Министерство образования Российской Федерации
Новосибирский технический университет
Кафедра автономных систем и информационной безопасности
МЕТОДИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО
к лабораторным работам по курсу
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА
Новосибрск-2001
Содержание
1 Лабораторная работа № 1.
Исследование структуры электромагнитного поля в прямоугольном волноводе
2 Лабораторная работа № 2. Исследование элементов волноводного тракта
3 Лабораторная работа № 3. Электромагнитные поля элементарных излучателей
4 Лабораторная работа № 4. Практическое применение объемных резонаторов
5 Лабораторная работа № 5.
Измерение входных характеристик антенн различных типов
6 Лабораторная работа № 6.Измерение ДН и КУ пирамидального рупора
7 Лабораторная работа № 7. Антенны эллиптической поляризации
8 Лабораторная работа № 8. Методы антенных измерений
Лабораторная работа № 1. Исследование структуры электромагнитного поля в прямоугольном волноводе
1 Цель работы
Изучение распространения основного типа волны (Н10) в прямоугольном волноводе.
2 Введение
Полая металлическая труба, заполненная диэлектриком (в основном воздухом), прямоугольного поперечного сечения называется прямоугольным волноводом.
Прямоугольные волноводы широко применяются в трактах дециметрового, сантиметрового, миллиметрового диапазонов волн.
Рассмотрим распространение волн Н-типа в прямоугольном волноводе. По определению у данного типа волн составляющая поля Ez равна нулю.
Волна типа Hmn распространяется вдоль оси z с постоянной распространения b. Индексам m, n соответствует своя структура электромагнитного поля: m – равно числу полуволн, укладывающихся вдоль широкой стенки длиной a, n - равно числу полуволн, укладывающихся вдоль узкой стенки длиной b.
В отличие от E-волн для Н-волн следует, что если один из индексов равен нулю, то поле продолжает существовать. Волной основного типа для прямоугольного волновода является именно волна Н10. Поперечное волновое число для Н-волн определяется по формуле:
, (1.1)
где 
- постоянная распространения волны в свободном пространстве,
gmn - постоянная распространения волны типа mn в направляющей системе.
g=b-ia, где a-постоянная затухания, b - постоянная фазы (фазовая постоянная) волны.
(1.2)
Если 
, gmn - вещественное число, волна распространяется вдоль оси Z.
При 
gmn-мнимое, и поле затухает по экспоненциальному закону, следовательно, волна прекращает распространяться по волноводу.
При 
возникает граничный случай.
, (1.3)
где 
- критическая длина волны с индексами m и n в прямоугольном волноводе.
(1.4)
определяется геометрическими размерами прямоугольного волновода, если 
, волна Hmn распространяется по волноводу, причем одновременно могут распространяться несколько типов волн (H10, H11 и т. д.). Если 
поле затухает.
Постоянная распространения в волноводе определяется следующим соотношением:
,
где 
- длина волны в прямоугольном волноводе, определяемая по формуле
(1.5)
Длина волны в прямоугольном волноводе для каждого типа будет разной, поскольку различна критическая длина волны.
Длина волны в прямоугольном волноводе больше длины волны в свободном пространстве, так как фазовая скорость в прямоугольном волноводе больше, чем в свободном пространстве.
Фазовой скоростью Vф называется скорость перемещения фазового фронта волны вдоль направления распространения.
Групповой скоростью Vгр называется скорость переноса энергии (мощности) волны вдоль направления распространения.
(1.6)
Рассмотрим волну типа H10, которая получила основное применеие в технике СВЧ среди других типов волн. Критическую длину волны можно определить по формуле (1.4), подставив соответствующие значения индексов m, n (для H10 m=1, n=0).
Для 
Волна Н10 обладает наибольшей критической длиной.
Если критические длины для некоторых типов совпадают (Н11 и Е11), то такие волны называются вырожденными.
Чем больше частота (меньше длина волны, тем больше типов волн одновременно могут распространяться в прямоугольном волноводе. Поэтому различают одномодовый (распространяется один тип волны) и многомодовый (распространяются несколько типов волн) режимы работы прямоугольного волновода. При одномодовом режиме вся мощность переносится одним типом волны Н10. При многомодовом мощность распределена между всеми распространяющимися типами и часть мощности теряется, если оконечные устройства рассчитаны на определенный тип волны. Поэтому обычно используется одномодовый режим с волной типа Н10.
Структура поля Н10.
(1.7)
Затухание a в прямоугольном волноводе определяется как
, где (1.8)
- поверхностное сопротивление стенок волновода,
s - удельная проводимость стенок волновода,
-характеристическое сопротивление вакуума.
Мощность, передаваемая в прямоугольный волновод, определяется как
, где (1.9)
-характеристическое сопротивление волновода.
3 Методика измерений
Измерительная установка состоит из генератора СВЧ сигнала, измерительной линии, индикатора.
Основной целью измерения является определение длины волны Н10 в волноводе lв и фазовой скорости Vф. Измерение длины волны в линии производится в режиме стоячих волн, для этого измерительную линию закорачивают короткозамкнутой пластиной. Амплитуда поля стоячей волны изменяется вдоль оси волновода по синусоидальному закону. Расстояние между соседними узлами или пучностями поля равно lв/2. Фазовая скорость определяется по формуле(1.6), групповая скорость по формуле (1.6).
Для нескольких значений частот определить lв, Vф, Vгр и построить зависимости от частоты.
4 Порядок выполнения работы
1 Рассчитать критическую длину волны для волновода с сечением 17х 8 мм2.
2 Рассчитать и построить зависимости lв, Vф/с, Vгр/с от частоты в диапазоне, заданном преподавателем.
3 Настроить измерительную линию на частоту генератора. Передвигая зонд по всей длине измерительной линии через 5 мм, снять кривую распределения амплитуды электрического поля вдоль оси волновода в режиме стоячей волны (короткого замыкания). Определить длину волны в волноводе. Изменяя частоту генератора, измерить длину волны в волноводе для каждого заданного значения частоты.
Построить измеренные зависимости lв, Vф/с, Vгр/с от частоты и сравнить с рассчитанными.
5 Содержание отчета
Структурная схема измерения, таблицы измеренных значений, графики рассчитанных и измеренных зависимостей, выводы.
6 Контрольные вопросы
1 Свойства электромагнитного поля основного типа волны в прямоугольном волноводе
2 Постоянная затухания основного типа волны в прямоугольном волноводе, ее физический смысл
3 Критическая частота, длина волны различных типов? От чего они зависят?
4 Какой тип является основным для прямоугольного волновода?
5 Какие типы волн существуют в прямоугольном волноводе?
6 Условия распространения Е - и Н-волн в прямоугольном волноводе.
7 Область применения волноводных трактов.
8 Что такое фазовая и групповая скорости?
9 Что такое вырожденные типы волн?
10 Как зависит число распространяющихся типов волн от частоты. Одномодовый и многомодовый режимы распространения?
Лабораторная работа № 2. Исследование элементов волноводного тракта
1 Цель работы
Изучение конструкции и принципов действия различных элементов волноводного тракта, измерение отражений от элементов тракта.
2 Введение
Главными требованиями, предъявляемыми к элементам сочленения волноводного тракта, являются отсутствие отражений от места сочленения, потерь в контакте, искрения в контакте при большой передаваемой мощности и отсутствие излучения из щелей в открытое пространство. При сочленении отдельных отрезков волноводов и коаксиальных линий в плоскости контакта должно обеспечиваться малое сопротивление для продольных токов, текущих по линии. Особенно важно обеспечить хороший контакт по широким стенкам волновода, где протекает продольный ток.
