Исследование диэлектрических и рупорных антенн. Под ред. Н.А.Бея (2009)

Московский государственный технический университетимени Н. Э. БауманаМетодические указанияИССЛЕДОВАНИЕДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И РУПОРНЫХАНТЕННИздательство МГТУ им. Н. Э. БауманаМосковский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаИССЛЕДОВАНИЕДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И РУПОРНЫХАНТЕННМетодические указания к лабораторной работе по курсам«Устройства СВЧ и антенны», «Радиотехническиеустройства и системы»Под редакцией Н.А. БеяМоскваИздательство МГТУ им. Н.Э.

Баумана2009УДК 621.396.67ББК 32.845Б41Рецензент С.И. МасленниковаБ41Исследование диэлектрических и рупорных антенн: метод.указания к лабораторной работе / Под ред. Н.А. Бея – М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. – 16 с.: ил.Рассмотрены рупорная и диэлектрическая стержневая антенны иих основные характеристики. Описан метод измерения коэффициентаусиления антенны с использованием плоского проводящего экрана,приведена схема лабораторной установки.Для студентов 3-го курса, обучающихся по специальности «Радиоэлектронные системы».УДК 621.396.67ББК 32.845Учебное изданиеВечтомов Виталий АркадьевичДрукаренко Сергей ПетровичКомягин Роман ВячеславовичХандамиров Виктор ЛевановичИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И РУПОРНЫХ АНТЕННРедактор С.Ю.

ШевченкоКорректор М.А. ВасилевскаяКомпьютерная верстка В.И. ТовстоногПодписано в печать 30.09.2009. Формат 60×84/16.Усл. печ. л. 0,93. Тираж 300 экз. Изд. № 35(б).ЗаказИздательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.c МГТУ им. Н.Э.

Баумана, 2009Цель работы — исследование слабонаправленных антенн: пирамидальной рупорной и диэлектрической стержневой; ознакомление с конструкциями антенн, расчет и экспериментальное определение их основных характеристик.Порядок выполнения работы1. Изучить теоретическую часть.2. Ознакомиться с лабораторной установкой.3. Выполнить необходимые расчеты в соответствии с заданием.4. Выполнить экспериментальные исследования диэлектрической стержневой и рупорных антенн.5. Составить отчет по выполненной работе.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬРупорная антеннаРупорные антенны используют в радиотехнических системахсверхвысокочастотных (СВЧ) и крайневысокочастотных (КВЧ)диапазонов. Их применяют в качестве антенн малой и среднейнаправленности и эталонов коэффициента усиления, а такжекак элементы более сложных антенн: рупорно-параболических,рупорно-линзовых, излучателей антенных решеток и др.Практически используются конические, биконические, пирамидальные (рис.

