одноволнового режима в прямоугольном волноводе размером 23 мм на 10 мм.

5.2. Для заданных диэлектрических стержней снять их характеристику направленности, поворачивая антенну с шагом в секторе углов , одновременно записывая показания индикаторного прибора . Данные измерений занести в таблицу типа табл.5.1. Построить нормированные диаграммы направленности F(φ).

Таблица 5.1

Результаты экспериментального исследования направленных свойств диэлектрической антенны в форме………………………на частоте…….МГц

-36

…

-2

…

5.3. Снять характеристики направленности двух диэлектрических антенн с периодически изменяющейся структурой аналогично п.5.2. Для этого необходимо собрать эти антенны из стержней и набора диэлектрических шайб, ориентируясь на рис.4.3. Результаты измерений занести в таблицу. Построить нормированные диаграммы направленности в прямоугольной системе координат.

5.4. При определении значений коэффициента направленного действия (коэффициента усиления) относительно эталонной антенны, предварительно выбирают эталонный экземпляр стержня, который, как правило, обладает широким главным лепестком диаграммы направленности (среди исследуемых). Экспериментально его можно также отличить по минимальному показанию индикаторного прибора в направлении максимального приема. Это показание необходимо записать.

Коэффициент усиления испытуемых антенн относительно эталонной диэлектрической антенны производится методом сравнения. Для этого необходимо установить исследуемую антенну так, чтобы индикатор показывал максимальное значение. Вращая ручку калиброванного аттенюатора, добиться уменьшения показаний индикаторного прибора до показания, зафиксированного от эталонной антенны. Разность показаний значений аттенюатора и будет равна значению коэффициента направленного действия (коэффициента усиления) антенны относительно эталонной

N₁ –N₂ = 10 lg = 10 lg , дБ,

где - коэффициент направленного действия исследуемой антенны,

- коэффициент направленного действия эталонной антенны.

- коэффициент усиления исследуемой антенны,

- коэффициент усиления эталонной антенны.

6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать:

6.1. Структурную схему лабораторной установки.

6.2. Диапазон частот одноволнового режима.

6.3.Экспериментальные характеристики направленности диэлектрических антенн (в виде таблиц).

6.4. Экспериментальные диаграммы направленности диэлектрических антенн в прямоугольной системе координат.

6.5. Экспериментальные значения коэффициента направленного действия исследуемых антенн относительно эталонной антенны.

7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

7.1. Опишите принцип действия и конструкцию диэлектрической стержневой антенны.

7.2. Обоснуйте выбор типа волны, возбуждающей диэлектрический стержень.

7.3. Какими факторами ограничивается длина стержневой антенны, как определяется ее оптимальная длина?

7.4. Как зависит форма диаграммы направленности от формы и размеров диэлектрического стержня?

7.5. Как осуществляется согласование диэлектрического стержня с волноводом и окружающей средой?

7.6. Коэффициент замедления и его зависимость от размеров диэлектрического стержня.

7.7. Способы возбуждения диэлектрических стержней.

7.8. Пути сужения диаграмм направленности диэлектрических антенн.

7.9. Область использования диэлектрических антенн.

7.10. Диапазонные свойства диэлектрических антенн.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. –М.:Радио и связь, 1972 (с.145…154; 299…313).

2. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. –М.:Радио и связь, 1989 (с.174…177).

3. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. –М.:Связь, 1972 (с.355…372).

4. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. –М.:Советское радио, 1974 (с.391…398).

5. Ерохин Г.А., Чернышев О.В. и др. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. –М.:Радио и связь, 1996 (с.128…133).

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

Методическое руководство к лабораторной работе №6 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.