Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Діаграма спрямованості антени є графічною залежність напруженості електромагнітного поля, створеного антеною, від кутів спостереження в просторі. Щоб побудувати діаграму спрямованості (ДН), характеристики поля вимірюють на однаковому, досить великій відстані від антени.
ДН будують або в полярній системі координат, або в прямокутної (декартової), яка дозволяє більш точно зображувати вузькі ДН.
Основні значення параметрів антени в режимі прийому і передачі залишаються незмінними, отже, діаграма спрямованості антени не залежить від того, застосовується антена як передавальної або приймальної, тобто будь-яка антена є оборотною.
Ріунок 8.1 - Діаграма спрямованості антени в полярній системі координат.
На малюнку 8.1 для прикладу приведена діаграма спрямованості, побудована в полярних координатах. У цій діаграми напрямок максимального сигналу поєднане з напрямком початку відліку кутів повороту антени (), а сам максимальний сигнал прийнятий за одиницю, тобто в напрямку радіусів векторів тут відкладена не як така величина інтенсивності сигналу. а пропорційна їй величина (така діаграма спрямованості називається нормованої).
З малюнка 1 видно, що діаграма спрямованості має характерну форму пелюстки. Пелюсток, що відповідає максимальному сигналу (в даному випадку), називають головним пелюсткою діаграми спрямованості, а всі наступні - бічними пелюстками. Пелюстки, що знаходяться в діапазоні кутів від 90 0 ≤ ≤270 0 часто називають задніми. Рівнем бічних пелюсток характеризується ступінь захищеності від перешкод, створених іншими джерелами.
Антени, що застосовуються на надвисоких частотах, часто мають настільки вузькими діаграмами спрямованості, що їх графічне зображення в полярній системі координат стає скрутним. У цих випадках діаграми будують в прямокутній системі координат, відкладаючи по вертикалі. а по горизонталі - кут повороту антени. Прикладом такої діаграми служить криві 1 і 2 на малюнку 2, побудовані для тієї ж антени, що і на ріс1.
Малюнок 8.2 - Діаграма спрямованості антени в прямокутній системі координат.
У деяких випадках діаграми спрямованості будують не в відносних величинах напруги. а в відносних величинах потужності. Так як потужність пропорційна квадрату напруги, то діаграма спрямованості по потужності може бути отримана при зведенні в квадрат відповідних величин. Таким шляхом, зокрема, була побудована крива 2 на рис. 2.
Як показують досвід і розрахунок, на спрямовані властивості рупорних антен великий вплив мають як геометричні розміри і форма розкриття антени, так і характер зміни амплітуди електромагнітного поля по отвору (тип хвилі).
При заданих розмірах розкриття антени максимальна напруженість виходить при рівномірному (однорідному) розподілі в ній амплітуд електромагнітного поля.
Для випромінює отвори антени прямокутної форми діаграма спрямованості визначається формулою:
де - кут, утворений перпендикуляром до розкриву антени і заданим напрямом;
- лінійний розмір антени (в тій же площині, в якій визначається діаграма);
Спрямовані властивості антен, крім діаграми спрямованості, характеризуються ще коефіцієнтом посилення (КУ) і коефіцієнтом спрямованої дії (КНД).
Коефіцієнт спрямованої дії антени D - це число, яке показує у скільки разів потрібно збільшити потужність випромінювання абсолютно ненаправленої антени в порівнянні з потужністю спрямованої антени, щоб зберегти незмінною напруженість поля в місці прийому.
Коефіцієнт спрямованої дії не враховує втрат енергії, що підводиться в провідниках антени, в ізоляторах, в оточуючих антену предметах і в землі.
Коефіцієнт посилення антени дорівнює добутку від множення її коефіцієнта спрямованої дії на коефіцієнт корисної дії:
КУ = КНД х ККД (2)
На надвисоких частотах в якості стандартної антени найчастіше береться ізотропний випромінювач.