Соединения отдельных волноводных секций осуществляются при помощи специальных фланцев, припаянных к концам волновода и снабженных отверстиями для болтов. Применяются контактные и дроссельные фланцы. Главные идеи, воплощенные в конструкции дроссельного фланца, состоят в замене механического контакта электрическим, свойства которого мало зависят от качества обработки соединяемых поверхностей фланца, и в осуществлении механического разъема по линии, на которой устанавливается узел поверхностных токов. Устройство дроссельного фланца (рисунок 2.1) следующее: на конце одного из сочленяемых волноводов располагается фланец, имеющий кольцевую канавку глубиной примерно в четверть длины волны в свободном пространстве. Расстояние от канавки до середины широкой стенки волновода также равно четверти длины волны. Торцевая поверхность дроссельного фланца между волноводом и кольцевой канавкой не совпадает с поверхностью фланца, находящегося за пределами канавки. С этим фланцем сопрягается второй фланец, имеющий плоскую поверхность без канавки. При дроссельном соединении волноводов между ними включена последовательно радиальная четвертьволновая линия, образованная плоскостями фланцев. Данная радиальная линия, в свою очередь, нагружена на коаксиальную четвертьволновую линию, образованную четверть волновой канавкой. Для увеличения широкополосности дроссельного соединения его конструктивные параметры выбираются таким образом, что волновое сопротивление коаксиальной линии значительно превышает волновое сопротивление радиальной.
Достоинством дроссельных фланцев является некритичность к качеству механического контакта и небольшим перекосам в сочленении; сохранение параметров соединения при многократных сборках и разборках; возможность введения изоляционных прокладок между соединяемыми элементами при необходимости их развязки по постоянному току. Наличие дроссельных канавок не приводит к снижению электрической прочности тракта. Недостатками дроссельного фланца является сложность конструкции и зависимость параметров от частоты; сравнительная узкополосность, определяемая использованием в конструкциях фланцев резонансных отрезков длинных линий; большие по сравнению с контактными фланцами размеры; трудность получения малых значений КСВН.
Рисунок 2.1 Устройство волноводного дроссельного соединения
Контактные фланцы имеют несколько разновидностей. Притертый фланец при тщательной обработке и строгой параллельности соединяемых поверхностей обеспечивает хороший электрический контакт. К достоинствам контактных фланцев относится малая зависимость отражений от частоты - малый КСВН; большая широкополосность, определяемая шириной пропускания волновода, малые размеры. Недостатками притертых фланцев являются высокие требования к точности изготовления и чистоте обработки, высокая стоимость изготовления, а также низкая надежность при многократных сборках и разборках соединения из-за снижения качества контактных поверхностей; ухудшение параметров при загрязнении и окислении контактных поверхностей. Избежать некоторых недостатков волноводных соединений с притертыми фланцами удается во фланцах с контактными прокладками. В этих фланцах надежный контакт обеспечивается при помощи пружинящих лепестков, прилегающих к внутреннему периметру поперечного сечения волновода.
При выполнении волноводных трактов часто приходится изгибать волновод под различными углами. Однако резкие изгибы могут создать значительное отражение падающей мощности. Для уменьшения отражения делают плавные повороты на участках длиной в несколько длин волны. Изгибы и плавные повороты прямоугольных волноводов, возбужденных на основной волне Н10, могут быть выполнены в плоскостях Е и Н, т. е. по широкой и узкой стенке волновода. Для изменения поляризации применяется скручивание волноводов.
Уголки для прямоугольных волноводов выполняются двух видов: с двойным поворотом и с одиночным поворотом предельного типа. Характеристики уголка с двойным поворотом могут быть определены из рассмотрения рассогласования, вносимого уголком с одиночным поворотом. В уголках с двумя поворотами оба уголка с одиночными поворотами располагаются таким образом, чтобы их отражения компенсировали друг друга на требуемой длине волны. Средняя длина L, необходимая для компенсации отражений, в уголке с двойным поворотом в Е- плоскости приблизительно равна четверти длины волны в волноводе, а для поворота в Н-плоскости длина L должна быть больше четверти длины волны в волноводе.
Рисунок 2.2. Уголковый поворот в плоскости Е
и круглый поворот в плоскости Н
Круглые повороты в волноводах могут быть рассматриваемы как части линий с волновыми сопротивлением, отличающимся от волнового сопротивления прямого волновода на величину, зависящего от радиуса и угла закругления и от механических допусков для поперечного сечения. Для лучшего согласования поворот должен иметь длину вдоль оси равную целому числу полуволн.
Скрученный прямоугольный волновод лучше всего согласуется, когда его длина равна целому числу полуволн в волноводе.
Для обеспечения возможности относительного перемещения составных частей тракта относительно друг друга используются подвижные соединения или вращающиеся переходы. Данные устройства должны иметь хорошее согласование полного сопротивления при всех углах поворота (КСВН не более 1.2) и в некоторых случаях должны обеспечить чистоту типа, поскольку возбуждение нежелательных типов волн может дать резонансы, которые могут вызвать сильные отражения в тракте.
Для характеристики качества согласования элементов тракта широко используются два понятия: коэффициент отражения и коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН).
3 Методика измерений
Структурная схема измерения состоит из генератора СВЧ сигнала, измерительной линии, индикатора. К выходу измерительной линии подключается исследуемый элемент, нагруженный на согласованную нагрузку.
Длина волны в волноводе определяется с помощью измерительной линии. Для этого необходимо замкнуть волновод измерительной линии накоротко пластиной и, перемещая каретку, измерить по шкале расстояние l между двумя соседними узлами напряженности электрического поля (узлу напряженности соответствует минимальное отклонение шкалы индикатора). Длина волны вычисляется как 
.
Для определения коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) необходимо, перемещая каретку вдоль измерительной линии, отметить по шкале индикатора наименьшее Amin и наибольшее Amax показания. КСВН определяется как
(2.1)
На точность измерения КСВН влияют следующие факторы:
§ неточность отсчета показаний индикаторного прибора – d Ки;
§ наличие отражений в переходных устройствах – d Кп;
§ неоднородность линии – d Кл;
§ наличие отражений от зонда индикаторной головки – d Кг.
Суммарная ошибка вычисляется по формуле:
(2.2)
Таким образом, исследовать элементы волноводного тракта с малыми отражениями вышеизложенным методом нежелательно, так как коэффициенты отражений от этих элементов имеют тот же порядок, что и ошибки измерения. Поэтому отражения от данных элементов волноводного тракта лучше всего исследовать методом смещения узлов. Схема, предназначенная для измерения КСВН данным методом, содержит генератор, развязывающий аттенюатор, измерительную линию, включаемую по одну сторону от исследуемого элемента волноводного тракта, однородную линию с короткозамыкающим поршнем, включаемую по другую сторону от исследуемого элемента волноводного тракта и индикатор. При помощи измерительной линии регистрируется смещение узла напряженности поля, вызванное изменением положения поршня. Если исследуемый элемент тракта не вносит искажений, то включение его равносильно включению однородной линии между измерительной линией и короткозамкнутым поршнем. В этом случае перемещение поршня на определенное расстояние вызывает такое же смещение узлов на измерительной линии. Если измеряемый элемент вносит в линию неоднородности, то перемещения поршня и узлов будут неодинаковы. На этом и основана методика измерений. Сам процесс измерений заключается в следующем: выбираются две произвольные точки– на измерительной линии А и на линии с поршнем Б (рисунок 2.3). Поршень перемещают на различные расстояния l2 от точки Б, отмечая каждый раз положение узла l1 на измерительной линии относительно точки А.
Рисунок 2.3
По полученным данным строят график зависимости (рисунок 2.4)
, (2.3)
где - волновое число линии. Измерительная линия и линия с поршнем имеют одинаковые значения k. Из графика находят величину 
и вычисляют значение модуля коэффициента отражения по формуле
(2.4)
Рисунок 2.4
Значение КСВН вычисляется по формуле:
(2.5)
4 Порядок выполнения работы
1 Измерить КСВН волноводного уголкового поворота методом смещения узлов на частотах, указанных преподавателем:
1.1) Собрать схему измерения. Выход измерительной линии замкнуть накоротко при помощи металлической пластины. Аттенюатор генератора вывести на максимальное затухание.
1.2) Настроить генератор на частоту, указанную преподавателем.
1.3) Определить положения минимумов поля вдоль измерительной линии.
1.4) К выходу измерительной линии присоединить секцию с короткозамыкающим поршнем и поворотом.
1.5) Перемещать поршень из нулевого положения до тех пор, пока узел напряженности в линии не переместится в одну из точек определенных в 1.3), например А1. Отметить положение поршня (точка Б). Точку А1 принять за начало отсчета по шкале секции с короткозамыкающим поршнем.
