Антенны бегущей волны

Целью работы является изучение свойств линейных антенн с замедленной фазовой скоростью возбуждающего поля или тока. Сюда относятся диэлектрические, ребристо-стержневые, спиральные антенны. Основные параметры этих антенн на инженерном уровне могут быть определены с использованием единой математической модели - линейной излучающей системы с непрерывным или дискретным распределением тока.

Распределение возбуждающего тока описывается законом бегущей волны (амплитуда постоянна, фаза меняется по линейному закону). Поэтому и привилось название - антенны бегущей волны (АБВ).

Принадлежность рассматриваемых антенн к одному классу определяет ряд общих закономерностей. В связи с этим направленные свойства АБВ при изменении их длины изучаются на примере диэлектрической антенны, влияние коэффициента замедления - при рассмотрении ребристо-стержневой, а поляризационные свойства - сравнением поляризационных диаграмм спиральной антенны в режиме осевого и конического излучения.

4.1. Описание макетов антенн и методики экспериментов

Главное различие изучаемых в работе антенн заключается в том, что они выполнены на базе различных антенных волноводов, а именно: диэлектрического, спирального и импедансной структуры. Конструктивные возможности этих волноводов позволяют выполнять АБВ в диапазоне волн от нескольких метров до сантиметров.

Диэлектрическая антенна, изучаемая в данной работе, представляет собой диэлектрический стержень круглого сечения, возбуждаемый с одного конца круглым волноводом с волной (рис. 4.1, а). Коническая форма правого конца стержня обеспечивает высокий КБВ в линии, питающей волновод. Конструкция цилиндрической антенны позволяет изменять ее длину путем смены диэлектрических стержней , вставляемых в секцию круглого волновода с возбуждающим штырем. В отличие от цилиндрической, коническая диэлектрическая антенна является неразборной (рис. 4.1, б).

Рис. 4.1. Антенны бегущей волны: а - диэлектрическая при d=const; б - диэлектрическая при d¹const; в - ребристо-стержневаяж; г - спиральная; д - рупорная

Ребристо-стержневая антенна состоит из возбудителя и направляющей структуры, образованной радиальными пазами на металлическом стержне (рис. 4.1, в). Возбудитель аналогичен возбудителю диэлектрической антенны. Конструкция его позволяет устанавливать сменные стержни, отличающиеся глубиной пазов, т.е. фазовой скоростью поверхностной волны, распространяющейся вдоль стержня. Заметим, что поверхностные волны характеризуются экспоненциальным убыванием поля в радиальном направлении и связанной с этим концентрацией электромагнитной энергии вблизи направляющей структуры. И диэлектрическая, и ребристо- стержневая антенны создают в дальней зоне поле линейной поляризации. Она определяется положением возбуждающего штыря в круглом волноводе.

Спиральная антенна образована проволочной спиралью, которая уложена в пазы на каркасе из пенистого полистирола. Возбуждается антенна коаксиальной линией. Внутренний проводник ее подсоединяется к началу спирали, а наружный - к металлическому диску, играющему роль экрана (рис.4.1, в).

В зависимости от соотношения диаметра витка спирали и длины волны различают три режима работы спиральной антенны: ненаправленное, осевое и коническое излучение (рис. 4.2) [2. С. 395]. В первом случае диаметр должен быть много меньше длины волны и не может быть реализован в трехсантиметровом диапазоне волн. Второму и третьему режимам соответствуют макеты с диаметром спирали: D₁=8 мм; D₂=18 мм. Для прочности спираль диаметром D₁=8 мм помещена внутри конусообразного корпуса из полистирола.

Рис. 4.2. Режимы излучения спиральной антенны

При проведении эксперимента антенны устанавливаются на стойке с помощью коаксиального байонетного разъема. Использование такого разъема позволяет одновременно с креплением антенны устанавливать одинаковое начальное положение геометрической оси антенны (q=0⁰; j=0⁰). Детекторная секция смонтирована внутри стойки, которая крепится на поворотном столе.

