5. Лабораторные задания и методические указания по их выполнению

5.1. Измерить КУ пирамидальной рупорной антенны с размерами раскрыва a_x×b_x =18×14 см² в полосе частот 8-10 ГГц с шагом 0,5 ГГц по методикам, изложенным в п.п. 3.3. и 3.4. Результаты измерений и расчетные значения КУ (в дБ) занести в таблицу. Для расчетов КУ эталонной и исследуемой антенн использовать формулу (3.2). Коэффициенты использования поверхностей обеих антенн принять равными ν=0,5, так как оба рупора являются оптимальными; η=1.

5.2. Сделать выводы по полученным результатам: объяснить возможные причины расхождения измеренных и рассчитанных значений КУ, а также поведение зависимости КУ от частоты.

6. Контрольные вопросы для самоподготовки и защиты лабораторной работы

6.1. Дать определение КНД антенны.

6.2. Дать определение КУ антенны и пояснить различие между КУ и КНД.

6.3. Записать и пояснить формулу для расчета КУ апертурных антенн.

6.4. Изобразить функциональную схему установки для измерения КУ антенны.

6.5. Рассказать о процедуре измерения КУ путем сравнения мощностей.

6.6. Рассказать о процедуре измерения КУ с использованием аттенюатора.

6.7. Уметь объяснить результаты лабораторной работы.

7. Список рекомендуемой литературы

1. Климов А.И. Антенно-фидерные устройства: учеб. пособие. – Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2012. – 260 с.

2. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебник для вузов/ Г.А. Ерохин, О.В. Чернышев, Н.Д. Козырев, В.Г. Кочержевский; Под. ред. Г.А. Ерохина.– М.: Горячая линия-Телеком, 2004. – 491 с.: ил.

Лабораторная работа № 3 Исследование приемной индукционной магнитной антенны нч диапазона

1. Цели работы

1.1. Изучение принципа действия и основных электрических характеристик электрически малых рамочных антенн и индукционных магнитных антенн, ознакомление с областями их применения

1.2. Ознакомление с особенностями экспериментальных исследований магнитных антенн

1.3. Экспериментальное исследование электрических характеристик приемной магнитной антенны НЧ диапазона

2. Домашнее задание

Повторить теорию излучения элементарных источников и определения электрических параметров и характеристик антенн, используя конспекты лекций и литературу [1].

i

3. Основные теоретические сведения

Индукционные магнитные антенны (МА) являются разновидностью антенн в виде электрически малых (элементарных) рамок. Элементарной называется рамка в виде витка электрического провода, если радиус витка r«λ, а площадь S«λ² (рис. 1). При этом условии можно считать, что ток по всей длине витка имеет постоянную амплитуду и фазу.

Рассмотрим свойства элементарной рамки в режиме приема. Пусть на вертикально расположенную в плоскости XOZ рамку с горизонтального направления под углом α падает плоская поперечная вертикально поляризованная электромагнитная волна (α — угол между направлением вектора Пойнтинга П волны и нормалью n к плоскости рамки), напряженность магнитного поля которой изменяется во времени по гармоническому закону с круговой частотой ω и характеризуется амплитудой H_m:

Н(t)=Н_msinωt.

Вектор напряженности магнитного поля Н образует с нормалью n к плоскости рамки угол φ=90°−α, длина его проекции Н_n на направление нормали H_n=Hcosφ, тогда

H_n(t)=H(t)cosφ= H_m·sinωt·cosφ. (1)

Рис. 1. Элементарная рамка в режиме приема

Мгновенное значение электродвижущей силы (ЭДС) в рамке в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея определяется выражением

Э(t)=−dФ(t)/dt, (2)

где Ф(t)=B_n(t)S=B(t)cosφ·S — магнитный поток, пронизывающий плоскость рамки; в случае рамки из N витков магнитный поток

Ф_N(t)=B_n(t)SN, (3)

где B_n(t)=_аH_n(t)=_аН_msinωt·cosφ — значение нормальной к плоскости рамки компоненты вектора магнитной индукции В; μ_а=μ₀ — абсолютная магнитная проницаемость, равная произведению относительной магнитной проницаемости μ среды, в которой находится рамка и магнитной проницаемости вакуума μ₀=4·10⁻⁷ Гн/м (для немагнитной среды μ=1). Следовательно, ЭДС, возбуждаемая в рамке под действием падающей волны, определяется выражением

Э_N(t)=−dФ_N(t)/dt =−μ_аωNH_mScosωt·cosφ. (4)

Если рамка находится в воздухе, то μ_a=μ₀=4π∙10^-7 Г/м,

μ_аω=μ₀(2πс/λ)=(2π/λ) μ₀(ε₀μ₀)^−1/2=(2π/λ)W₀=(2π/λ)120π.