1.6) Перемещая поршень от точки Б вправо, отмечать смещение узла в линии относительно точки А1.
1.7) Измеренные значения свести в таблицу, построить графики, определить Dd. Рассчитать значение КСВН по формулам (2.4) и (2.5).
1.8) Повторить измерения для всех частот.
1.9) Построить графики зависимости КСВН от частоты.
2 Измерить КСВН волноводного круглого поворота методом смещения узлов на частотах, указанных преподавателем по методике, указанной в предыдущем разделе.
3 Измерить зависимость значения КСВН от угла поворота вращающегося перехода методом измерительной линии на частотах, указанных преподавателем:
3.1) Присоединить к выходу измерительной линии вращающийся переход с согласованной нагрузкой.
3.2) Настроить генератор на частоту, указанную преподавателем.
3.3) Установить вращающийся переход в положение j=0°.
3.4) Перемещая зонд измерительной линии, записать максимальные (Amax) и минимальные (Amin) показания индикатора. Следует брать значения максимумов и минимумов, находящихся в середине измерительной линии, чтобы избежать действия искажений, возникающих у концов щели.
3.5) Операцию 3.4 проделать для углов поворота j=0°±45°,± 90°.
3.6) Значение КСВН рассчитать по формуле (2.1).
3.7) Построить график зависимости КСВН от угла поворота.
5 Содержание отчета
Структурные схемы измерения, эскизы исследуемых элементов, таблицы измеренных значений, графики зависимости КСВН от частоты для всех измерений, выводы.
6 Контрольные вопросы
1 Требования, предъявляемые к волноводным соединениям.
2 Преимущества и недостатки контактных фланцев.
3 Преимущества и недостатки дроссельных фланцев.
4 Назначение и конструкция волноводных изгибов.
5 Устройство и принцип действия волноводного вращающегося соединения.
6 Метод измерения коэффициента стоячей волны при помощи длинной линии.
7 Связь между КСВН и коэффициентом отражения.
8 Метод смещения узлов
9 Как определяется погрешность измерения КСВН с помощью измерительной линии?
10 Как влияет нарушение согласования на работу СВЧ тракта?
Лабораторная работа № 3. Электромагнитные поля элементарных излучателей
1 Цель работы
Исследование полей элементарного электрического и магнитного излучателей
2 Введение
Под элементарным электрическим излучателем (вибратором) понимают прямолинейный проводник с переменным током достаточно малых размеров по сравнению с длиной волны (l <<l) и равномерным по длине излучателя распределением амплитуды тока. Реализовать такой излучатель в чистом виде принципиально невозможно, так как распределение тока при любых размерах излучателя отличается от равномерного. Уменьшение его длины проблему не решает, так как на концах его ток проводимости всегда равен нулю, а в точках подключения внешнего источника возбуждения ток не равен нулю. Физическая реализация элементарного электрического вибратора была выполнена Г. Герцем в виде симметричного вибратора из тонких проводов, на концах которого установлены металлические шары, имеющие большую емкость. В результате сосредоточения электрических зарядов на концах вибратора амплитуда тока слабо меняется вдоль провода. Такой излучатель был назван диполем Герца. Расчет поля такого вибратора проводится в сферической системе координат (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 Электрический излучатель в сферической системе координат
При расчете полей вводятся следующие ограничения:
Ø излучатель находится в безграничном пространстве в идеальной среде без потерь;
Ø длина излучателя l <<l. Такое условие позволяет пренебречь запаздыванием по длине излучателя– амплитуда и фаза тока постоянны. Хотя ток является переменным, на концах диполя скапливаются заряды;
Ø расстояния r, на которых определяется напряженность поля, много больше размеров излучателя;
Ø переменный ток в излучателе изменяется по гармоническому закону.
Для элементарного электрического излучателя характерно наличие в пространстве трех составляющих электромагнитного поля: 
–азимутальной, радиальной и меридиональной соответственно.
Интенсивность составляющих электрического и магнитного поля зависит от угла q. Элементарный электрический излучатель создает в пространстве сферическую волну.
Критерием для ближней и дальней зоны элементарного излучателя является величина kr. Если kr<<1 и r<<l, то это ближняя зона, если kr>>1 и r>>l, то дальняя зона.
Напряженность поля в ближней зоне очень быстро уменьшается по мере удаления от излучателя пропорционально 
, а электрические и магнитные поля отличаются на множитель j, если в какой-то момент магнитное поле минимально, то электрическое поле максимально, то есть электрические и магнитные поля сдвинуты по фазе на 90° относительно друг друга.
Направление движения энергии в электромагнитном поле всегда перпендикулярно ориентации векторов Е и Н и определяется правилом векторного произведения
(3.1)
- вектор Пойнтинга, показывает направление переноса энергии и характеризует плотность потока энергии, проходящей через единичную площадку в единицу времени в направлении, перпендикулярном поверхности. Вычисление потока вектора Пойнтинга через замкнутую поверхность за время, равное одному периоду, определяет величину средней излучаемой мощности:
(3.2)
Определим вектор Пойнтинга для ближней зоны излучения. Вектор Пойнтинга имеет две составляющие
, 
Мгновенные значения данных составляющих можно выразить как:
(3.3)
Из формулы (3.3) видно, что обе составляющие изменяются по закону 
, т. е. принимают как положительные, так и отрицательные мгновенные значения. Очевидно, что среднее значение составляющих вектора Пойнтинга за период колебаний равно нулю.
Таким образом, в ближней зоне излучения энергии нет, движение энергии поля имеет колебательный характер.
В дальней зоне имеются отличные от нуля составляющие 
, и они изменяются по фазе. 
, а радиальная составляющая 
, и ей можно пренебречь. Составляющие убывают пропорционально 
, в дальней зоне отношение 
определяется параметрами среды и называется характеристическим сопротивлением Zс. Для вакуума eа=e0, mа=m0, а Zc=120p=377 Ом.
Вектор Пойнтинга в дальней зоне имеет только одну составляющую 
Мгновенные значения данной составляющей можно выразить как:
(3.4)
Мгновенное значение вектора Пойнтинга всегда положительно. Это означает, что энергия движется только в одном направлении от излучателя и представляет собой энергию излученной электромагнитной волны. Поле имеет волновой характер.
Функция 
называется нормированной характеристикой направленности излучателя. В пространстве данная диаграмма представляет собой тор, а в меридиональной плоскости две соприкасающиеся окружности. В направлениях q=90° излучение максимально, а при q=0, 180° излучение отсутствует.
Мощность излучения можно представить как
(3.5)
Согласно данному выражению мощность излучения пропорциональна квадрату амплитуды переменного тока, протекающего по излучателю. Существует прямая аналогия между обычным выражением для мощности переменного тока, выделяемой на некотором активном сопротивлении:
. Поэтому мощность излучения можно выразить как
, (3.6)
где 
- сопротивление излучения.
Диаграмма направленности и сопротивление излучения - это понятия из теории антенн, используемые для оценки различных антенных устройств.
Одной из важных характеристик является также коэффициент направленного действия излучателя D, определяемый как
, где (3.7)
- плотность потока энергии в заданном направлении,
- значение вектора Пойнтинга, найденное в предположении, что излучение равномерно во всех направлениях:
(3.8)
Для направления максимального излучения (q=90°)
, Dmax=3/2 (3.9)
В теории излучения используется понятие колеблющегося магнитного диполя, называемого магнитным диполем Герца. По аналогии с электрическим вибратором у магнитного вибратора на концах должны быть сосредоточены магнитные заряды, которые в природе отсутствуют. Физическую модель элементарного магнитного вибратора можно выполнить, используя одиночную рамку с периметром много меньшим длины волны, либо другие модели.
Принцип перестановочной двойственности устанавливает правило перехода от полей, создаваемых элементарным электрическим излучателем к полям, которые создает элементарный магнитный излучатель. В соответствии с данным принципом поля, создаваемые магнитным излучателем выражаются через составляющие поля электрического излучателя , производя следующие замены в уравнениях Максвелла:
Электрический излучатель | Магнитный излучатель |
|
|
|
|
3 Методика измерений
Стенд измерения состоит из генератора сигналов, передающей антенны, анализатора спектра и испытуемой антенны.
