Кафедра афу
УЗБЕКСЬКЕ АГЕНТСТВО ЗВ'ЯЗКУ ТА ІНФОРМАТИЗАЦІЇ
ТАШКЕНТСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
Кафедра АФУ
Методичний посібник до лабораторної роботи №5
«ДОСЛІДЖЕННЯ РУПОРНИХ АНТЕНН»
з дисциплін «Розповсюдження радіохвиль
антенно-фідерні пристрої» та
«Антени та пристрої НВЧ»
напрямів освіти «Телебачення, радіозв'язок та
радіомовлення» та «Радіотехніка»
1.Ознайомлення з принципом дії рупорних антен та металопластинчастої лінзи.
2. З'ясування впливів розмірів та форми рупора на його діаграму спрямованості в площинахЕтаН.
3. Вивчення впливу металопластинчастої лінзи, вставленої в рупор, з його діаграму спрямованості.
4. Аналіз експериментальних діаграм спрямованості.
Найпростішою антеною НВЧ діапазону є відкритий кінець хвилеводу. Електромагнітна хвиля, що розповсюджується у хвилеводі, частково відбивається від його відкритого кінця і частково випромінюється. При цьому дома переходу від хвилеводу до вільного простору з'являються хвилі вищих типів і струми на зовнішніх поверхнях стін хвилеводу.
А нтенна у вигляді відкритого кінця хвилеводу є слабоспрямованою. Справді отримання гострої діаграми спрямованості, тобто. великого значення коефіцієнта спрямованої дії (КНД), необхідно, щоб розміри випромінюючої поверхні були набагато більшими за довжину хвилі λ. У водночас розміри хвилеводу що неспроможні виходити певні межі, оскільки у разі хвилеводі з'являються хвилі вищих типів. Для прямокутного хвилеводу (рис.2.1) з хвилею Н10 розміри поперечного перерізу вибираються в межах λ/2 Е та φ Н – кути між віссю Z та напрямком на точку спостереженнявідповідно в площинахЕіН;
k – хвильове число.
Ширина діаграми спрямованості половинної потужності в площинахЕіНможе бути розрахована за наступними наближеними формулами:
Діаграми спрямованості рупора у площинах Е та Н незалежні. Звуження або розширення рупора, наприклад, у площині Е призводить до зміни діаграми спрямованості тільки в цій площині.
КНД рупорної антени визначається виразом
, (2.10)
де S – площа поверхні розкриття рупору,
ν – коефіцієнт використання поверхні розкриття, що залежить від амплітудного та фазового розподілу поля у розкриві.
Допустима величина максимального зсуву фаз визначається умовою отримання максимального КНД при заданій відносній довжині L/λ рупора. Спочатку, зі збільшенням відносних розмірів розкриття рупору (аp/λабоbp/ λ) при його незмінній довжині діаграма спрямованості спочатку стає вже і КНД зростає, так як збільшуються розміри випромінюючої поверхні S, яка практично залишається синфазною (зсув фаз Мmax - малий). При подальшому збільшенні розмірів розкриття помітно зростають фазові спотворення (значення коефіцієнта використання поверхні зменшується) внаслідок чого діаграма спрямованості починає розширюватися і КНД зменшується.
При заданій довжині L/λ є оптимальна величинааp/λабоbp/ λпри якій виходить максимальний КНД. Можна також сказати що розміромаp/λабоbp/λвідповідає оптимальна величина довжини рупора L/λ.
Р упор, розміри якого (аp/λабоbp/ λ) підібрані так, щоб призаданій довжині L/λ отримати максимальний КНД, що називається оптимальним.
Рис.2.5 Залежність КНД від розмірів розкриття
Коефіцієнт використання поверхні розкриття оптимальнихЕіНсекторіальних рупорів ν = 0,64; для оптимального пірамідального рупора = 0,5.
Рупорні антени є широкосмуговими антенами. Це наступним. Якщо довжина хвилі збільшується, то спрямованість рупора знижується рахунок зменшення розмірів рупора порівняно з довжиною хвилі, але це значною мірою компенсується тим, що зменшуються фазові спотворення в розкриві рупора. При зменшенні довжини хвилі збільшуються фазові спотворення у розкриві рупора, вплив яких на діаграму спрямованості компенсується збільшенням поверхні розкриття рупора порівняно з довжиною хвилі. Практично діапазон використання рупорних антен визначається діапазонними властивостями хвилеводів.
Коефіцієнт корисної дії рупорних антен близький до одиниці. Тому значення КНД та коефіцієнта посилення рупорних антен практично збігаються.
Недоліком рупорної антени є наявність фазових спотворень у її розкриві. Зменшення цих спотворень доводиться збільшувати довжину рупора. Зазначений недолік рупорної антени можна усунути застосуванням фазових пристроїв. Як такі пристрої найчастіше застосовують різні лінзи, що встановлюються в розкриві рупора. Лінза перетворює хвилю з циліндричним або сферичним фронтом на хвилю з плоским фронтом, тобто поле в розкриві рупору стає синфазним.
О бичные діелектричні лінзи не знайшли широкого застосування в радіотехніці головним чином через їхню дорожнечу і велику масу. У техніці зв'язку на надвисоких частотах значного поширення набули лінзи,виконані з паралельних металевих пластин (рис.2.6), що утворюють середовище з коефіцієнтом заломлення менше одиниці (прискорюючі лінзи).
Рис.2.6. Металопластинчаста прискорювальна лінза
Вектор напруженості електричного поляЕмає бути паралельним пластинам. Тоді простір між двома сусідніми пластинами може розглядатися як хвилевід, в якому збуджується хвиля типу Н10 із фазовою швидкістю . Таким чином, система паралельних пластин є середовищем з ефективним коефіцієнтом заломлення, меншим одиниці
n = c/v =. (2.11)
Відстань між пластинамиаповинна задовольняти нерівності λ/2 0 записуючи показання індикаторного приладу α і відповідні їм значення кута повороту φ антени. Результати вимірів занести до таблиці типу табл.5.1.
5.4.Зняти діаграми спрямованості вЕ– іН– площинах кількох рупорних антен (за вказівкою викладача) аналогічно п. 5.3.
5.5.Зняти діаграми спрямованості вЕ– іН– площинах рупорної антени з лінзою, що прискорює, аналогічно п.5.3 (для студентів з поглибленою підготовкою).
5.6.Побудувати нормовані діаграми спрямованості F(φ) у прямокутній системі координат.
5.7.По побудованим діаграмам спрямованості визначити ширину головної пелюстки по половинній потужності та рівень бічних пелюсток.