Учтем также, что H_m=E_m/W₀=E_m/120π, где E_m — амплитуда напряженности электрического поля падающей волны. Тогда выражение для ЭДС можно привести к виду

Э_N(t)=−dФ_N(t)/dt=−(2π/λ)NЕ_mScosωt·cosφ=−kNЕ_mScosωt·cosφ=

=−kNЕ_mScosωt· f(φ), (5)

где k=2π/λ — волновое число свободного пространства; с — скорость света в свободном пространстве.

Анализ полученных выражений позволяет сделать следующие выводы:

1. ЭДС в рамке зависит от ориентации плоскости рамки по отношению к направлению прихода электромагнитной волны (ЭМВ) как f(φ)=cosφ. Таким образом, вертикально расположенная элементарная рамка в азимутальной плоскости имеет нормированную амплитудную функцию направленности (рис. 2) вида

F(φ)= |f(φ)/f_max(φ)|=|cosφ|, (6)

следовательно, при приеме ЭМВ с направлений, лежащих в плоскости рамки (φ=0° и φ=180°), ЭДС имеет максимальную амплитуду, причем в рамке из N витков амплитуда ЭДС в N раз больше, чем в одновитковой рамке:

Э_mN= kNЕ_mS = Э_m1N. (7)

При приеме же ЭМВ с направлений, перпендикулярных плоскости рамки (φ=90° и φ=270°), ЭДС в рамке равна нулю Э_N(t) =0, т.е. приема нет.

В плоскости витков (XOZ) рамка имеет круговую ДН, т.е. не обладает направленным действием.

2. ДН вертикальной элементарной рамки и горизонтально расположенного элементарного электрического вибратора (диполя Герца) одинаковы, как и значение их коэффициента направленного действия (D=1,5), с той лишь разницей, что вектора Е и Н электромагнитных полей рамки и диполя Герца в пространстве меняются местами.

3. Рамка является физическим эквивалентом магнитного диполя, т.е. элементарного магнитного вибратора, ось которого направлена вдоль нормали к плоскости рамки.

Рис. 2. Нормированная ДН вертикальной элементарной рамки в горизонтальной (азимутальной) плоскости

4. Действующая длина (высота) рамки из N витков определяется как отношение амплитуд ЭДС в рамке и напряженности электрического поля в месте приема h_Д=Э_Nm/E_m и описывается выражением

. (8)

Эта формула справедлива для рамки любой формы, если ее площадь S<<λ². Таким образом, действующая длина рамки, а, следовательно, и возбуждаемая в ней ЭДС прямо пропорциональны площади, ограниченной контуром рамки, числу ее витков и обратно пропорциональны длине волны.

5. Сопротивление излучения одновитковой элементарной рамки определяется выражением

₍₉₎

в случае рамки из N витков R_ΣN=NR_Σ1. Очевидно, что даже в случае многовитковых элементарных рамок на частотах диапазонов ОНЧ-НЧ сопротивление излучения таких антенн весьма мало, их КПД оказывается низким, поэтому использовать такого рода антенны в диапазонах ОНЧ-НЧ в качестве передающих нецелесообразно.

Направленные свойства приемной рамки используются для уменьшения влияния помех радиоприему и для радиопеленгования — определения направления на источник радиосигнала.

В первом случае плоскость рамки располагают перпендикулярно направлению прихода помехи, поэтому, при условии электрической симметрии плеч рамки, ее ДН в направлении на источник помехи имеет нулевой провал и помеха полностью подавляется.

Во втором случае, вращая рамку до получения минимального уровня принимаемого радиосигнала, измеряют соответствующий угол поворота относительно какого-либо опорного (нулевого) направления, например, северного, и таким образом определяют пеленг (направление) на источник радиосигнала. Поскольку ДН рамки имеет два нуля, то необходимо позаботиться об исключении двузначности результата измерений пеленга.