В качестве испытуемой антенны по очереди используются электрический и магнитный излучатель, установленные на опорно-поворотное устройство (ОПУ). При снятии диаграммы направленности отсчет углов ведется по лимбу ОПУ.
Установите частоту генератора, указанную преподавателем, сигнал генератора непрерывный. Измерение принимаемого сигнала проводить по п.9.2.1 технического описания на анализатор спектра С4-27, как относительное измерение уровня спектральных составляющих. Вращая ОПУ вокруг осей, определите направление максимального сигнала. Вращая ОПУ вокруг горизонтальной оси в секторе углов ± 90° через несколько градусов, определять уровни спектральных составляющих относительно сигнала, соответствующего главному максимуму, по линейной шкале для каждого отчета углов в децибелах.
4 Порядок выполнения работы
Ø Измерить диаграмму направленности элементарного электрического излучателя в секторе углов q от 0 до 180 градусов с шагом 10 градусов.
Ø Построить нормированную ДН в декартовых и полярных координатах.
Ø Измерить диаграмму направленности элементарного магнитного излучателя в секторе углов q от 0 до 180 градусов с шагом 10 градусов.
Ø Построить нормированную ДН в декартовых и полярных координатах.
5 Содержание отчета
Цель работы, описание стенда измерения, таблицы с измеренными данными, диаграммы направленности электрического и магнитного излучателя, выводы.
6 Контрольные вопросы
1 Что такое элементарный электрический излучатель?
2 Что такое элементарный магнитный излучатель?
3 Что такое вектор Пойнтинга?
4 Как определяется направление вектора Пойнтинга?
5 Дать понятие ближней и дальней зон элементарного излучателя.
6 Каковы особенности полей в ближней и дальней зонах?
7 Что такое диаграмма направленности?
8 Что такое мощность и сопротивление излучения?
9 Какой излучатель будет иметь большее сопротивление излучения при сравнимых геометрических размерах – электрический или магнитный?
10 Сформулируйте принцип перестановочной двойственности.
Лабораторная работа № 4. Практическое применение объемных резонаторов
1 Цель работы
Изучить работу проходного объемного резонатора в качестве СВЧ датчика
2 Введение
Простейшим объемным резонатором является волноводный (призматический) резонатор, представляющий собой отрезок волновода, закороченный с обоих концов металлическими пластинами. В короткозамкнутом волноводе образуется стоячая волна, характеризующаяся периодическим распределением вдоль волновода пучностей и узлов поперечной составляющей электромагнитного поля. Если в одном из узлов поперечной составляющей электрического поля сделать короткое замыкание, то в закороченном с обоих концов отрезке волновода сохранится режим стоячей волны, так как не нарушаются граничные условия. Такой режим можно рассматривать как режим свободных колебаний системы без потерь, когда ей сообщен некоторый запас энергии, т. е. закороченный с обоих концов отрезок волновода представляет собой колебательную систему с собственной частотой f0. При совпадении частоты питающего генератора с собственной частотой образуется резонансный режим колебаний на частоте fрез=f0.
Резонансные частоты находятся из условия, что при резонансе длина l закороченного отрезка волновода равна расстоянию между узлами поля стоячей волны E^, то есть целому числу полуволн в волноводе:
, р = 0, 1, 2…
Выражая длину волны в волноводе через резонансное значение длины волны генератора 
, получим
(4.1)
Пользуясь данной формулой, можно найти резонансные частоты для волноводных резонаторов, для которых известна критическая длина волны.
Добротность Q объемного резонатора определяется отношением запасенной энергии к энергии потерь за период колебания. Добротность характеризует полосу пропускания резонатора в режиме вынужденных колебаний, а также его способность сохранить запасенную энергию в режиме собственных колебаний. Различают добротность Q0 ненагруженного резонатора и добротность Qн нагруженного резонатора, связанного с высокочастотной нагрузкой. Добротность Q0 определяется с помощью выражения
, (4.2)
где d-глубина проникновения электромагнитной волны в металлическую стенку; v - объем резонатора; S - площадь поверхности стенок резонатора; H - напряженность магнитного поля.
Добротность Q0 зависит от характера распределения магнитного поля по объему. Ее значение тем больше, чем больше отношение объема резонатора к его поверхности.
Нагруженная добротность определяется выражением
, (4.3)
где Qвн – внешняя добротность, определяемая как отношение максимальной мощности колебаний в резонаторе к средней мощности потерь во внешней нагрузке.
В режиме вынужденных колебаний добротность определяет относительную ширину резонансной кривой на уровне половинной мощности
(4.4)
Прямоугольный волновод, замкнутый с обоих концов проводящими стенками, образует прямоугольный резонатор с ребрами a, b, c. Если конфигурация поля в резонаторе соответствует волне типа Нmn (Emn), и вдоль ребра с укладывается p полуволн, то возбужденные колебания в резонаторе называют колебаниями типа Hmnp(Emnp). Для обоих типов колебаний Hmnp и Emnp резонансная длина волны определяется по формуле:
. (4.5)
При колебаниях типа Е возможен случай, когда p=0. При этом 
и составляющие поля Ex=Ey=0, а составляющая Ez не зависит от z.
Тип колебаний Н101 в прямоугольном волноводе называют основным. Для этого типа колебаний добротность резонатора определяется по формуле:
(4.6)
Круглый волновод, замкнутый с обоих концов проводящими стенками, образует цилиндрический объемный резонатор диаметром D и длиной l. В нем также существуют колебания типов Hmnp и Emnp.
Для некоторых отличающихся между собой типов колебаний собственные частоты совпадают. Такие типы волн называют вырожденными. В цилиндрическом резонаторе это волны типов H01p и E11p. Вырожденными считают и два колебания Н11р, для которых векторы электрического поля поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Объемные резонаторы различных форм (прямоугольные, цилиндрические, сферические) и типов (открытые или закрытые) нашли широкое применение в качестве СВЧ датчиков. Данные датчики преобразуют изменение диэлектрической проницаемости или размера контролируемого объекта в измеряемые параметры – смещение частоты, изменение добротности, сдвиг фазы и т. п. При возбуждении различных типов колебаний необходимо представлять структуру их поля. Это позволяет анализировать резонатор при деформации его стенок, прорезании отверстий в стенках, при введении металлических включений внутрь резонатора. Если, например, токопроводящий элемент вводится в пучность магнитного поля, то резонансная частота увеличивается; при введении такого элемента в пучность электрического поля резонансная частота уменьшается.
Как и для волноводов, в качестве элементов связи для возбуждения объемных резонаторов применяют штыри (емкостная связь), витки (индуктивная связь) и отверстия в проводящих стенках. Элементы связи ухудшают добротность резонатора и сдвигают собственную резонансную частоту.
Проходные резонаторы основаны на резонансе колебаний, отраженных от двух неоднородностей в волноводе. Добротность и коэффициент передачи подобных резонаторов могут регулироваться в достаточно широких пределах с помощью изменения величины вносимой неоднородности.
В настоящей лабораторной работе предложен СВЧ датчик – проходной резонатор, выполненный на основе волновода 72х10 мм2 на индуктивных штырях. Длиной резонатор 140 мм, рабочее колебание H101, резонансная частота 2.45 ГГц. Данный датчик предназначен для применения в устройствах контроля параметров диэлектрических изделий шнурового типа. Известно, что частотный сдвиг в резонаторе прямоугольной формы при прохождении образца параллельно узким стенкам можно представить в виде:
, (4.5)
а при прохождении образца перпендикулярно узким стенкам в том же резонаторе:
, (4.6)
где 
– резонансная рабочая частота пустого резонатора, V0– объем резонатора, 
– диэлектрическая проницаемость материала, из которого изготовлен образец, А– площадь поперечного сечения образца (
).
Конструктивно датчик представляет собой отрезок прямоугольного волновода с коаксиально-волновыми переходами, на котором с помощью двух идентичных неоднородностей типа индуктивных штырей сформирован проходной резонатор (вместо индуктивных штырей можно использовать и индуктивные диафрагмы). Контролируемый образец пропускается через отверстие в широкой стенке волновода в пучность электрического поля параллельно вектору поля.