1) и секториальные рупоры (Е -секториальныйпри А = а и B > b и Н -секториальный при А > а и В = b).В работе исследуют пирамидальный рупор. Его диаграмма направленности при известном распределении поля в раскрыве рупора E(x, y) в соответствии с приближенным апертурным методомопределяется выражением:3Рис. 1AFˉ (θ, ϕ) = NZ2BZ2ˉ y)eik(x cos ϕ+y sin ϕ) sin θ dxdy,E(x,(1)ABx=− 2 y=− 2где F (θ, ϕ) — нормированная векторная диаграмма направленности; N — нормирующий множитель; x и у — координаты точкираскрыва; k = 2π/λ0 (λ0 — длина волны в свободном пространстве).В случае приближенного расчета диаграммы направленностипредполагают, что амплитудное распределение поля Е (х , у) в раскрыве совпадает с распределением поля в поперечном сечении4прямоугольного волновода с размерами a = А и b = В , а фазовоераспределение поля ψ(x, y) в раскрыве определяется волной сосферическим фронтом, распространяющейся в рупоре.При возбуждении рупора волной типа H10 прямоугольноговолновода нормированное амплитудное распределение Е (х , у) ифункция ψ(x, y) определяются выражениями:πxy2x2; ψ(x, y) = −πE(x, y) = cos+, (2)λH RHλE REAˉ или E;ˉ λH , λEгде RH , RE — длина рупора в плоскости векторов H— длина волны в Н - и Е -секториальных рупорах соответствующихразмеров.Если выполняются условия RЕ В и RН А, то поле в раскрыве рупора близко к синфазному и диаграммы направленностирупорной антенны в главных плоскостях симметрии: Е -плоскости(плоскость yOz) и H-плоскости (плоскость xOz) определяютсявыражениями:1 + cos θ sin uyFE (θ) =;2uy 2(3)π 1 + cos θ cos ux,FH (θ) = 222π− u2x2πAπBsin θ; uy =sin θ.λ0λ0Ширину главного лепестка диаграммы направленности по половинной мощности 2θ0,5 , по нулям 2θ0 коэффициент направленного действия D0 и эффективную площадь раскрыва рупора Sэфрассчитывают по следующим формулам:где ux =λ0λ0; 2θH;0,5 ≈ 1,2BAλ0λ0; 2θH;2θE(4)0 ≈20 ≈3BASэфD0 = 4π 2 ; Sэф = Sp ν.λ0Здесь значение 2θ0,5 выражается в радианах; Sp = AB — площадь раскрыва; ν ≈ ν1 ν2 — коэффициент использования площади2θE0,5 ≈ 0,885раскрыва рупора, учитывающий несинфазность ν1 и неравномерность распределения амплитуд ν2 поля в раскрыве.Наличие в фазовом распределении поля в раскрыве рупора квадратичной составляющей (фазовой ошибки) приводит к расширению главного лепестка, увеличению уровня боковых лепестков иуменьшению значений D0 и Sэф .

При фиксированных размерахRЕ и RН существуют такие значения размеров раскрыва рупораА и В , при которых значение D0 максимально:D0, опт = 0,64 ∙ 4πSр.λ20(5)Такой рупор называют оптимальным. Его размеры связаны соотношениямиpp(6)A = 3λH RH ; B = 2λE RE .При таких размерах квадратичная фазовая составляющая в раскрыве рупора у его стенок в соответствии с формулами (2) и (6):πA3Bψ(x = ± ) = − π; ψ(y = ± ) = − .2422Если стенки рупора сделаны из хорошо проводящего материала, то коэффициент полезного действия η близок к единице икоэффициент усиления G0 = D0 .Для улучшения характеристик рупорной антенны в раскрыве рупора устанавливают корректирующую линзу (ускоряющуюили замедляющую), которая обеспечивает синфазность поля.

КНДрупорно-линзовой антенны приближается к ν = ν2 = 0,78; коэффициент усиления при этом рассчитывают по формулеG0 = 0,78η ∙ 4πSp,λ20(7)где параметр η < 1 учитывает потери на затухание в материалелинзы и отражение волн от ее поверхностей.Диэлектрическая стержневая антеннаДиэлектрическая стержневая антенна относится к классу антенн бегущей волны.6Рис. 2В работе исследуют коническую диэлектрическую стержневуюантенну длиной L с круглой формой поперечного сечения, возбуждаемую открытым концом круглого волновода (рис. 2).Диэлектрический стержень 1 в волноводе 2 для обеспечениясогласования антенны оканчивается конусом, а согласование круглого волновода с прямоугольным волноводом тракта обеспечивается плавным переходом.Поверхностная волна, возбуждаемая в стержне, имеет распределение поляˉ ϕ, z) = E(r,ˉ ϕ)e−γz ,E(r,(8)где E(r, ϕ) — распределение поля в поперечном сечении стержняи вблизи его поверхности в окружающей среде; γ = α + iβ —коэффициент распространения волны ( α — коэффициент затуханияволны; β = 2π/λc — фазовая постоянная волны; λc — длина волныв диэлектрическом волноводе).Функция E(r, ϕ), а также величины α и β зависят от типавозбуждаемой волны, относительного радиуса стержня c/λ0 и относительной диэлектрической проницаемости материала стержняεr = εa /ε0 , где εa и ε0 — абсолютные проницаемости материаластержня и окружающей среды.В зависимости от типа волны в круглом волноводе (Нmn илиЕmn ) в диэлектрическом волноводе могут быть возбуждены волны: симметричные электрические типов Е0n или магнитные типов7H0n , а также несимметричные гибридные типов HEmn или EHmn .Для обеспечения режима осевого излучения диэлектрической антенны ее возбуждают обычно волной типа Н10 прямоугольноговолновода или Н11 круглого волновода.

