Исследование диэлектрических и рупорных антенн. Под ред. Н.А.Бея (2009) (1095426)
Текст из файла
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).
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