Чувствительность датчика к изменению диэлектрической проницаемости и диаметра шнура можно получить, дифференцируя выражение (4.5)
(4.7)
где a, b, l – ширина, высота и длина резонатора, d – диаметр шнура, b0– высота отрезка шнура в резонаторе.
3 Методика измерений
Измерения проводятся на комплексном измерителе коэффициентов передачи и отражения Р4-38 по схеме измерения ослабления (коэффициента передачи).
4 Порядок работы
1 Изучить описание на измеритель
2 Подключить в схему измерения коэффициента передачи пустой проходного резонатор (датчик), определить резонансную частоту датчика. Помещая в него через отверстие в широкой стенки диэлектрические образцы различных диаметров и заполнения, определить частотный сдвиг резонансной кривой для каждого образца.
3 Построить зависимость сдвига частоты от диаметра образца.
5 Содержание отчета
Цель работы, описание схемы измерения, измеренные данные, графики, выводы.
6 Контрольные вопросы
1 Основные параметры объемных резонаторов.
2 Основные типы объемных резонаторов.
3 Как определяется резонансная длина волны в прямоугольном резонаторе?
4 Какой тип колебаний является основным для прямоугольного резонатора?
5 Какие типы колебаний являются вырожденными?
6 Как изменяется резонансная частота при введении в пучность электрического поля диэлектрического материала?
7 Способы возбуждения колебаний в резонаторе?
8 Области применения резонаторов?
9 Проходные резонаторы, их конструкции?
10 Из какого условия определяются резонансные частоты?
Лабораторная работа № 5. Измерение входных характеристик антенн различных типов
1 Цель работы
Измерение коэффициента стоячей волны по напряжению и входного сопротивления различных типов антенн
2 Ведение
Одними из важных параметров, характеризующих эффективность антенных систем, работающих в составе радиотехнической аппаратуры, являются коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) и входное сопротивление антенны (его активная и реактивная части). Данные параметры одинаковы при работе антенны и в режиме приема, и в режиме передачи.
Любую антенну можно представить в виде четырехполюсника СВЧ и определить КСВН через элементы матрицы рассеяния, либо используя математическую модель регулярной линии передачи.
На регулярном участке любой линии передачи поле представляет собой суперпозицию падающей и отраженной волн.
Падающая волна – это волна, бегущая от генератора к нагрузке, отраженная волна – это волна, порождаемая нагрузкой или неоднородностью тракта и бегущая навстречу падающей волне.
Любой компонент падающей волны зависит от продольной координаты x по закону 
, а отраженной 
; где 
- комплексный коэффициент распространения; a-коэффициент затухания, Нп/м; b- коэффициент фазы, рад/м.
Рисунок 5.1. Волны в эквивалентной длинной линии
В математической модели линии передачи векторные функции распределения поля в линии заменяются интегральными (усредненными) мерами электромагнитного поля – эквивалентными нормированными напряжениями падающей и отраженной волн.
(5.1)
Фазы нормированных напряжений падающей и отраженной волн принимают равными фазам поперечных компонентов электрического поля для соответствующих волн.
Отношение поперечных компонент электрического поля для падающей и отраженной волн в одной и той же точке поперечного сечения называется коэффициентом отражения по электрическому полю:
, (5.2)
а отношение нормированных напряжений называется коэффициентом отражения
, причем всегда 
.
Закон изменения коэффициента отражения в сечениях линии передачи можно представить следующим образом:
, (5.3)
где 
- значение коэффициента отражения в сечении x=0.
При одновременном
существовании падающей и отраженной волны мощность в сечении определяется, как
. (5.4)
Формально вводятся следующие параметры:
- полное нормированное напряжение, 
;
- полный нормированный ток, ;
- полное нормированное сопротивление;
- полная нормированная проводимость.
Любая антенна, включаемая в СВЧ тракт, представляет собой произвольную нагрузку, которая порождает в данном тракте отраженную волну. Вместе с падающей волной отраженная волна образует повторяющиеся минимумы и максимумы нормированных напряжений и токов. Данный режим характеризуется коэффициентом бегущей волны (КБВ) или КСВН, причем 
. В формулах КСВН обозначается как КстU.
. (5.5)
Отражение падающей волны от нагрузки уменьшает передаваемую мощность в 
раз и снижает КПД линии.
Коэффициент отражения зависит от соотношения между сопротивлением нагрузки Zн (в данном случае антенны) и волновым сопротивлением линии передачи Zв.
При Zн=Zв имеем 
, kстU=1, т. е. в линии передачи существует бегущая (падающая) волна, входное сопротивление равно волновому сопротивлению. Это режим согласования.
При Zн=0 
, kстU®µ в линии стоячая волна. Это режим короткого замыкания.
При Zн=µ 
, kстU= µ в линии стоячая волна. Это режим холостого хода.
КСВН можно выразить и через элементы матрицы рассеяния
, (5.6)
где s11– коэффициент отражения.
В обозначении элемента smn первый номер определяет номер строки матрицы и одновременно номер согласованного входа, на который происходит передача мощности, второй индекс– номер столбца и номер входа, с которого осуществляется возбуждение.
Ухудшение согласования (увеличение КСВН) вызывает ограничение рабочей полосы частот антенн, которая является одним из важных параметров; вызывает снижение мощности излученного сигнала, снижение эффективности приемных антенн.
3 Методика измерений
Измерения проводятся на измерителе комплексных коэффициентов передачи и отражения Р4-38 и Р4-11.
4 Порядок работы
1 Изучить техническое описание на измеритель Р4-38; измерить зависимость КСВН, Rx и X детекторной и микрополосковой антенн от частоты в десяти частотных точках слева и справа от резонансной частоты (резонансной частоте соответствует минимальное значение КСВН).
2 Изучить техническое описание на измеритель Р4-11, измерить зависимость КСВН вибраторной антенны от частоты в десяти частотных точках слева и справа от резонансной частоты.
3 Построить графики зависимости КСВН, Rx и X от частоты для всех антенн.
5 Содержание отчета
Указать цель работы, схему измерения, графики зависимости КСВН, Rx и X от частоты.
6 Контрольные вопросы
1 Как изменится излучаемая мощность при отражении от нагрузки?
2 Как вычислить КстU через элементы матрицы рассеяния?
3 Что такое режимы согласования, короткого замыкания и холостого хода?
4 Что такое падающая и отраженная волны?
5 На что может повлиять плохое согласование передающей антенны с СВЧ трактом?
6 На что может повлиять плохое согласование приемной антенны с СВЧ трактом?
7 Как определяется КстU по теории регулярной линии?
8 Как связаны между собой коэффициент бегущей волны и коэффициент стоячей волны по напряжению.
9 Чем отличаются входные параметры антенн при работе в режиме приема и передачи?
10 Сущность математической модели регулярной линии передачи?
Лабораторная работа № 6.Измерение ДН и КУ пирамидального рупора
1 Цель работы
1) изучение основ техники измерения диаграмм направленности и коэффициента усиления антенн
2) исследование направленных свойств рупорной антенны
2 Введение
Волноводно-рупорные антенны являются широкополосными устройствами, обеспечивающими полуторное перекрытие по диапазону, с низким уровнем бокового излучения. Они распространены в сантиметровом диапазоне волн. Рупорные антенны представляют собой волновод с плавно увеличивающимися размерами поперечного сечения. Конструкция рупоров достаточно проста, они используются как в качестве самостоятельных антенн, в частности при проведении измерений ДН и КУ, так и в качестве облучателей более сложных антенн, например рупорно-параболических, рупорно-линзовых и др..
Существующие типы рупоров можно разделить на пирамидальные, секториальные, конические и их разновидности. У секториальных рупоров расширяется одна пара стенок, в зависимости от того, в какой плоскости происходит расширение, различают Е-секториальные и Н-секториальные рупора. Распределение амплитуд поля в раскрыве рупора такое же, как и у питающего волновода– при возбуждении волной типа Н10 направления векторов поля имеют следующую ориентацию
Рисунок 6.1
В плоскости Е раскрыва рупора распределение поля равномерное, а в плоскости Н - косинусоидальное. Размеры пирамидального рупора выбираются по требуемой ширине ДН в соответствующей плоскости.