В этом случае в диэлектрическом стержне возбуждается низшая несимметричная волна. Ее коэффициент замедления p изменяется в пределахтипа HE 11√1 < p < εr при изменении относительного радиуса стержня0 < c/λ0 < ∞.Приближенный расчет диаграммы направленности диэлектрической стержневой антенны выполняют по формуламsin uzsin uz; FH (θ) = NH,uzuz— нормирующие множители;FE (θ) = NE cos θгде NЕ , NHuz =pcpπL(pcp − cos θ);λ0ZL1=p(z)dz.L(9)(10)x=0При выводе формул (9) предполагают, что:• отсутствует излучение непосредственно из возбуждающеговолновода;• отсутствует отражение волны от конца стержня;• амплитудное распределение поля вдоль оси Oz равномерное.Коэффициент направленного действия антенны бегущей волныприближенно определяют по формулеD0 = kDL,λ0(11)πL(pcp − 1); kD = f (uz0 ).λ0Для антенны длиной L КНД имеет максимальное значениеD0 max = 8L/λ0 , если выполняется условие оптимальности:где uz0 =πLπ(pcp − 1) = .(12)2λ0Антенну бегущей волны с параметрами L, λ0 и p, удовлетворяющими условию (12), называют оптимальной.8Коэффициент полезного действия антенны η, учитывающийпотери в материале диэлектрического стержня, рассчитывают поформулеη = e−2αL ,(13)где α = 27,29εr tg δk α /λ0 , α — коэффициент затухания, неп/м; k α— фактор затухания, определяемый с учетом типа волны, материаластержня и его диаметра; δ — угол диэлектрических потерь.Коэффициент усиления антенны и ее эффективная площадь безучета потерь на рассогласование антенны с трактом определяютсявыражениями1G0 = ηD0 ; Sэф =G0 λ20 .(14)4πМетод измерения коэффициента усиления антенныРассмотрим две антенны: излучающую и приемную с коэффициентами усиления Gизл и Gпр соответственно, размещенные нарасстоянии R (рис.

3, а). Антенна 1, излучая мощность, создает вместе расположения приемной антенны 2 электромагнитное полес плотностью потока мощностиPизл Gизл.(15)Ппр =4 πR2Антенна 2 с эффективной площадью Sпр принимает сигналмощностьюPпр = Ппр Sпр .Так как Sпр = Gпр λ20 /4π, то мощность этого сигнала равна Gизл Gпр λ0 2Рпр = Ризл.(16)(4 π)2RЕсли антенны 1 и 2 идентичны, т. е. Gизл = Gпр , то из формулы(16) следует, чтоsPпрR.(17)Gизл = 4πλ0 PизлДля определения коэффициента усиления антенны достаточнонайти отношение мощностей Рпр и Ризл .

Можно обойтись и безвторой антенны, поставив на расстоянии R1 = R/2 от антенны 1плоский проводящий экран 3 (рис. 3, б). Такой метод называется9Рис. 3методом зеркального изображения. Антенна 1 излучает подводимый к ней сигнал мощностью Ризл и принимает отраженный экраном сигнал мощностью Рпр , такой же, как если бы генератор былподключен к ее зеркальному изображению относительно экрана(антенна 2). Отношение этих мощностей Pпр /Ризл = |Γвх |2 , гдеΓвх — коэффициент отражения волны на входе антенны при наличии экрана на расстоянии R1 = R/2 от фазового центра (ФЦ)исследуемой антенны (см. рис. 1).Таким образом, для определения коэффициента усиления антенны Gизл достаточно с помощью измерительной линии замеритьв тракте коэффициент стоячей волны (КСВН), связанный с коэффициентом отражения соотношением |Γвх | = (КСВН − 1)/(КСВН ++ 1).