4.2. Сводка расчетных формул

Диаграммы направленности диэлектрической и ребристо-стержневой антенн могут быть рассчитаны в соответствии с методикой, изложенной в [2, § 6.2], когда рассматриваемые антенны представляют как непрерывные системы излучателей:

, , (4.1)

где L - длина антенны; k=2p/l - волновое число свободного пространства; x - коэффициент замедления, определяемый по графикам [2, рис. 4.2] (более точные графики имеются на кафедре); q - угол, отсчитываемый от оси антенны.

Спиральная антенна принадлежит к линейным антенным решеткам с множителем комбинирования

, (4.2)

где N - число витков спирали; S - шаг спирали (расстояние между витками вдоль оси антенны). Остальные обозначения пояснены выше.

Из выражений (4.1) и (4.2) следует, что направленные свойства антенн бегущей волны определяются электрической длиной антенны или NkS, а также величиной коэффициента замедления x. При определенных условиях максимум излучения совпадает с осью антенн (режим осевого излучения, рис. 4.1, а). Изучению этого режима АБВ в работе уделяется особое внимание. Он имеет место в тех случаях, когда фазовая скорость возбуждающего поля или тока меньше или равна скорости света (коэффициент замедления x≥1).

Рис. 4.3. Коэффициент x для гибридной волны

Увеличение длины антенны L при x=const или увеличение коэффициента замедления x при постоянной длине антенны приводит к сужению основного лепестка ДН и одновременному росту уровня боковых. Известно, что сужение главного лепестка ДН вызывает рост КНД в главной направленности, тогда как рассеяние электромагнитной энергии по боковым лепесткам уменьшает его. Очевидно, существует оптимальное соотношение между длиной антенны и коэффициентом замедления, при котором в главном направлении получается максимум КНД. При этом граница зоны видимости, соответствующая условию q=0, совпадает с y=-p/2. Иначе говоря,

. (4.3)

Это условие можно выполнить, варьируя величину коэффициента замедления x при L=const:

(4.4)

или изменяя длину антенны при x=const:

. (4.5)

При выполнении условия оптимальности линейной антенны с замедленной фазовой скоростью в виде (4.4) или (4.5) коэффициент направленного действия по главному направлению может быть определен по приближенной формуле

. (4.6)

4.3. Расчетное задание

1. Рассчитать и построить в декартовой системе координат нормированные диаграммы направленности диэлектрической антенны. Параметры антенны: D=15 мм; l=3,2 мм; e=2,5; L₁=60 мм; L₂=100 мм; L₃=120 мм; L₄=150 мм.

Указание. Этот пункт задания рекомендуется выполнять в такой последовательности. Сначала строится множитель направленности системы siny/y в зависимости от обобщенной координаты y. Определяется область видимости. По множителю направленности графически производится построение диаграммы направленности f(q). Определяется положение первого и второго нулей ДН. Вычисляется относительный уровень первого бокового лепестка. В пределах главного лепестка в зависимости от его ширины вычисляются f(q) для 2- 4 промежуточных значений угла наблюдения q и e. Нормированная характеристика излучения строится в пределах главного и первого бокового лепестков.

2. Определить оптимальную длину диэлектрической антенны заданного параметра и вычислить соответствующее значение КНД.

3. Рассчитать и построить в декартовой системе координат нормированные ДН ребристо-стержневой антенны для следующих значений коэффициента замедления: x=1,01; x=1,05; x=1,1; x=1,01; L=100 мм; l=3,2 см. При расчете ДН использовать указание к п. 1 расчетного задания.

4. Вычислить при заданной длине ребристо-стержневой антенны оптимальное значение коэффициента замедления x. Определить соответствующее значение КНД.

При подготовке к работе каждый студент по указанию преподавателя рассчитывает одну ДН в соответствии с графиком, имеющимся в лаборатории. Пункты 1 и 4 задания выполняются всеми студентами.