При синфазном возбуждении ширина ДН связана с размерами раскрыва aр и bр следующим образом:
в плоскости вектора Н
(6.1)
в плоскости вектора Е
(6.2)
Однако, поле в раскрыве рупора в принципе несинфазно. Это можно объяснить тем, что центральный и периферийные лучи проходят разные пути от горловины до раскрыва рупора. За счет этого фазы поля на краях рупора будут иными, чем в центре, и возникают фазовые ошибки.
Чем больше угол раскрыва рупора, тем больше разность хода между центральным лучом и периферийным лучом, приходящим к краю раскрыва, и тем больше фазовые искажения на его краях 
. на его краях. Фазовые искажения в раскрыве рупора подчинены приблизительно квадратичному закону. В секториальных рупорах получается цилиндрический фронт волны, в пирамидальных –сферический фронт. Нарушение синфазности излучающей поверхности приводит к искажениям ДН рупора. Вследствие этого происходит расширение главного лепестка ДН, увеличивается интенсивность боковых лепестков, исчезают нулевые провалы между лепестками. В плоскости Е (при равномерном амплитудном распределении) ДН искажается больше, чем в плоскости Н (при косинусоидальном распределении).
Рупоры, размеры которых соответствуют максимальному значению КНД, называются оптимальными. И для оптимального рупора фазовые ошибки в плоскости Е не превышают 90°, а в плоскости Н 135°.
Коэффициент направленного действия оптимального рупора можно вычислить по формуле:
(6.3)
где S-площадь раскрыва; l - длина волны; n - коэффициент использования поверхности.
Для оптимального рупора n = 0.61.
В случае, когда размеры рупора отличны от оптимального, коэффициент направленного действия пирамидального рупора вычисляется по следующей формуле:
(6.4)
где DE-КНД Е – секториального рупора, DH-КНД Н-секториального рупора.
Коэффициент усиления рупора, как и любой антенны, связан с коэффициентом направленного действия соотношением
, (6.5)
h - коэффициент полезного действия антенны.
Для рупоров КПД практически равен 1.
Существенным недостатком рупорных антенн является сравнительно большая длина рупоров, которая пропорциональна квадрату размеров раскрыва. Это накладывает ограничения на использование рупоров в качестве остронаправленных антенн, поэтому рупорные антенны применяются в случаях, когда не требуется очень направленная ДН. Частотный диапазон рупорной антенны ограничен только питающим волноводом.
3 Методика измерений
Соберите схему измерения ДН. Схема измерения (рисунок 6.2) включает в себя генератор Г-, передающую антенну (2), испытуемую антенну (3), анализатор спектра С4-27.
Рисунок 6.2
Установите в качестве излучающей антенны рупорную антенну; испытуемую рупорную антенну установите на опорно-поворотное устройство (ОПУ), позволяющее снимать ДН антенны в горизонтальной плоскости в секторе углов от 0 до 360 градусов. Расстояние между антеннами должно соответствовать дальней зоне излучения. Ориентация вектора E вертикальная. Начальная установка антенны на ОПУ для удобства отсчета углов и ориентация осей антенн в пространстве представлена на рисунке 3.
Рисунок 6.3
Установите частоту генератора, указанную преподавателем, сигнал непрерывный. Измерение принимаемого сигнала проводить по п.9.2.1 технического описания на анализатор спектра, как относительное измерение уровня спектральных составляющих. Вращая ОПУ вокруг осей, определите направление максимального сигнала. Вращая ОПУ вокруг горизонтальной оси в секторе углов ± 90° через 3 - 5 градусов, определять уровни спектральных составляющих относительно сигнала, соответствующего главному максимуму, по линейной шкале для каждого отчета углов в децибелах.
Разверните оба рупора на 90°, повторите измерения в плоскости Е.
Пронормируйте измеренные значения относительно максимального.
Постройте зависимости полученных значений от углов для обеих плоскостей и из графика определите ширину по уровню –3 дБ, сравните с расчетным значением.
Измерение коэффициента усиления проводится методом сравнения с эталонной антенной. Метод сравнения заключается в сравнении коэффициента усиления исследуемой антенны с коэффициентом усиления эталонной антенны, в качестве которой обычно используется оптимальный пирамидальный рупор. В методе сравнения при ориентации измеряемой антенны главным максимумом на облучающую антенну измеряют мощность сигнала (Ри) на выходе антенно-фидерного тракта. Затем, не меняя уровня излучаемой мощности, чувствительности приемника, на место измеряемой антенны устанавливают эталонную (образцовую) антенну с аттестованным Gэт, эталонную антенну ориентируют главным максимумом на облучающую антенну, измеряют мощности амплитуды (Рэт) сигнала. Значение КУ испытуемой антенны определяется из соотношения
.
4 Порядок работы
1 По формулам (6.1) и (6.2) рассчитать ширину ДН рупора в плоскостях Е и Н, исходя из размеров рупора.
2 Измерить и построить диаграммы направленности в двух ортогональных плоскостях (E-и H-плоскости), определить ширину ДН по уровню 0,5 Pmax(-3 дБ по мощности) по данным эксперимента.
3 Измерить значение КУ.
5 Содержание отчета
Титульный лист, цель работы, краткое описание принципа действия рупорных антенн, схема измерения, таблицы измеренных значений, графики ДН в декартовой системе координат, выводы.
6 Контрольные вопросы
1 Область применения рупорных антенн, типы рупорных антенн.
2 Каково распределение амплитуд электромагнитного поля в раскрыв рупорной антенны, как оно связано с распределением в питающем волноводе?
3 Из-за чего возникают фазовые искажения в раскрыве рупора?
4 Как определяется ширина ДН по уровню половинной мощности в Е - и Н-плоскостях?
5 Что такое оптимальный рупор?
6 Что такое коэффициент усиления, КНД?
7 Чему равен коэффициент полезного действия рупора?
8 Как влияют фазовые искажения в раскрыве рупора на ДН?
9 Фазовые искажения для оптимального рупора?
10 Сущность измерения КУ методом сравнения с эталонной антенной.
Лабораторная работа № 7. Антенны эллиптической поляризации
1 Цель работы
Измерение электрических параметров антенн с эллиптической поляризацией.
2 Введение
Спиральные антенны широко применяются в сантиметровом, дециметровом и метровом диапазоне волн в качестве самостоятельных антенн или в качестве облучателей параболических и линзовых антенн. В настоящее время цилиндрические многовитковые спирали традиционно применяются для переносных нелинейных радиолокаторов, при этом одна приемная антенна, как правило, перекрывает диапазоны второй и третьей гармоник и конструктивно располагается внутри передающей антенны. Применение спиральных антенн (антенн с эллиптической поляризацией) дает полезный эффект, заключающийся в увеличении дальности обнаружения целей, уменьшении помех от дождя и снега за счет перемены направления вращения сигнала, отраженного от капель, обеспечении устойчивого приема сигналов при потере ориентации объекта.
К преимуществам спиральных антенн можно отнести следующее: широкополосность, простота конструкции, работа и с эллиптической, и с линейной поляризацией поля.
При работе на передачу спиральная антенна излучает поле с эллиптической поляризацией, направление вращения вектора электрического поля E зависит от направления намотки спирали (правая поляризация у спирали, образующей правый винт).
При работе на прием она принимает либо поле эллиптической поляризации с направлением вращения, как и при передаче, либо поле любой линейной поляризации.
Поле плоской электромагнитной волны с эллиптической поляризацией характеризуется тем, что вектор электрического поля, лежащий в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, своим концом описывает эллипс. Полный поворот вектора происходит за один период колебаний электромагнитного поля. Когда полуоси вектора равны, поляризация электромагнитного поля круговая. Если одна из осей равна нулю, поляризация электромагнитного поля линейная.
Рисунок 7.1
Линейная поляризация и круговая поляризация являются частными случаями эллиптической поляризации.
