Основные теоретические сведения

План

Проведения лабораторного занятия

По дисциплине «Устройства СВЧ и антенны»

Раздел № 2 «Принципы функционирования и конструкции антенн.

Методы проектирования и экспериментальных исследований антенн»

 

Тема № 1 «Основы теории антенн.

Методы экспериментальных исследований антенн»

 

 

Лабораторное занятие № 1

«Изучение методики измерения диаграммы направленности антенны СВЧ»

 

Учебно-воспитательные цели:

Обучающие: закрепление знаний методики измерения диаграммы направленности антенны СВЧ.

Развивающие: развитие способности экспериментального исследования направленных свойств антенн СВЧ.

Воспитательные: воспитание желания целеустремленно и самостоятельно заниматься сбором и анализом информации, а также системного подхода к процессу самообразования.

Время: 2 часа.

Учебные вопросы и расчет времени:

№	Учебные вопросы	Время, мин.
	Организационная часть
	Вступительное слово
	Методика измерения нормированной диаграммы направленности по мощности антенны СВЧ Выполнение лабораторного задания Отчет о выполнении работы
	Подведение итогов
	Ответы на вопросы Выдача задания на самоподготовку

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:

Основная:

1. Ерошенко Д.А., Климов А.И. Антенны: Методические рекомендации к лабораторным работам. – Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2015. – 40 с.

Дополнительная:

2. Бокова О.И. Устройства СВЧ: учеб. пособие / О.И. Бокова, Р.Н. Андреев, А.И. Климов; под ред. Н.С. Хохлова. – Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2008. – 167 с.

3. Замотринский В.А. Устройства СВЧ и антенны. Часть 1. Устройства СВЧ [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Замотринский В.А., Шангина Л.И. – Электрон. текстовые данные. – Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. – 222 c. – Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/13996.– ЭБС «IPRbooks».

Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»

1. URL: http://www.iprbookshop.ru/ – Электронно-библиотечная система IPRbooks.

Задание на самоподготовку

1. Повторить материалы занятия, используя контрольные вопросы [1].

2. Подготовиться к лабораторному занятию № 2 [1].

 

 

Лабораторная работа № 1

 

Изучение методики измерения диаграмм направленности антенн СВЧ

 

Цели работы

1.1. Изучение типовой методики измерения диаграмм направленности антенн СВЧ

1.2. Приобретение практических навыков измерения диаграмм направленности антенн СВЧ

 

Домашнее задание

Ознакомиться с методикой измерения амплитудных диаграмм направленности антенн, используя рекомендуемую литературу.

 

i

Основные теоретические сведения

Для пояснения понятия «диаграмма направленности» (ДН) рассмотрим излучение элементарного электрического вибратора (диполя Герца), вертикально расположенного в свободном пространстве. Электромагнитное поле излучения диполя в дальней зоне (на расстоянии r до точки наблюдения, много большем длины волны излучения λ) содержит только меридиональную компоненту вектора напряженности электрического поля с комплексной амплитудой Е_θ и азимутальную компоненту вектора напряженности магнитного поля с комплексной амплитудой Н_φ, определяемые выражениями:

 

, , (1)

 

где I_Э — комплексная амплитуда тока, текущего по диполю; l — длина диполя; θ — угол в вертикальной плоскости между осью вибратора и направлением на точку наблюдения М (см. рис. 1);

Ом — волновое сопротивление свободного пространства.

Средняя за период электромагнитных колебаний плотность потока мощности излучения (среднее значение вектора Пойнтинга)

 

П_ср=Е_m²/(2W₀). (2)

 

Векторы П, Е и Н образуют правовинтовую систему, причем вектор П имеет только радиальную компоненту.

Величина напряженности электрического поля диполя зависит от направления в пространстве (см. множитель sinθ), т.е. диполь — это простейшая антенна, обладающая свойством направленности излучения.