4.4. Экспериментальная часть

Требования к технике безопасности при работе на стенде:

а) к работе на стенде допускаются лица, ознакомившиеся с программой проводимых работ и прошедшие общий инструктаж по технике безопасности в лаборатории кафедры АУ и РРВ;

б) для исключения возможности СВЧ облучения смотровая дверка безэховой камеры имеет блокировку анодного напряжения генераторов. Категорически запрещается дотрагиваться до кнопок блокировки;

в) при любой возникшей неисправности в стенде немедленно обращаться к дежурному лаборанту либо преподавателю. Категорически запрещается пытаться самостоятельно исправлять возникшие дефекты.

Задание к экспериментальной части

1. Снять и построить ДН четырех диэлектрических антенн разной длины. ДН снимаются по точкам (через 2⁰ по шкале поворотного стола) в пределах главного и первых боковых лепестков по обе стороны от него. Результаты эксперимента после нормировки наносятся на тот же график, что и расчетные кривые.

2. Измерить КНД четырех диэлектрических антенн разной длины в главном направлении. Для измерения КНД используется метод сравнения (замещения). Он заключается в сравнении КНД исследуемых антенн с коэффициентом направленного действия эталонной антенны, в качестве которой используется рупорная антенна с коэффициентом направленного действия D_э=32. Исследуемая и эталонная антенны поочередно устанавливаются на стойку крепления антенн и замечаются показания прибора на индикаторе a и a_э соответственно. При квадратичной характеристике детектора КНД исследуемой антенны вычисляется по формуле . Указания: измерения КНД необходимо производить при неизменном коэффициенте усиления измерительного усилителя; показания прибора индикатора a и a_э должны соответствовать максимальным значениям, т. е. определению КНД в главном направлении.

3. Снять и построить ДН конической антенны, имеющей диаметр D_ср=15 мм; L=120 мм. Сравнить эту ДН с диаграммой направленности цилиндрической антенны, имеющей ту же длину и D=15 мм.

4. Снять и построить ДН трех ребристо-стержневых антенн с разным значением коэффициента замедления x (см. рекомен-дации к п. 1).

5. Измерить КНД в главном направлении ребристо-стержневых антенн с разным значением коэффициента замедления (см. рекомендации к п. 2 задания).

6. Снять ДН спиральных антенн разного диаметра. На каждом рисунке отметить направление геометрической оси антенны. ДН спиральной антенны в режиме осевого излучения снимается для двух типов поляризации. Изменение поляризации производится поворотом на 90⁰ передающей антенны.

7. Снять поляризационные диаграммы спиральных антенн в главном направлении.

Объем экспериментальной части работы определяется для каждой бригады преподавателем.

4.5. Контрольные вопросы

1. Изобразите распределение амплитуды и фазы поля вдоль диэлектрической антенны.

2. От чего зависит амплитуда отраженной волны в диэлектрическом стержне?

3. Как влияет изменение длины диэлектрической и ребристо-стержневой антенны на ее ДН?

4. Что такое оптимальная длина АБВ? Из какого условия устанавливается ее величина?

5. Как влияет на ДН диэлектрической антенны изменение её диаметра?

6. Как зависит КНД диэлектрической или ребристо-стержневой антенны от ее длины?

7. Как зависит КНД диэлектрической антенны от её диаметра, от диэлектрической проницаемости стержня?

8. Как выглядит условие получения максимума КНД в главном направлении для спиральной антенны?

9. Почему и при каких условиях спиральная антенна вдоль своей оси создает поле круговой поляризации?

10. Изобразите качественно поляризационную диаграмму спиральной антенны для направления q=60⁰, j=0⁰.

11. Изобразите качественно ДН диэлектрической антенны постоянной длины и диаметра для трех значений e.

12. Построить качественно ДН диэлектрической антенны L₁=2l и L₂=4l, если x=1,03; x=1,05; x=1,1.

Список рекомендуемой литературы

1. Дупленков Д. А. и др. Теория излучения антенн: учеб. пособие / Д. А. Дупленков. - М.: Моск. энерг. ин-т, 1979. - С. 73-81, 82-86.

2. Марков Г.Т. Антенны / Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов. - М.: Энергия, 1975. - С.28, 384-398, 415, 131-139, 146-148, 201-216, 237-246.