Исследование параболической антенны. Вибраторный облучатель с волноводным питанием. Зеркало в виде параболоида вращения

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

Исследование параболической антенны

    1.Цель работы: ознакомление с теорией и излучающими свойствами параболических антенн (ПА). Измерение диаграммы направленности и основных параметров, сравнение экспериментальных данных с расчетными.

2. Основные теоретические положения

Параболические (зеркальные) антенны относятся к классу апертурных антенн. Они состоят из отражающего зеркала (в виде параболоида вращения, усеченного параболоида, параболического цилиндра) и облучателя, установленного в фокусе параболы (Рис. 7. 1).

Тип облучателя и фидера определяется частотным диапазоном антенны. При питании ПА коаксиальным фидером в качестве облучателя применяют спираль, полуволновой вибратор с настроенным контрефлектором или с апериодическим рефлектором. При волноводном питании облучатели выполняют рупорными, вибраторными и щелевыми.

Анализ излучающих свойств параболической антенны сводится к решению двух задач: внутренней и внешней.

Решение внутренней задачи предусматривает определение поля в раскрыве зеркала, т. е. распределение поля по амплитуде и по фазе в апертуре антенн. Фазовое распределение поля очевидно, так как  по законам геометрической оптики параболическая поверхность трансформирует сферический фронт волны облучателя в плоский фронт отраженной волны, то есть поле в раскрыве ПА можно считать синфазным.

Распределение поля по амплитуде определяется формой зеркала (величиной отношения ) и диаграммой направленности облучателя. Если предположить, что зеркало относительно облучателя находится в дальней зоне и что плоская волна при распространении от зеркала до раскрыва не затухает, то амплитудное распределение поля по раскрыву будет определяться формулой:

,                                   (7.1)

где - нормированная характеристика направленности облучателя; - амплитуда напряженности поля в центре апертуры.

К краям зеркала амплитуда поля уменьшается, что приводит к уменьшению коэффициента использования поверхности раскрыва зеркала (КИП) и коэффициента направленного действия антенны:

.                                           (7.2)

При инженерных расчетах обычно истинное распределение поля по раскрыву аппроксимируется такой функцией, для которой известна формула для расчета ДН. Часто используется аппроксимирующая функция вида:

      ,                             (7.3)

где - напряженность поля на краю раскрыва.

Если не указаны дополнительные требования к ДН и уровню боковых лепестков, то допустимое снижение поля на краях зеркала относительно центра берется равным -10 дБ. Последнее определяет величину : 0,316 по напряженности поля и 0,1 - по мощности. При этом достигается определенный компромисс между величиной КИП и уровнем «переливания» энергии облучателя за края зеркала.

Решение внешней задачи сводится к сложению излучений от каждого из элементов плоского волнового фронта (элементов Гюйгенса) с учетом распределения поля по раскрыву, то есть к интегрированию по S функции (7.1). При использовании аппроксимирующей функции (7.3) результат интегрирования, то есть характеристика направленности, имеет вид:

,                          (7.4)

где - функции Бесселя первого рода первого и второго порядка:

;      - для вертикальной и горизонтальной плоскости.

Ширина диаграммы направленности при =0,316 определяется выражением:

.                                           (7.5)

Уровень боковых лепестков 22 дБ, КИП 0,85.

Если ДН облучателя не осесимметрична, то уровень  на краях зеркала в разных плоскостях не будет одинаковым и, следовательно, ширина диаграммы направленности ПА в вертикальной и горизонтальной плоскостях будет различной.

3. Описание экспериментальной установки

Блок- схема установки приведена на рис. 5.5 лабораторной работы №5.

В качестве приемной антенны исследуется параболическая антенна (параболоид вращения). Зеркало короткофокусное, диаметр 150 мм. Облучатель вибраторный с волноводным питанием, тип волновода МЭК 100. В поверхности зеркала имеются вырезы, равные эффективной поверхности облучателя для устранения реакции зеркала на облучатель. Края зеркала соединены с цилиндрической насадкой (блендой) для устранения токов, затекающих на внешнюю поверхность зеркала.

Длина волны генератора равна 3,2 см.

4. Предварительное расчетное задание

1.  Посчитать ширину диаграммы направленности исследуемой антенны в горизонтальной плоскости по формуле (7.5). В вертикальной плоскости с учетом направленных свойств полуволнового вибратора и короткофокусного зеркала коэффициент использования поверхности уменьшится до 0,45, поле на краях раскрыва зеркала уменьшится до нуля (0), и ширину диаграммы направленности можно посчитать по формуле (7.6).

.                                        (7.6)

2.  Посчитать КНД ПА с помощью выражения  (7.2), взяв КИП  0.6.

5. Задание и порядок выполнения работы

1.  Снять характеристику детектора, использовав поляризационные свойства рупорной антенны (см. лабораторную работу №5).

2.  Снять ДН параболической антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Построить ДН в полярной системе координат с учетом характеристики детектора. Определить ширину ДН. Сравнить экспериментальные и расчетные данные.

3.  Написать отчет о проделанной работе.

6. Контрольные вопросы

1.  Какую излучающую поверхность в теории антенн называют идеальной? Чем апертура зеркальной антенны отличается от идеальной?

2.  Чем определяется распределение поля по амплитуде в раскрыве ПА?

3.  Как излучает полуволновой вибратор в E и H плоскостях?

4.  Сравните качественно ДН зеркальной антенны при различных скачках поля на краю зеркала (например, =0,2 и =0,8).

7. Литература

Кочержевский Г. Н. Антенно - фидерные устройства, М.: Связь, 1983. С. 170;  274- 296