Лабораторная работа 9 изучение свойств рупорных и линзовых антенн
Под термином антенна понимается пассивное устройство, предназначенное для излучения и приёма радиоволн. Т. е. антенна преобразует электрический ток радиочастотного диапазона в электромагнитное излучение и наоборот. Форма, размеры и конструкция антенн разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения антенны. В СВЧ диапазоне наибольшее распространение получили антенны, выполненные в виде отражающих зеркал различной конфигурации, металлических рупоров, металлических волноводов с системой прорезанных щелей и диэлектрических волноводов.
Работа любой антенны полностью описывается совокупностью направленных, поляризационных, фазовых характеристик и входными электрическими параметрами. К основным характеристикам и параметрам антенны относятся:
полоса пропускания
входной импеданс и коэффициент стоячей волны
коэффициент направленного действия антенны
коэффициент усиления антенны
коэффициент полезного действия антенны
эквивалентная изотропно излучаемая мощность
диаграмма направленности
поляризационная диаграмма
фазовая диаграмма
уровень боковых лепестков
шумовая температура антенны
В случае, когда антенна не содержит невзаимных элементов (например, ферритовых циркуляторов), антенна представляет собой обратимое устройство, т. е. ее характеристики при приеме и передаче полностью совпадают.
Эффективность работы антенны характеризуется двумя основными параметрами – коэффициентом направленного действия (направленностью) D и коэффициентом полезного действия η. Направленность D определяется как отношение квадрата величины напряженности поля, создаваемого антенной в направлении максимального излучения, к среднему (в полном телесном угле) значению квадрата напряженности поля. Коэффициент полезного действия η находится как отношение всей мощности излучения к полной мощности, подводимой к антенне. Произведение этих двух коэффициентов дает новый параметр, называемый коэффициентом усиления антенны kу = D η. Коэффициент усиления характеризует действительный выигрыш в мощности, получаемый в результате использования направленной антенны, по сравнению с изотропной антенной без потерь.
Наиболее полную картину направленных
свойств антенны можно получить из
диаграммы направленности. Под диаграммой
направленности антенны
,
как правило, подразумевается угловое
распределение нормированной плотности
мощности излучения в дальней зоне. На
практике, очень часто, пространственное
изображение функции
является сложным и трудным для построения.
Поэтому о форме пространственной
диаграммы направленности обычно судят
по ее сечениям в выбранных плоскостях.
Для построения сечений диаграммы направленности используют полярные или декартовые координаты. В качестве примера на рис. 1 приведена диаграмма направленности в одном из сечений, построенная в полярных (рис. 1а) и декартовых (рис. 1а) координатах.
а) б)
Рис. 1
По форме диаграммы направленности антенны обычно подразделяются на широконаправленные и узконаправленные. Широконаправленные антенны имеют хотя бы в одной плоскости диаграмму направленности с формой близкой к кругу. Это означает, что излучение таких антенн в некоторой плоскости может быть изотропным. Благодаря этим качествам широконаправленные антенны нашли наибольшее применение в радиовещании.
На диаграмме направленности узконаправленной антенны имеется один ярко выраженный максимум, который называют основным лепестком, и несколько побочных максимумов (боковые лепестки). Основное назначение узконаправленных антенн это концентрация мощности излучения в одном заданном направлении. Заметим, что наличие боковых лепестков свидетельствует о том, что часть мощности подводимой к антенне излучается в других направлениях (не совпадающих с заданным). Таким образом, при прочих равных условиях, применение более узконаправленных антенн позволяет, например, увеличить дальность действия радиоаппаратуры. Еще одно важное применение узконаправленных антенн – это радиолокация. В этом случае применение более узконаправленных антенн позволяет повысить точность угловых измерений.
Помимо коэффициента направленного действия направленные свойства антенны оценивают также углом раствора основного лепестка на диаграмме направленности. Этот угол называют шириной луча в соответствующей плоскости и определяют по уровню половинной мощности (уровень -3дБ) относительно главного максимума излучения (см. рис. 1).
В данной работе исследуются свойства рупорной (см. рис. 2) и линзовой (см. рис. 3) антенн. В основе этих антенн лежит рупор, имеющий пирамидальную форму и в основании которого лежит квадрат (рис. 4).
Рис. 2 Рис .3
Рис .4
Коэффициент направленного действия антенны D с таким рупором может быть рассчитан по формуле
,
(1)
где
–
интегралы Френеля,
а
.
В этих формулах a – сторона раскрыва рупора; R длина рупора; λ длина волны в свободном пространстве.
Фаза электрического и магнитного полей в плоскости раскрыва рупора имеет неравномерное распределение. Так, например, в случае, когда в подводящем энергию волноводе возбуждена основная волна H10, поле в плоскости раскрыва рупора имеет вид
. (2)
Диаграммные свойства рупора можно несколько улучшить, если выровнять фазу в плоскости раскрыва. Для этой цели используются линзы, которые обычно делятся на два класса: ускоряющие (с показателем преломления n < 1) и замедляющие (n > 1). В первом случае фазовая скорость волны в линзе больше скорости света в пустом пространстве, а во втором – меньше. Если одна из сторон линзы плоская (рис. 5), то поверхность второй описывается в полярных координатах уравнением
(3)
где F – фокусное расстояние линзы, ρ и – полярные координаты. При n < 1 линза вогнута и ее поверхность является эллипсоидом вращения; при n > 1 линза имеет выпуклую поверхность, представляющую гиперболоид вращения.
Исследуемая в данной работе линза является ускоряющей (т. е. характеризуется значением n < 1).
Рис. 5
Конструктивно она состоит из параллельных металлических пластин, расположенных на некотором расстоянии b друг от друга. Это расстояние связано с показателем преломления линзы следующим образом:
(4)
Для того чтобы значения n лежали в пределах 0 < n < 1, надо величину b ограничить следующим неравенством:
. (5)
Однако, чтобы исключить возможность появления в линзе других типов волн (в частности, H20 и т. д.), на величину b следует наложить более жесткое ограничение:
5)
и соответственно 0 < n < 0,86.