Краткие сведения по теме. Диаграмма направленности антенны представляет собой графическую зависимость

Диаграмма направленности антенны представляет собой графическую зависимость напряженности электромагнитного поля, созданного антенной, от углов наблюдения в пространстве. Чтобы построить диаграмму направленности (ДН), характеристики поля измеряют на одинаковом, достаточно большом расстоянии от антенны.

ДН строят либо в полярной системе координат, либо в прямоугольной (декартовой), которая позволяет более точно изображать узкие ДН.

Основные значения параметров антенны в режиме приема и передачи остаются неизменными, следовательно, диаграмма направленности антенны не зависит от того, применяется антенна в качестве передающей или приемной, т.е. любая антенна является обратимой.

Риунок 8.1 - Диаграмма направленности антенны в полярной системе координат.

На рисунке 8.1 для примера приведена диаграмма направленности, построенная в полярных координатах. У этой диаграммы направление максимального сигнала совмещено с направлением начала отсчета углов поворота антенны ( ), а сам максимальный сигнал принят за единицу, то есть в направлении радиусов векторов здесь отложена не сама величина интенсивности сигнала , а пропорциональная ей величина (такая диаграмма направленности называется нормированной).

Из рисунка 1 видно, что диаграмма направленности имеет характерную форму лепестка. Лепесток, соответствующий максимальному сигналу (в данном случае ), называют главным лепестком диаграммы направленности, а все последующие – боковыми лепестками. Лепестки, находящиеся в диапазоне углов от 90⁰ ≤ ≤270⁰ часто называют задними. Уровнем боковых лепестков характеризуется степень защищенности от помех, созданных другими источниками.

Антенны, применяемые на сверхвысоких частотах, часто обладают столь узкими диаграммами направленности, что их графическое изображение в полярной системе координат становится затруднительным. В этих случаях диаграммы строят в прямоугольной системе координат, откладывая по вертикали , а по горизонтали – угол поворота антенны. Примером такой диаграммы служит кривые 1 и 2 на рисунке 2, построенные для той же антенны, что и на рис1.

Рисунок 8.2 - Диаграмма направленности антенны в прямоугольной системе координат.

В некоторых случаях диаграммы направленности строят не в относительных величинах напряжения , а в относительных величинах мощности. Так как мощность пропорциональна квадрату напряжения, то диаграмма направленности по мощности может быть получена при возведении в квадрат соответствующих величин . Таким путем, в частности, была построена кривая 2 на рис. 2.

Как показывают опыт и расчет, на направленные свойства рупорных антенн большое влияние оказывают как геометрические размеры и форма раскрыва антенны, так и характер изменения амплитуды электромагнитного поля по отверстию (тип волны).

При заданных размерах раскрыва антенны максимальная напряженность получается при равномерном (однородном) распределении в ней амплитуд электромагнитного поля.

Для излучающего отверстия антенны прямоугольной формы диаграмма направленности определяется формулой:

(1)

где - угол, образованный перпендикуляром к раскрыву антенны и заданным направлением;

- линейный размер антенны (в той же плоскости, в которой определяется диаграмма);

- длина волны.

Направленные свойства антенн, помимо диаграммы направленности, характеризуются еще коэффициентом усиления (КУ) и коэффициентом направленного действия (КНД).

Коэффициент направленного действия антенны D – это число, показывающее во сколько раз нужно увеличить мощность излучения абсолютно ненаправленной антенны по сравнению с мощностью направленной антенны, чтобы сохранить неизменной напряженность поля в месте приема.

Коэффициент направленного действия не учитывает потерь подводимой энергии в проводниках антенны, в изоляторах, в окружающих антенну предметах и в земле.

Коэффициент усиления антенны равен произведению от умножения ее коэффициента направленного действия на коэффициент полезного действия:

КУ = КНД х КПД (2)

На сверхвысоких частотах в качестве стандартной антенны чаще всего берется изотропный излучатель.

Коэффициент усиления антенны, также как и диаграмма направленности, зависит от геометрических размеров излучающего рупора, а именно:

(3)

где - эффективная площадь излучающего отверстия антенны;

λ² – квадрат длины волны, в тех же единицах, что и S.

Отношение эффективной площади излучающего отверстия к геометрической площади (площади раскрыва рупора) называется коэффициентом использования поверхности (КИП) излучающего отверстия или раскрыва антенны и обозначается буквой γ.

(4)

Для рупорной антенны коэффициент использования поверхности равен 0,6-0,8. Значение КИП в рупоре, меньшее единицы, обусловлено неравномерностью амплитуд поля в плоскости Н и фазовыми искажениями поля в раскрыве. Для оптимального рупора КИП равен 0,6. Фазовые искажения в раскрыве можно скорректировать посредством рефлектора, в этом случае КИП повышается до 0,8.

Распространение радиоволн в однородном свободном пространстве прямолинейно и сопровождается убыванием плотности потока энергии с увеличением расстояния r по экспоненциальному закону. При проектировании систем связи очень удобно пользоваться понятием «потери при распространении волны», понимая под этим отношение излучаемой мощности к принимаемой. Коэффициент потерь равен:

(5)

где - коэффициенты усиления приемной и передающей антенны.

При переходе из одной среды в другую радиоволны испытывают отражение и преломление (рисунок 8.3).

Угол отражения равен углу падения, а угол преломления зависит от электрических свойств среды. Угол падения и угол преломления связаны между собой законом синусов:

(6)

где - диэлектрическая проницаемость одной и второй среды соответственно;

- показатели преломления одной и второй среды относительно воздуха.

Рисунок 8.3 - Отражение и преломление радиоволн.