Нарушение электрической симметрии рамки (например, при ее размещении на наклонной электропроводящей поверхности, при физической асимметрии плеч, при несимметричном подключении к приемнику) ДН рамки искажается — вместо нулей образуются минимумы, возможен поворот ДН. Исчезновение нулей и искажение ДН называют антенным или ненаправленным эффектом рамки. Для устранения этого вредного эффекта рамку заключают в металлическую трубу с узким разрезом в верхней части. При этом труба служит электростатическим экраном по отношению к земле, обеспечивающим симметрию токов в плечах рамки и, в тоже время, не нарушающим нормальную работу антенны.

Отличительной чертой индукционных магнитных антенн (МА) является размещение многовитковой рамки в виде катушки на сердечнике (стержне) из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью μ_С>>1 (рис. 3 а). Использование ферритового стержня с μ_С>>1 приводит к концентрации магнитных силовых линий принимаемых антенной электромагнитных волн (ЭМВ) в сердечнике и увеличению магнитного потока, пронизывающего витки катушки и, соответственно, к увеличению амплитуды ЭДС, возбуждаемой в катушке.

В антенне магнитная проницаемость феррита μ_С уменьшается до некоторого действующего значения μ_Д<μ_С за счёт размагничивающего действия полюсов, которое сказывается тем сильнее, чем больше поперечное сечение и меньше длина стержня. Поэтому в качестве сердечников используют длинные стержни малого диаметра (L_С/d_С >>1).

Эквивалентная схема МА представлена на рис. 3 б, на котором обозначено: L — индуктивность антенной катушки; C₀ — собственная ёмкость; r — активное сопротивление тепловых потерь в антенне; C — ёмкость внешнего конденсатора, включаемого для настройки МА в резонанс на частоте принимаемой ЭМВ ω_C:

, (10)

где ; ; ω₀ — собственная резонансная частота колебательного контура МА. Рабочую частоту антенного контура следует выбирать гораздо ниже собственной резонансной частоты, т.к. в резонансной области эффективность МА падает из-за шунтирующего влияния собственной ёмкости.

а

б

Рис. 3. Магнитная антенна (а) и ее эквивалентная схема (б)

Благодаря наличию двух нулей в ДН, поворотом магнитной антенны, как и обычной рамки, можно осуществить пространственную селекцию и подавить радиосигнал мешающей станции, либо произвести пеленгование источника радиосигнала по его исчезновению на выходе антенны.

Приёмная МА преобразует энергию электромагнитного поля в электрические колебания, усиливаемые далее усилителем радиочастоты приёмника. Качество этого преобразования, как и в случае обычной рамки, может быть оценено действующей высотой МА h_Д — коэффициентом, связывающим ЭДС в антенной катушке с напряжённостью электрического поля падающей на антенну ЭМВ: Э= h_ДE.

Действующая высота МА определяется величиной магнитного потока в сердечнике и степенью связи этого потока с антенной катушкой. В соответствии с этим в расчётную формулу, определяющую действующую высоту h_Д, входят действующая проницаемость сердечника μ_Д, площадь его поперечного сечения S, рабочая длина волны λ и число витков антенной катушки N:

. (11)

Антенная катушка используется обычно в качестве катушки индуктивности LC контура, который подключается к входной цепи приёмника. При этом если входное сопротивление первого каскада усилителя радиочастоты приёмника значительно превосходит эквивалентное сопротивление входного контура, не оказывая шунтирующего действия на него, напряжение U_K0 на контуре увеличивается в добротность контура Q раз по отношению к ЭДС в катушке Э (рис. 2):

U_K0=ЭQ. (12)

Кроме того, МА с параллельно подключенным конденсатором приобретает свойства частотной селективности (избирательности); для параллельного LC-контура ширина полосы пропускания МА по уровню определяется известным выражением

, (13)

где f_рез=f_c — резонансная частота LC контура, устанавливаемая при настройке приемника равной несущей частоте принимаемого радиосигнала.

Из краткого описания свойств МА следует, что использование таких антенн в качестве приёмных наиболее выгодно там, где предъявляются жесткие требования к габаритам антенн, например, в переносной, носимой и бортовой радиоаппаратуре, в том числе в радиовещательных приёмниках. Введение ферритового сердечника позволяет значительно уменьшить геометрические размеры многовитковой рамочной антенны, а его свойство концентрировать магнитные силовые линии позволяет устанавливать МА заподлицо с металлическими поверхностями.