Практическое ознакомление с устройством и конструкцией элементов линий передачи

1. Практически ознакомиться с устройством и конструкцией коаксиальных радиочастотных соединителей СВЧ.

2. Научиться разбирать и собирать соединители СВЧ.

3. Разобрать и собрать разъем СР-50-2700. Зарисовать его составные части.

Содержание отчета

1. Цель занятия.

2. Краткие сведения по теме.

3. Выводы по результатам выполнения данной лабораторной работы.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные элементы линий передачи.

2. Какие основные требования к разъемам?

3. От чего зависят потери СВЧ?

4. Чем обеспечивается радиогерметичность соединителя?

5. Какие частоты называют сверхвысокими?

6. Назовите ключевые факторы при выборе соединителя.

7. Назовите способы герметизации радиокомпонентов.

8. Какие способы соединения отрезков прямоугольных волноводов Вы знаете?

9. За счет чего достигается повышение предельной рабочей частоты соединителей?

10. От чего зависит согласование в коаксиальных соединителях СВЧ?

11. Чем отличается конструкция соединителей для гибких коаксиальных кабелей от соединителей для жестких коаксиальных волноводов?

12. Какой тип соединения (с контактными фланцами или дроссельно-фланцевое) более надежен в эксплуатации и почему?

13. Назовите способы заделки кабеля в соединитель.

14. Расскажите о назначении элементов разъемных соединителей.

15. Назовите характеристики и параметры разъемных соединителей.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

РАСЧЕТ Параметров антенн.

Цель работы: расчет характеристик и параметров антенн.

Общие сведения

Реальные антенны излучают в окружающее пространство в различных направлениях неодинаково. Зависимость напряженности поля, излучаемого антенной, измеренная на достаточно большом, но одинаковом расстоянии от антенны, от углов наблюдения D и j, называется характеристикой направленности. Графическое представление этой характеристики называют диаграммой направленности. Диаграммы направленности строят нормированными, для которых максимальное значение F(D;j)_max= 1.

Коэффициентом защитного действия k_защ называют отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении, к квадрату поля в направлении, противоположном главному.

В относительных единицах:

K_защ = E²₀ / E²₁₈₀ = F²(0⁰) / F²(180⁰) (1)

в децибелах:

K_защ = 20 lg [F²(0⁰) / F²(180⁰)]. (2)

На основании принципа взаимности параметры антенн в режиме приема и передачи имеют одинаковые значения.

Коэффициентом направленного действия (КНД) D в данном направлении называют отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в данном (обычно главном) направлении, к среднему (по всем направлениям) значению квадрата напряженности поля. Коэффициент направленного действия показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность излучения при замене направленной антенны ненаправленной для сохранения прежней напряженности поля в точке приема.

Эффективной или действующей площадью S_эфф приемной антенны называют эквивалентную площадь, с которой полностью поглощается энергия волны, отдаваемая в согласованную нагрузку. Эффективная площадь антенны связана с ее физической площадью раскрыва S коэффициентом использования поверхности раскрыва (КИП) v:

v = S_эфф/S (3)

Если в раскрыве поверхности поле синфазно и имеет равные амплитуды, то v=1. Для антенн с прямоугольным раскрывом, когда амплитуды поля вдоль одной из сторон раскрыва постоянны, а вдоль другой – изменяются по закону E_x = E₀ sin (px/L), v = 0,8. При наличии фазовых искажений в раскрыве КИП уменьшается.

Действующей длинной приемной антенны называют коэффициент пропорциональности между максимальной ЭДС, наведенной в антенне Э_а, и напряженностью поля в точке приема E:

Э_а = L_дЕ (4)

Сопротивлением излучения антенны R_S называют коэффициент пропорциональности, связывающий мощность излучения с квадратом тока в антенне:

R_S = Р_S/I²_а.эфф (5)

Величина тока вдоль реальных антенн изменяется, поэтому сопротивление излучения относят либо к току на входе антенны R_Sа, либо к току в пучности R_Sп. Между собой эти сопротивления связанны уравнением

R_Sа = R_Sп/sin²k_аL (6)

где k_a – волновое число для антенны;

L– длина плеча антенны.