Форма эллипса полностью определяется двумя параметрами: углом наклона большой полуоси эллипса b относительно горизонтального направления и коэффициентом эллиптичности m
,
где b – малая полуось эллипса, a- большая полуось эллипса.
Угол наклона лежит в пределах 0…p, а коэффициент эллиптичности 
.
Горизонтальной линейной поляризации соответствует m=0 и b=0, вертикальной m=0 и b=p¤2. При линейной поляризации вектор поля колеблется по времени вдоль одного направления.
Конец вектора электрического поля может перемещаться по эллипсу в ту или в другую сторону, соответственно представляя эллиптически право - или левополяризованное поле.
Другой параметр, характеризующий форму эллипса, можно получить из отношения комплексных компонент разложения поля Е в декартовых координатах.
,
где Ег, Ев - действительные амплитуды по оси x и y, Фx, Фy- фазы этих компонент.
Это так называемое поляризационное отношение или поляризационный коэффициент.
Модуль поляризационного отношения меняется от 0 до µ.
Если амплитуды горизонтальной и вертикальной компонент вектора электрического поля Eг и Eв равны между собой, эллипс поляризации превращается в окружность.
Соотношения амплитуд и фаз компонент поля изменяются в пространстве, поэтому каждому направлению будет соответствовать свой эллипс поляризации. Чтобы однозначно характеризовать поляризационные свойства поля, создаваемого антенной, коэффициент эллиптичности определяют в направлении главного максимума и в направлениях, соответствующих уровням половинной мощности (-3 дБ).
Поляризацию поля излучения антенны обычно исследуют с помощью индикаторной антенны с линейной поляризацией, которая ориентируется в направлении приходящего сигнала. Изображенная графически зависимость интенсивности принимаемого сигнала от угла поворота индикаторной антенны вокруг ее продольной оси называется поляризационной диаграммой.
Основное преимущество спиральной антенны – хороший коэффициент поляризации (не хуже –2 дБ) в двукратной полосе частот. Ширина ДН по половинной мощности и коэффициент направленного действия (КНД) цилиндрической спирали вычисляются с помощью соотношений
(7.1)
(7.2)
где Lв – длина витка, s - шаг между витками, n - число витков.
Длина витка спирали в режиме осевого излучения примерно равна длине волны, обычно применяемый шаг составляет примерно четверть длины волны. Таким образом, для спирали в три витка (n=3) ширина ДН по половинной мощности составляет примерно 60 градусов, КНД примерно 5 дБ, длина спирали примерно 0.75 длин волн. Для спирали в шесть витков (n = 6) имеем 42 градуса, 10 дБ и 1.5 длин волн, соответственно.
Входное сопротивление спиральной антенны равно 130…140 Ом во всей рабочей полосе, что уже само по себе составляет проблему для согласования на нагрузку 50 Ом. Кроме того, для антенн с малым числом витков существует проблема отражения от конца антенны, которую приходится решать с помощью введения экспериментально отрабатываемых оконечных нагрузок, снижающих эффективность антенны.
К недостаткам спиральных антенн также относится сравнительно большой уровень боковых лепестков, невозможность получения узких диаграмм направленности.
В последние годы происходит интенсивная замена традиционных технических решений для кругополяризованных антенн мобильных и стационарных систем, основанных на тонкопроволочных и рамочных структурах. В качестве основного конкурента спиральных антенн выступают микрополосковые излучатели (МПИ) различных форм, излучающие в зависимости от способа возбуждения поля с линейной, либо с круговой поляризацией.
3 Методика измерения
Соберите схему измерения ДН. Схема измерения (рисунок 7.2) включает в себя генератор Г-, испытуемую антенну (2), приемную антенну (3), анализатор спектра С4-27.
Рисунок 7.2
Установите в качестве приемной антенны рупорную антенну на опорно-поворотное устройство, обеспечивающее вращение вокруг вертикальной оси и вокруг продольной оси антенны; испытуемую антенну с эллиптической поляризацией установите на опорно-поворотное устройство (ОПУ), обеспечивающее вращение антенны в горизонтальной плоскости в секторе углов от 0 до 360 градусов. Расстояние между антеннами должно соответствовать дальней зоне излучения. Начальная ориентация вектора E приемного рупора вертикальная. Начальная установка антенны на ОПУ для удобства отсчета углов и ориентация осей антенн в пространстве представлена на рисунке 7.3.
Рисунок 7.3
3.1 Установите частоту генератора, указанную преподавателем, сигнал непрерывный. Измерение принимаемого сигнала проводить по п.9.2.1 технического описания на анализатор спектра, как относительное измерение уровня спектральных составляющих. Сначала определяются ширины ДН по уровню –3дБ при горизонтальной и вертикальной поляризации рупора для одной ориентации испытуемой антенны, затем вращая рупор вокруг продольной оси, определяем отношения компонент электрического поля для направления главного максимума и направлений, соответствующих уровню половинной мощности (-3дБ).
3.2 Вращая ОПУ вокруг осей, определите направление максимального сигнала. Истытуемую антенну вокруг горизонтальной оси в секторе углов ± 90° через 10 градусов, определять уровни спектральных составляющих относительно сигнала, соответствующего главному максимуму, по квадратичной шкале для каждого отчета углов в децибелах. Пронормируйте измеренные значения относительно максимального для построения ДН, определите ширину ДН по уровню –3 дБ.
3.3 Установите испытуемую антенну в положение главного максимума, зафиксируйте неподвижное положение.
3.4 Вращая рупор вокруг своей оси, определите уровень максимального и минимального сигнала Pmax и Pmin, дБ, вычислите коэффициент поляризации по формуле: 
.
3.5 Повторите операцию 3.4 для угловых положений антенны, соответствующих уровню половинной мощности (–3 дБ).
3.6 Разверните рупор на 90°, повторите измерения
4 Порядок работы
4.1 Измерить диаграмму направленности антенны с эллиптической поляризацией, на двух частотах, предложенных преподавателем.
4.2 Определить ширину ДН по уровню – 3дБ.
4.3 Измерить коэффициенты поляризации для 3-х направлений (q0 – направление главного максимума;q1 и q2- направления, соответствующие уровню принимаемой мощности – 3 дБ) на каждой частоте.
5 Содержание отчета
Титульный лист, цель работы, схема измерения, таблицы измеренных значений, выводы.
6 Контрольные вопросы
1 Области применения эллиптически поляризованных антенн их достоинства.
2 Разновидности эллиптической поляризации.
3 Основные параметры, характеризующие эллиптически поляризованное поле?
4 Преимущества спиральных антенн.
5 Недостатки спиральных антенн.
6 При каком условии эллиптическая поляризация превращается в круговую?
7 Что такое поляризационная диаграмма?
8 Как измеряется поляризационная диаграмма?
9 Поле какой поляризации принимает спиральная антенна?
10 Какую траекторию описывает магнитная составляющая эллиптически поляризованного поля?
Лабораторная работа № 8. Методы антенных измерений
1 Цель работы
Изучение методов измерений параметров антенн. Измерение ДН волноводно-щелевой антенны в безэховой камере.
2 Введение
Для определения пространственных характеристик антенн применяют несколько методов антенных измерений, наиболее распространенные из них: наземные измерения антенн на вышке в дальней зоне (метод вращающейся испытуемой антенны), метод облета, амплифазометрический (в ближней зоне излучения), коллиматорный, радиоастрономический методы и их разновидности.
Проверка параметров антенны выполняется на антенных полигонах. Существуют открытые и закрытые полигоны со своими преимуществами и недостатками. Открытые полигоны не защищены от воздействия окружающей среды, а закрытые ограничены в пространстве. Закрытые полигоны представляют собой безэховые камеры прямоугольной или иных форм, внутренние стенки которых покрыты радиопоглощающим материалом для устранения переотражения от стен и обеспечения в безэховой зоне заданного малого отражения, т. е. сымитировать свободное пространство. Во многих случаях измерения в БЭК позволяют сократить или исключить полностью натурные испытания. Измерения в БЭК свободны от различных естественных и искусственных электро - радиопомех, благодаря экранировке. Гарантированный малый уровень отраженного сигнала при проведении измерений является основной характеристикой безэховой камеры и называется коэффициентом безэховости. Качество безэховой камеры характеризуется уровнем отражения в безэховой зоне – паразитным отраженным сигналом в безэховой зоне камеры при приеме на всенаправленную антенну.