Коефіцієнт посилення антени, також як і діаграма спрямованості, залежить від геометричних розмірів випромінює рупора, а саме:
де - ефективна площа випромінює отвори антени;
# 955; 2 - квадрат довжини хвилі, в тих же одиницях, що і S.
Ставлення ефективної площі випромінює отвори до геометричній площі (площі розкриву рупора) називається коефіцієнтом використання поверхні (КВП) випромінює отвори або розкриття антени і позначається буквою # 947 ;.
Для рупорної антени коефіцієнт використання поверхні дорівнює 0,6-0,8. Значення КВП в рупорі, менше одиниці, обумовлено нерівномірністю амплітуд поля в площині Н і фазовими спотвореннями поля в розкриві. Для оптимального рупора КВП дорівнює 0,6. Фазові спотворення в розкриві можна скорегувати за допомогою рефлектора, в цьому випадку КВП підвищується до 0,8.
Поширення радіохвиль в однорідному вільному просторі прямолінійно і супроводжується спадання щільності потоку енергії зі збільшенням відстані r за експоненціальним законом. При проектуванні систем зв'язку дуже зручно користуватися поняттям «втрати при поширенні хвилі», розуміючи під цим відношення випромінюваної потужності до прийнятої. Коефіцієнт втрат дорівнює:
де - коефіцієнти посилення приймальні і передавальної антени.
При переході з одного середовища в іншу радіохвилі відчувають відображення і переломлення (рисунок 8.3).
Кут відбиття дорівнює куту падіння, а кут заломлення залежить від електричних властивостей середовища. Кут падіння і кут заломлення пов'язані між собою законом синусів:
де - діелектрична проникність однієї і другої середовища відповідно;
- показники заломлення однієї і другої середовища щодо повітря.
Малюнок 8.3 - Віддзеркалення і заломлення радіохвиль.
При відображенні і ламанні змінюється нахил фронту, фаза хвилі і амплітуда. Ступінь відображення радіохвиль прийнято оцінювати коефіцієнтами відображення, які показують, якій частині амплітуди напруженості падаючої хвилі відповідає амплітуда напруженості відбитої хвилі:
Ступінь відображення залежить від стану і електричних параметрів відбиває, а також від поляризації радіохвиль.
Стенд призначений для дослідження властивостей СВЧ коливань в просторі. Стенд містить передавач, який генерує електромагнітні хвилі довжиною 2.5 см, і приймач, який уловлює ці коливання і перетворює їх в ток, вимірюваний миллиамперметром. Зовнішній вигляд стенда показаний на малюнку 8.4.
Передавач складається з блоку живлення, генератора і передавальної антени. Блок живлення розташований в окремому корпусі 1. На одну з стінок корпусу виведені три перемикача і роз'єм для живлення генератора. Перший перемикач включає блок живлення. Другий - подає напругу на напругу генератора. Третій - подає напругу одночасно на резонатор і відбивач генератора.
Як генератор НВЧ коливань використовується відбивний клістрон. Відбивний клістрон є надвисокочастотний електровакуумний прилад, в якому енергія постійного струму перетворюється в енергію високочастотних коливань шляхом модуляції електронного потоку по щільності і подальшої взаємодії промодулірованной потоку з електромагнітним полем резонатора.
Малюнок 8.4 - Стенд для вивчення властивостей СВЧ коливань:
1 - блок живлення, 2 - відбивний клістрон, 3 - передавальна антена, 4 - приймальна антена, 5 - приймач коливань, 6 - міліамперметр.
Відбивний клістрон складається з наступних основних вузлів (малюнок 8.5):
- електронної гармати, яка формує електронний пучок;
- резонатора, в зазорі якого електрони взаємодіють з високочастотним полем;
- відбивача, в поле якого формується модульований по щільності електронний потік;
- виведення енергії, що є елементом зв'язку з високочастотним трактом.