Коэффициентом полезного действия передающей антенны h_а называют отношение излучаемой мощности P_S к подводимой P_а.

Коэффициентом усиления передающей антенны G называют отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в данном (обычно главном) направлении, к квадрату напряженности поля, созданного эталонной антенной при равенстве подводимых мощностей. Коэффициент усиления (КУ) показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность, подводимую к эталонной антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к данной антенне для сохранения прежней напряженности поля в точке приема.

Волновым сопротивлением антенны W, как и длинной линии, называют отношение напряжения к току бегущей (падающей) волны.

Шумовая температура антенны без потерь Т_а⁰ – эта температура, до которой следовало бы нагреть сопротивление, равное активной составляющей нагрузки антенны, чтобы в нем не выделилась мощность шумов, равная мощности шумов внешних источников.

Параметры антенн между собой связаны соотношениями:

D = 120 F²(D;j)_max / R_S (7)

здесь F(D;j)_max – максимальное значение ненормированной характеристики направленности:

D = 4pS_эфф / l²; (8)

D’_[Дб] = 10 lg D; (9)

S_эфф = Dl²/4p; (10)

S_эфф = 30pL²_д/R_S; (11)

(12)

(13)

h_а = R_S / (R_S + R_п) (14)

Коэффициент усиления антенн в различных частотных диапазонах определяют относительно различных эталонных антенн. В диапазонах гектометровых и километровых волн коэффициент усиления определяют относительно короткой по сравнению с длинной волны несимметричной антенны, расположенной непосредственно над идеально проводящей землей, для D_э=1,5. В этом случае

G = Dh_а/1.5 (15)

В диапазонах метровых и декаметровых волн КУ определяют относительно симметричного полуволнового вибратора:

G = Dh_а/1.64 (16)

В диапазоне СВЧ коэффициент усиления определяют относительно ненаправленного излучателя:

G = Dh_а (17)

Коэффициент усиления часто выражают в децибелах:

G’ _[Дб] = 10 lg G (18)

Волновое сопротивление линии и антенны, Ом,

W= (19)

где L₁ и C₁ – соответственно погонные индуктивность, Г/м, и емкость, Ф/м;

W = 3333/C’₁ (20)

Здесь С’₁ – погонная емкость, пФ/м (1 пФ = 10^-12 Ф).

Шумовая температура антенны с учетом КПД фидера и антенны

Т_а = [Т⁰_аh_а+Т(1-h_а)]h_ф+Т(1-h_ф) (21)

Здесь Т – температура среды, окружающей антенну и фидер, в градусах К; Т_а⁰ – шумовая температура антенны без потерь, в градусах К.

Приближенно КНД можно определить по ширине диаграммы направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

D @ 33 000 / j⁰_0,5 D⁰_0,5 (22)

где j⁰_0,5 и D⁰_0,5 – ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности (0,707 по полю) соответственно в Е - и Н- плоскостях, выраженных в градусах.

Пример 1. Антенна имеет сопротивление излучения 515 Ом, ненормированное значение множителя характеристики направленности 13,5. Определить КНД антенны.

Решение. Используя (7), имеем D = 120 F²(D;j)_max / R_S = 120*13.5²/515 = 42.5.

Пример 2. Антенна на частоте 11.5 МГц имеет эффективную площадь 890 м². Определить КНД антенны.

Решение.

Длина волны l = с / f = 3*10⁸/11.5*10⁶ = 26 м.

Коэффициент направленного действия (8)

D = 4pS / l² = 4*3.14*890/26² = 165.

Пример 3. Симметричный волновой вибратор (l = 0.5l) имеет сопротивление излучения 200 Ом, D = 2.4. Определить действующую длину антенны при работе на волне 20 м.

Решение.

Используя (12), имеем

L_д=(20/3,14) =12,7м

Пример 4. Входное сопротивление антенны 20 - i 75 Ом, сопротивление потерь 3

Ом. Определить КПД антенны.

Решение.

Используя (14), имеем

h_а = R_S / (R_S + R_п) = 20/(20+3) = 0.87.

Пример 5. Шумовая температура антенны без потерь 20 К, h_а = 0.95, h_а = 0.85. Определить шумовую температуру антенны с учетом потерь при температуре окружающей среды 27⁰ С.

Решение.