При отражении и преломлении изменяется наклон фронта, фаза волны и амплитуда. Степень отражения радиоволн принято оценивать коэффициентами отражения, показывающими, какой части амплитуды напряженности падающей волны соответствует амплитуда напряженности отраженной волны:

(7)

Степень отражения зависит от состояния и электрических параметров отражающей поверхности, а также от поляризации радиоволн.

Описание стенда

Стенд предназначен для исследования свойств СВЧ колебаний в пространстве. Стенд содержит передатчик, который генерирует электромагнитные волны длиной 2.5 см, и приемник, который улавливает эти колебания и преобразует их в ток, измеряемый миллиамперметром. Внешний вид стенда показан на рисунке 8.4.

Передатчик состоит из блока питания, генератора и передающей антенны. Блок питания расположен в отдельном корпусе 1. На одну из стенок корпуса выведены три переключателя и разъем для питания генератора. Первый переключатель включает блок питания. Второй - подает напряжение на накал генератора. Третий - подает напряжение одновременно на резонатор и отражатель генератора.

В качестве генератора СВЧ колебаний используется отражательный клистрон. Отражательный клистрон представляет собой сверхвысокочастотный электровакуумный прибор, в котором энергия постоянного тока превращается в энергию высокочастотных колебаний путем модуляции электронного потока по плотности и последующего взаимодействия промодулированного потока с электромагнитным полем резонатора.

Рисунок 8.4 - Стенд для изучения свойств СВЧ колебаний:

1 – блок питания, 2 – отражательный клистрон, 3 – передающая антенна, 4 – приемная антенна, 5 – приемник колебаний, 6 – миллиамперметр.

Отражательный клистрон состоит из следующих основных узлов (рисунок 8.5):

- электронной пушки, формирующей электронный пучок;

- резонатора, в зазоре которого электроны взаимодействуют с высокочастотным полем;

- отражателя, в поле которого формируется модулированный по плотности электронный поток;

- вывода энергии, являющегося элементом связи с высокочастотным трактом.

Для начальной фокусировки электронного потока используется фокусирующий электрод. В данном клистроне фокусирующий электрод гальванически соединен с катодом, то есть имеет одинаковый с ним потенциал.

На подогреватель подается переменное напряжение 6,3 В.

На резонатор клистрона подается положительное по отношению к катоду напряжение 300 В.

Резонатор в центральной части имеет отверстия, через которые электроны, вышедшие из катода, попадают в область между резонатором и отражателем. Эти отверстия закрыты прозрачными для электронов сетками, благодаря которым высокочастотное поле в этой части резонатора оказывается однородным. Область резонатора, в которой происходит взаимодействие электронного потока с высокочастотным полем резонатора, называют высокочастотным зазором резонатора.

Рисунок 8.5 - Схематическое изображение отражательного клистрона:

1 – катод; 2 – фокусирующий электрод; 3 – вывод энергии; 4 - резонатор; 5 – высокочастотный зазор; 6 – сетка резонатора; 7 - отражатель; 8 – электронный поток; 9 – подогреватель (нить накала).

На отражатель клистрона подается напряжение, отрицательное относительно катода, величина которого 70 В. В поле отражателя электроны тормозятся и возвращаются обратно в зазор резонатора.

Возбуждение колебаний в отражательном клистроне можно объяснить следующим образом. Поток электронов, ускоренный постоянным напряжением резонатора, попадает в высокочастотный зазор, где модулируется по скорости полем резонатора. Высокочастотное поле резонатора в течение одного полупериода ускоряет электроны, в течение другого – замедляет, а когда высокочастотное поле меняет знак, электроны практически не меняют скорость. Промодулированный по скорости электронный поток попадает в область между резонатором и отражателем, где модуляция электронного потока по скорости приводит к модуляции его по плотности – образуются сгустки электронов.

Попадая в зазор резонатора, сгустки электронов или отдают свою энергию полю резонатора, или получают ее от поля резонатора. Генерация в клистроне будет продолжаться, если сгустки электронов попадают в поле резонатора в момент времени, когда высокочастотное поле является для них тормозящим, и генерация срывается, когда поле в момент попадания сгустков ускоряющее. Изменяя время пролета электронов в области отражателя, можно либо настроить клистрон в режим генерации, либо сорвать генерацию. Это осуществляется изменением напряжения на отражателе.

В качестве приемной и передающей антенны используется антенна типа «пирамидальный рупор». Внешний вид антенны показан на рисунке 8.6.

Рисунок 8.6 - Пирамидальный рупор.

Для лучшего представления излучения и приема именно этого типа антенны рассмотрим распределение электрического и магнитного полей в антенне. Структура поля в Е- и Н- плоскости пирамидального рупора изображена на рисунке 8.7.

Рисунок 8.7 - Структура поля в Е- и Н- плоскости пирамидального рупора.

Приемник (рисунок 8.4) смонтирован на прямоугольном волноводе. К одному концу волновода припаяна пирамидальная рупорная антенна. На другом конце волновода установлена втулка, внутри которой вертикально расположен кремниевый диод типа ДК – С7М.

Верхней резьбой конец диода закреплен во втулке, а нижний его конец входит в гнездо, изолированное от волновода. Диод имеет возможность вертикально перемещаться для настройки приемника. К гнезду и угольнику, припаянному к волноводу, подведен экранированный одножильный шнур. Свободный конец шнура подключен к зажимам миллиамперметра.

Конец волновода закрыт согласующей пробкой (металлический поршень), закрепленной сверху винтом. Настройка приемника с помощью согласующей пробки произведена изготовителями стенда. Волновод закреплен на стойке, которая установлена на подставке. Приемник с рупорной антенной может передвигаться на любое расстояние от передатчика и поворачиваться вместе с подставкой вокруг горизонтальной оси.