2 Основные характеристики антенн и методы их измерения
1) Диаграмма направленности F(q, j)– представляет собой нормированную функцию координат q и j в сферической системе координат с центром, совпадающим с фазовым центром (центром излучения) антенны. Для приемной антенны функция нормированной ДН характеризует относительное изменение интенсивности принимаемых сигналов в зависимости от направления прихода сигналов. Для передающей антенны функция нормированной ДН характеризует относительное изменение интенсивности сигналов, излучаемых в различных направлениях относительно центра антенны. Диаграмма направленности представляет векторную комплексную функцию, описывающую амплитудную, поляризационную и фазовую структуру поля антенны в дальней зоне.
В основном измеряется амплитудная ДН на одной поляризации передающей и приемной антенн. При измерении комплексной ДН проводятся совместные измерения амплитуды и фазы, при измерении векторной ДН – измерения амплитуды, фазы и поляризационные параметры в каждом направлении пространства (коэффициент эллиптичности и т. д.).
Для оценки качества антенной системы помимо пространственной ДН вида F(q, j) достаточно проводить измерения ДН вида F(q0, j) и F(q, j0), соответствующих взаимно-ортогональным сечениям пространственной ДН, проходящим через направления q0, j0 главного максимума ДН антенны, называемых главными сечениями. ДН может быть измерена в режиме передачи и приема, наиболее распространен режим приема. Чтобы обеспечить измерения в разных сечениях, измерительные комплексы оборудованы опорно-поворотными устройствами, позволяющими вращать испытуемую антенну вокруг вертикальной и горизонтальной осей, и датчиками углового положения.
Самый распространенный метод измерения ДН - метод вышки: в основу метода положено использование измерительной антенны, удаленной на такое расстояние от измеряемой антенны, что поле в плоскости раскрыва измеряемой антенны можно считать равномерным по амплитуде и синфазным, т. е. проводятся измерения в дальней зоне антенны. При реальных измерениях за счет конечного расстояния между раскрывами возникают методические погрешности. Минимальное допустимое расстояние между раскрывами определяется как
,
где D - максимальный линейный размер раскрыва измеряемой антенны,
l - длина волны.
Метод вышки позволяет исключить влияние отражения от подстилающей поверхности. Высота измерительной антенны должна обеспечить отсутствие зеркального отражения. Испытуемая антенна облучается главным лепестком измерительной антенны.
Процедура определения нормированной ДН вида F(q, j0) заключается в измерении амплитуды сигнала при последовательной ориентации испытуемой антенны под углом q (при фиксированном j) на направление облучающей антенны. Аналогично и для ДН вида F(q0,j). Нахождение значения нормированной ДН сводится к вычислению отношений между значениями амплитуд сигналов для каждого угла и значением амплитуды сигнала для главного максимума ДН антенны.
F(q, j)=P(qi, ji)/P(q0,j0) – выражение для линейного масштаба;
F(q, j)=P(qi, ji) – P(q0,j0) для логарифмического масштаба
ДН можно построить и в полярных, и в декартовых координатах.
Задача измерения не заканчивается определением формы ДН и структуры бокового излучения. В зависимости от типа и назначения измеряемых антенн значительный интерес представляют вторичные параметры измеренной ДН– ширина ДН на заданном уровне (например, -3 дБ), угол наклона главного максимума (q0,j0). Ширина ДН по заданному уровню обычно определяется как разность координат равного уровня на противоположных склонах в главных сечениях пространственной ДН.
Dq = q2(Fi, j0)- q1(Fi, j0)
Dj = j2(Fi, q0)- j1(Fi, q0)
2. Коэффициент усиления G(q, j) представляет собой ненормированную функцию координат j и q в той же системе координат, что и ДН антенны. Для приемной антенны КУ характеризует выигрыш в мощности принятого сигнала с направлением j, q по сравнению с гипотетической эквивалентной всенаправленной (изотропной) приемной антенной. Для передающей антенны КУ характеризует выигрыш в интенсивности излучаемой мощности на направлению j, q по сравнению с эквивалентной изотропной передающей антенной. Существуют несколько методов измерения КУ: абсолютный и метод сравнения с эталонной. В методе сравнения при ориентации измеряемой антенны главным максимумом измеряют амплитуду сигнала (мощность Ри) на выходе антенно-фидерного тракта. Затем, не меняя уровня излучаемой мощности, чувствительности приемника, на место измеряемой антенны устанавливают эталонную (образцовую) антенну с аттестованным Gэт, эталонную антенну ориентируют главным максимумом на облучающую антенну, измеряют значение амплитуды (мощности Рэт) сигнала. Значение КУ испытуемой антенны определяется из соотношения
в относительных единицах и 
в децибелах.
3 Методика измерения
Рисунок 8.1 Схема измерения ДН в безэховой камере
1- вариант с использованием измерительного приемника П5-13
2- вариант с использованием измерительного приемника П7-13
3.1 Антенну закрепить в держателе, установленном на опорно-поворотном устройстве (ОПУ) приемного поста. Соединить вход антенны с приемным трактом стенда измерения ДН.
3.2 Начальную установку антенны произвести поворотом ее вместе с держателем (поворотом ОПУ) до совмещения линии прицеливания с прицельным устройством облучающего рупора. При этом деление 0° шкалы лимба ОПУ должно устанавливаться против нулевой риски нониуса. В случае отсчета углов поворота ОПУ по измерителю П7-13 после прицеливания установить нулевые показания на индикаторе отсчета углов.
3.3 Вращением ОПУ вокруг вертикальной оси (вручную или автоматически с помощью пульта) по часовой стрелке (против часовой стрелки) относительно нулевого положения установить антенну в положение максимального принимаемого сигнала. Ослабление измерительного аттенюатора установить равным 25 дБ. Отсчитать угол наклона главного максимума q0 по нониусу ОПУ или по цифровому индикатору П7-13
Регулируя величину усиления приемного устройства, установить стрелку индикаторного прибора приемного устройства на одно из делений шкалы во второй ее половине.
При работе с измерителем П7-13 после установки антенны в положение максимального сигнала в соответствии с настоящим пунктом с помощью соответствующих регулировок П7-13 установить на индикаторе амплитуды показание 0,5…3,0 дБ.
3.4 Уменьшить показания измерительного аттенюатора на 3 дБ. Вращая ОПУ вокруг вертикальной оси, определить величины углов q1 – по переднему фронту и q2 – по заднему фронту, при которых стрелка индикаторного прибора приемного устройства займет положение на шкале, зафиксированное в 3.3. Определить ширину ДН как разность значений углов q1 и q2.
При работе с измерителем П7-13 отсчет углов производится по цифровому индикатору при показаниях индикатора амплитуды на 3 дБ больших зафиксированных в 4.2.5.
3.5. Вращая ОПУ фиксировать побочные максимумы (боковые лепестки) и сравнивать их величину с главным максимумом ДН. Определить максимальное значение боковых лепестков как разность сигналов в направлении главного максимума и в направлении данного лепестка в децибелах.
4 Порядок выполнения работы
1 Измерить диаграмму направленности волноводно-щелевой антенной решетки в меридиональной (горизонтальной) плоскости на стенде измерения диаграмм, определить угол наклона главного максимума, ширину ДН по уровню половинной мощности (-3 дБ), уровень боковых лепестков.
2 Построить зависимость 
от угла наклона.
5 Содержание отчета
Титульный лист, цель работы, схема измерения, таблицы измеренных значений, графики ДН в декартовой системе координат, выводы.
6 Контрольные вопросы
1 Методы антенных измерений.
2 Преимущества измерения параметров антенн в безэховой камере.
3 Методы измерения коэффициента усиления.
4 Как определяется дальняя зона антенны?
5 Как вычисляется нормированная диаграмма направленности?
6 Основные особенности метода вышки.
7 Как измеряется угол наклона ДН?
8 Как измеряется ширина ДН?
9 Что характеризует коэффициент усиления для приемной и передающей антенн?
10 Что такое главные сечения ДН?