Для початкової фокусування електронного потоку використовується фокусує електрод. В даному клистроне фокусує електрод гальванически з'єднаний з катодом, тобто має однаковий з ним потенціал.
На підігрівач подається змінна напруга 6,3 В.
На резонатор клістрона подається позитивна по відношенню до катода напруга 300 В.
Резонатор в центральній частині має отвори, через які електрони, що вийшли з катода, потрапляють в область між резонатором і відбивачем. Ці отвори закриті прозорими для електронів сітками, завдяки яким високочастотне поле в цій частині резонатора виявляється однорідним. Область резонатора, в якій відбувається взаємодія електронного потоку з високочастотним полем резонатора, називають високочастотним зазором резонатора.
Малюнок 8.5 - Схематичне зображення відбивної клістрона:
1 - катод; 2 - фокусує електрод; 3 - висновок енергії; 4 - резонатор; 5 - високочастотний зазор; 6 - сітка резонатора; 7 - відбивач; 8 - електронний потік; 9 - підігрівач (нитка розжарення).
На відбивач клістрона подається напруга, негативне щодо катода, величина якого 70 В. В поле відбивача електрони гальмуються і повертаються назад в зазор резонатора.
Збудження коливань в відбивної клістроне можна пояснити наступним чином. Потік електронів, прискорений постійною напругою резонатора, потрапляє в високочастотний зазор, де модулюється за швидкістю полем резонатора. Високочастотний поле резонатора протягом одного напівперіоду прискорює електрони, протягом іншого - уповільнює, а коли високочастотне поле змінює знак, електрони практично не змінюють швидкість. Промодулірованний по швидкості електронний потік потрапляє в область між резонатором і відбивачем, де модуляція електронного потоку по швидкості призводить до модуляції його по щільності - утворюються згустки електронів.
Потрапляючи в зазор резонатора, згустки електронів або віддають свою енергію полю резонатора, або отримують її від поля резонатора. Генерація в клистроне триватиме, якщо згустки електронів потрапляють в поле резонатора в момент часу, коли високочастотне поле є для них гальмуючим, і генерація зривається, коли поле в момент попадання згустків прискорює. Змінюючи час прольоту електронів в області відбивача, можна або налаштувати клістрон в режим генерації, або зірвати генерацію. Це здійснюється зміною напруги на відбивачі.
В якості приймальної і передавальної антени залежить від антени типу «пірамідальний рупор». Зовнішній вигляд антени показаний на малюнку 8.6.
Малюнок 8.6 - пірамідальний рупор.
Для кращого уявлення випромінювання і прийому саме цього типу антени розглянемо розподіл електричного і магнітного полів в антені. Структура поля в Е- і Н-площині пірамідального рупора зображена на малюнку 8.7.
Малюнок 8.7 - Структура поля в Е- і Н-площині пірамідального рупора.
Приймач (рисунок 8.4) змонтований на прямокутному хвилеводі. До одного кінця хвилеводу припаяна пірамідальна рупорна антена. З протилежного боку хвилеводу встановлена втулка, всередині якої вертикально розташований кремнієвий діод типу ДК - С7М.
Верхньої різьбленням кінець діода закріплений у втулці, а нижній його кінець входить в гніздо, ізольоване від хвилеводу. Діод має можливість вертикально переміщатися для настройки приймача. До гнізда і косинці, припаяти до волноводу, підведений екранований двожильний шнур. Вільний кінець шнура підключений до затискачів миллиамперметра.
Кінець хвилеводу закритий согласующей пробкою (металевий поршень), закріпленої зверху гвинтом. Налаштування приймача за допомогою согласующей пробки проведена виробниками стенду. Хвилевід закріплений на стійці, яка встановлена на підставці. Приймач з рупорної антеною може пересуватися на будь-яку відстань від передавача і повертатися разом з підставкою навколо горизонтальній осі.