Диаграмма направленности антенны

СВЕДЕНИЯ  ИЗ ТЕОРИИ

Распределениеэлектромагнитного поля в дальней зоне, создаваемое  любой антенной, полностьюопределяется векторной функцией ,зависящей только от сферических угловых координат  (,) точки наблюдения

                         ,                           (1)

где  и - орты сферической системыкоординат.

Дальняя зонаопределяется обычно условиями:

дляостронаправленных антенн  ;                                                 (2)

дляслабонаправленных антенн

при                ,                                                                            (3)

при          ,                                                                        (4)

где L - наибольшийразмер антенны.

Подпространственной диаграммой направленности (ДН) антенны по полю понимаютграфическое изображение изменения модуля функции  и в зависимости от угловыхкоординат и (рис.1).

На практикеобычно итерессуются не пространственной ДН, а ее сечениями в плоскостях и  (рис.2)

                                  ,                                                       (5)

                                  .                                                        (6)

Чаще всего ДНизображается в полярной и прямоугольной системе координат (рис.2, а и б соответственно).

Диаграмманаправленности, у которой максимальное значение равняется единице, называетсянормированной ДН (рис.3) и обозначается как F(,):

                            .                                                      (7)

Направленноедействие антенны часто оценивается шириной ДН или углом раскрыва главного лепесткадиаграммы направленности. Под шириной ДН по половинной мощности подразумевают  угол междунаправлениями, вдоль которых напряженность поля уменьшается в  раз, по сравнению с напряженностьюполя в направлении максимума излучения (см. рис.3), а поток мощностиуменьшается вдвое. Под шириной ДН по нулям  подразумеваетсяугол между направлениями, вдоль которых напряженность поля равна 0.

Направленныесвойства различных антенн удобно оценивать коэффициентом направленного действия(КНД)

                       при                                  (8)

в точке приема. Наиболее распространенытри метода измерения КНД антенны: графоаналитический, метод зеркальногоизображения и метод сравнения. В данной работе используется графоаналитическийметод.

Для антенн,имеющих остронаправленные характеристики, мало отличающиеся друг от друга вдвух взаимно перпендикулярных плоскостях, выражение для расчета КНД можноприближенно записать следующим образом:

                      ,                                      (9)

где F(,)- нормированная ДН антенны.

По значению F(,)одним из графических методов находят интеграл, стоящий в знаменателе. Затемопределяют КНД антенны.

В случае, еслихарактеристика направленности имеет узкий главный (<25) и малые боковые лепестки,такая характеристика с достаточной точностью может быть аппроксимированаэллипсом. В этом случае КНД антенны может быть выражен удобной для расчетаформулой:

                                      ,                                              (10)

где  и   - ширина главного лепесткаДН по половинной мощности в плоскостях Е и Н соответственно.

Вработе исследуются директорная и рупорная антенна сантиметрового диапазона.

Директорная антенна 

Директорнаяантенна (рис.4) представляет собой линейную систему одинаково ориентированныхприблизительно полуволновых вибраторов, перпендикулярных линии их расположения,и относится к системам с осевым излучением. Директорная антенна состоит изрефлектора Р, активного электрического вибратора А и целого ряда директорныхвибраторов Д. Питание от генератора получает лишь один вибратор, которыйназывается поэтому активным. Возбуждение прочих, так называемых пассивныхвибраторов, осуществляется бегущей вдоль системы волной, источником которойявляется активный вибратор.

sitednl.narod.ru/1.zip - база сотовыхпо Петербургу

Длина активноговибратора составляет около 0,450,47. Чтобы обеспечитьотставание фазы тока в вибраторах (директорах), направляющих излучение в своюсторону, их укорачивают на 510 % посравнению с резонансной длиной. Опережение фазы тока в рефлекторе, “отражающем”излучение в сторону активного вибратора, достигается удлинением рефлектора на 35 % относительно резонанснойдлины.

Расстояниемежду вибраторами обычно несколько меньше четверти длины волны и частовыбирается порядка 0,2.

Многовибраторнаядиректорная антенна узкополосна (510 % отрабочей частоты). Для оценки направленности действия настроенной антенны пользуютсяформулами:

                                                                                                        (11)

и

                                                         град,                                        (12)

где L - длинаантенны, а коэффициенты А и В, как функции L / , представлены на рис.5.

Общийвид и основные размеры исследуемой антенны даны на рис.4 и в табл.1. Помимоактивного петлевого вибратора в ее состав входит три элемента рефлектора и пятьдиректоров. Один из элементов рефлектора прикреплен к несущей стреленепосредственно, а два крайних - посредством вспомогательных стоек. Элементырефлектора находятся примерно на поверхности параболического цилиндра, вдоль фокальнойлинии которого расположен петлевой вибратор, имеющий сложную форму для того,чтобы обеспечить хорошее согласование во всей полосе пропускаемых частот.

Всевибраторы директорной антенны изготовлены из полосок металла. Симметрирующеесогласующее устройство выполнено в виде U-колена длиной / 2. Антенна настроена начастоту 1165 МГц ( см).

Пирамидальная рупорная  антенна

Рупорнаяантенна (рис.6) состоит из рупора - отрезка волновода плавно расширяющегосясечения с открытым излучающим концом - раскрывом и устройства для питаниярупора - волновода с возбуждающим устройством.