Рис. 1. К иллюстрации характеристики направленности элементарного электрического вибратора

 

Направленность излучения антенны определяется амплитудной характеристикой направленности (АХН), т.е. зависимостью величины напряженности электрического поля от угловых координат точек наблюдения, находящихся в дальней зоне и равноудаленных от антенны. Для диполя Герца в соответствии с (1) амплитуда напряженности электрического поля в произвольной точке наблюдения в дальней зоне Е_m(r,θ,φ)=Аf(θ,φ)‌‌, где ; функция f(θ,φ) — АХН. В случае вертикального диполя f(θ,φ)=f(θ), поскольку для плоскостей, в которых расположен вектор Е f(θ)=sinθ, тогда как для плоскости, в которой расположен вектор Н f(φ)‌‌=1, т.к. в горизонтальной плоскости диполь не обладает направленным действием — излучает равномерно во всех направлениях вокруг своей оси. Таким образом, самое интенсивное излучение происходит в направлениях, перпендикулярных оси диполя, тогда как в направлении оси излучение отсутствует.

Графическое изображение АХН называется диаграммой направленности (ДН). Анализируя направленные свойства антенны, чаще пользуются нормированными характеристиками направленности по напряженности поля

 

F(θ,φ)= Е(θ,φ)/Е_max(θ₁,φ₁)= |f(θ,φ)|‌/|f_max(θ₁,φ₁)| ‌, (3)

 

где Е(θ,φ) — значение напряженности электрического поля в произвольном направлении (θ,φ), а Е_max(θ₁,φ₁) — максимальное значение напряженности электрического поля в направлении наиболее интенсивного излучения (θ₁,φ₁). Очевидно, что максимальное значение F(θ₁,φ₁)=1.

Для построения ДН остронаправленных антенн часто используют логарифмический масштаб, при этом значения ДН в децибелах (дБ) определяются выражением

F_дБ(θ,φ)=20lg F(θ,φ). (4)

 

Логарифмический масштаб дает возможность детально изобразить как главный лепесток (ГЛ), в котором располагается направление максимального излучения антенны, так и боковые лепестки (БЛ) ДН, характеризующие побочное излучение.

Нормированная ДН диполя Герца в плоскости Е (рис. 2 а) описывается функцией

 

F(θ)=|f(θ)|‌/|f_max(θ₁)|= | sinθ |. (5)

 

Пространственная ДН в виде графика F(θ,φ), построенного в сферической системе координат, представляет собой некоторую фигуру. На практике для антенн линейной поляризации обычно интересуются ДН в главных плоскостях, в которых поляризованы векторы Е и Н. ДН изображают, например, в полярной (для диполя — рис. 2 а, б), сферической (для диполя — рис. 2 в) или декартовой системе координат (рис. 3).

а б в

Рис. 2. ДН диполя Герца: в Е-плоскости (а), в Н-плоскости (б), пространственная (в)

 

При анализе направленных свойств антенн СВЧ чаще пользуются нормированной характеристикой направленности по мощности излучения, представляющей собой зависимость отношения плотности потока мощности излучения в произвольном направлении к плотности потока мощности в направлении наиболее интенсивного излучения П(θ,φ)/П(θ₁,φ₁) от направления в пространстве; с учетом (2) получается, что нормированная характеристика направленности антенны по мощности описывается выражением

 

F_P(θ,φ)= F²(θ,φ). (6)

 

Нормированная ДН по мощности в логарифмическом масштабе описывается выражением

F_РдБ(θ,φ)=10lg F_Р(θ,φ). (7)

 

Пример ДН по мощности в меридиональной плоскости для произвольной антенны приведен на рис. 3, на котором показаны главный (ГЛ) и боковые (БЛ) лепестки ДН, а также отмечены: уровень БЛ (в качестве которого принимается наибольший уровень боковых лепестков F_БЛ), а также другие важные параметры — ширина ДН, определяемая как угловая ширина θ_0,5 ГЛ по уровню половинноймощности излучения. В ряде случаев интересуются шириной ГЛ θ₀ по уровню нулевой мощности.

 

 

Рис. 3. Пример ДН произвольной антенны в декартовой системе координат