Методическое руководство к лабораторным работам по курсу Электродинамика и антенно-фидерные устройства (стр. 7 )

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-111 (1), 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 3.2 - 3.5.

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.