Рупорявляется трансформатором волны, распространяющейся в волноводе, в волну другоготипа. Чаще всего он преобразует участок “плоской” волны малых размеров впоперечном сечении волновода в участок приблизительно плоской волнызначительных размеров в раскрыве рупора. Это приводит к сужению диаграммынаправленности и увеличению КНД. Кроме того, благодаря плавному изменениюволнового сопротивления вдоль рупора, обеспечивается согласование волновода сосвободным пространством. Фронт волны в пирамидальном рупоре можно считатьсферическим, а фазовую ошибку в раскрыве определить по следующей формуле:

                                            .                                       (13)

При этом

                                                       ;                                         (14)

                                                       .                                        (15)

Весьматочно КНД пирамидального рупора в децибелах по отношению к КНД абсолютно ненаправленнойантенны может быть определен с помощью выражения:

                               дБ,                    (16)

где величины  и  определяются из рис.6, а  и  - из рис.7. длина волны, накоторой снимаются ДН рупора, =3,2 см.

Методика снятия  характеристики  направленности  антенны

Исследуемаяантенна работает на прием. Она имеет возможность вращаться вокруг оси,перпендикулярной к плоскости, в которой снимается характеристиканаправленности. К выходу антенны подключен кристаллический детектор сусилителем У3-29 и ВК7-27. Так как при слабых сигналах детектор имеет квадратичнуювольтамперную характеристику, показания индикатора ВК7-27 соответствуютквадрату напряженности поля, наводимого в исследуемой антенне. В качествеисточника электромагнитных волн используется антенна, работающая на передачу.Передающая антенна в данном случае неподвижна и удалена от исследуемой антеннына расстояние   ( определяется по одной изформул: (2), (3) или (4) ).

Дляснятия характеристики направленности исследуемую антенну поворачивают нанекоторый угол и фиксируют показания связанного с ней прибора. Операциюповторяют до тех пор, пока исследуемая антенна не будет повернута на 360. По полученным даннымстроят ДН исследуемой антенны.

Экспериментальноеснятие характеристики направленности директорной и рупорной антенн осуществляетсяс помощью установки, структурная схема которой приведена на рис.8. Приисследовании директорной антенны в качестве генератора 1 применяется Г3-21, арупорной - 51И. На вход измерительного усилителя 5 при этом подаются поочередносигналы то с детектора директорной антенны, то с детектора рупорной антенны.

ПОРЯДОК  ПРОВЕДЕНИЯ  РАБОТЫ

Директорная антенна

Включениеустановки:

1)подключить детектор директорной антенны ко входу усилителя У3-29, при этомзадать максимальную чувствительность усилителя;

2)включить усилитель У3-29 в сеть тумблером “Сеть”, включить цифровой вольтметрВК7-27 в сеть и установить предел измерения 100 mВ;

3)направить исследуемую директорную антенну на передающую антенну;

4)включить генератор Г3-21 тумблером “Сеть”; спустя 1-2 минуты включить”Высокое”;переключатель рода работы поставить в положение “Манипул.”;

5)установить на шкале частот Г3-21 частоту 1165МГц и вращением ручек “Уст. уровняВЧ” и “Подстройка” добиться максимальных показаний индикатора.

Выводитьпостепенно выходной аттенюатор Г3-21 до тех пор, пока стрелка индикатора ВК7-27не отклониться на половину шкалы при его максимальной чувствительности.

Установкаготова к снятию ДН.

Измеренияи расчеты:

1)снять ДН директорной антенны в плоскости Е; измерения производить в пределах0-360 через 5 (необходимо учесть, чтопоказания индикатора ВК7-27 соответствуют квадрату напряженности поля, т.е.мощности, принимаемой антенной);

2)повернуть приемную и передающую антенны относительно оси на 90 и снять ДН исследуемой антенныв плоскости Н через 6;

3)пронормировать и вычертить ДН директорной антенны в полярной системе координат;определить ширину ДН (;) по половинной мощности вплоскостях Е и Н;

4)рассчитать значения D и  поформулам (11) и (12), подставив в них величины А, В и L (см. рис.4 и5);

5)  сравнить значения D и  полученные экспериментальнои в результате расчетов по формулам (11) и (12).

Пирамидальная рупорная  антенна

Включениеустановки:

1) подключить к усилителю У3-29 детекторрупорной антенны;

2) выключатель “Сеть” генератора Г4-32Апоставить в положение ”        “

3)после 15-минутного прогрева настроить СВЧ-генератор на излучение максимальноймощности на частоте 8830 МГц; с помощью выходного аттенюатора СВЧ-генератораустановить ослабление 1-3 дБ.

 Установкаготова к снятию ДН.

Измеренияи расчеты:

Проделатьпп.1-3, как для директорной антенны, но снимать показания через 3.

1)Подставить полученные значения углов ()и () в формулу (10). Принятьчислитель равным 34000 и определить значения D.

2)Рассчитать значения D по формуле (16), подставив значения , , ,  (см. рис. 6 и 7).

3)  Сравнить значения D, полученныеэкспериментально (п.1), и в результате расчетов по формуле (16).

Литература

1.   Казарин А.Н.,Кравченко И.Т.  “Руководство к лабораторным работам по курсу “Излучающиеустройства” -  Минск, изд. БГУ им. В.И. Ленина, 1968.

2. Фрадин А.В., Рыжков Е.В. “Измерение параметров антенно-фидерных устройств” -М., “Связь”, 1972.