Основні теоретичні відомості. 1.2.1. Антена–це пристрій, який перетворює високочастотний електричний струм в електромагнітне випромінення передавальної антени або перетворює випромінення

1.2.1. Антена–це пристрій, який перетворює високочастотний електричний струм в електромагнітне випромінення передавальної антени або перетворює випромінення на виході приймальної антени в напругу. Антена (без підсилювача) - це обратимий пристрій, її характеристики при прийманні та передаванні співпадають. Форма, розміри та конструкція антен залежать від довжини хвиль та призначення антени.

Антени розділяються на широко- та вузьконаправлені і характеризуються діаграмою спрямованості, тобто кутовим розподілом нормованої щільності потужності випромінення в дальній зоні. Широконаправлені антени мають форму діаграму спрямованості близьку до кругу и використовуються в радіомовленні та мобільному зв’язку. Вузьконаправлені антени концентрують потужність випромі-нення або приймання в заданому напрямі, підвищують дальність радіозв’язку та точність визначення кута цілі в радіолокації. Діаграми спрямованості відображають в полярних або декартових координатах (рис. 1) в обраних площинах.

Рисунок 1.1 – Діаграми спрямованості антен

В НВЧ діапазоні розповсюджені вузьконаправлені рупорні антени. Найвища спрямованість досягається для оптимальної рупорної антени, з розмірами (рис.2) l_опт – довжина, a_р, b_p- розміри розкриву рупорної антени, для яких виконуються співвідношення (1.1), де l-довжина хвилі.

Рисунок 1.2 – Геометричні розміри рупорної антени

1.2.2. Діаграма спрямованості пірамідальної оптимальної рупорної антени теоретично [1] описується формулами:

- в площині компоненти магнітного поля Н

,

(1.2)

- в площині компоненти електричного поля Е

,

(1.3)

Направлені якості антени оцінюють також кутом головної пелюстки на діаграмі спрямованості, цей кут називають шириною проміня та визначають по рівню половиної потужності відносно максимума випромінення. Діаграма спямованості та ширина променя антени можуть бути визначені теоретичним або експеримента-льним шляхом. Значення ширини діаграми в градусах за рівнем половинної потужності 0,5P для пірамідальної оптимальної рупорної антени теоретично [1]визначено формулами:

- в площині компоненти магнітного поля Н

,

(1.4)

- в площині компоненти електричного поля Е

,

(1.5)

1.2.3. Методивимірювання діаграми спрямованості

Діаграма спрямованості антени експериментально може бути виміряна за допомогою сумісних та непрямих вимірювань.

1. При використанні сумісних вимірювань діаграма спрямованості визначається сумісним вимірюванням рівня сигналу u на виході приймальної антени, яка розташована в дальній зонні відносно передавальної антени та кута її поворота θ навколо своєї вісі, визначення максимального розмаху сигналу u_max. Далі обчислюються нормовані показання u/u_max і показання за напруженості поля з урахуванням квадратичної характеристики детекторного діода в антені:

.

(1.6)

Після чого будується діаграма спрямованості в координатах θ, E/E_max.

2. При непрямих вимірюваннях вимірюються геометричні розміри антени (a_р, b_p), довжина хвилі λ по відомій частоті f

.

(1.7)

Діаграма спрямованості визначається використанням формул (1.2) або (1.3) та будується в координатах θ, F(θ).

1.2.4. Методи вимірювання ширини головної пелюстки діаграми спрямованості

Ширина головної пелюстки діаграми спрямованості антени експериментально може бути виміряна за допомогою прямих та непрямих вимірювань.

1. При використанні прямих вимірювань ширина діаграма спрямованості на рівні половинної потужності визначається багаторазовим вимірюванням максимального розмаху сигналу u_max на виході приймальної антени та вимірюванням кута поворота антени θ навколо своєї вісі при досягені рівня сигналу u= u_max/2, далі проводиться обробка прямих багаторазових вимірювань.

2. При непрямих вимірюваннях ширина діаграма спрямованості визначається за геометричними розмірами антени (a_р, b_p), довжині хвилі λ використанням формул (1.4) або (1.5).

1.3. Завдання на самостійну позааудиторну роботу

Дати відповіді на контрольні запитання, ознайомитися з інструкціями з експлуатації генератора сигналів високочастотного Г4-56 (додаток А), вимірювача напруги 7 типа В8-7 (додаток Б).

1.4. Опис лабораторної установки

1.4.1 Склад установки. Функціональну схему установки наведено на рис. 1.3. До установки входять генератор сигналів високочастотний типу Г4-56, феритовий вентиль 2, атенюатор 3, передавальна антена 4, приймальна антена 5, детекторна секція 6 і вимірювач напруги 7 типа В8-7. Відстань між антенами відповідає умові далекої зони. Для вимірювання діаграми спрямованості приймальна антена 7 може встановлюватись на заданий кут оберту θ в горизонтальній площині.

Рисунок 1.3 - Функціональна схема установки для вимірювання

характеристик спрямованості антен

1.4.2 Генератор Г4-56 є джерелом НВЧ енергії довгохвилевої області трисантиметрового діапазону довжин хвиль. Зовнішній вигляд генератора Г4-56 наведено на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 – Зовнішній вигляд генератора Г4-56

1.4.3 Параметри Г4-56: діапазон частот 8,5…9,7 ГГц, похибка встановлення частоти - не більш 0,05%, нестабільність частоти не більше 1·10^-4 за 10 хвилин після 1 години прогріву. Паразитна девіація частоти в режімі НГ (безперервна генерація) не більш 1·10^-7. Вихідна калібрована потужність 10^-3…10^-13 Вт. Максимальний рівень вихідної некаліброваної потужності 20 мВт. Нестабільність потужності не більше ± 0,05 дБ за 10 хв. Внутрішня імпульсна модуляція – меандр з частотою 1000 Гц±20%. Рівень НВЧ випромінення не більш 1·10^-3 В/м.

1.4.4 Вимірювач відношень напруг В8-7 (рис.1.4). призначений для вимірювання відношень малих напруг змінного струму з цифровою індикацією у відносних одиницях. Використовується при роботі з вимірювальними лініями, при вимірюванні діаграм спрямованості антен та ін.

Рисунок 1.4 – Зовнішний вигляд вимірювача відношень напруг В8-7

Технічні характеристики В8-7: діапазон вимірювання відношень напруг N_Х: 1-31600; діапазон вихідних напруг 0,02-10 000 мкВ; частота вхідних сигналів 0,13-20 кГц: основна похибка вимірювання відношень відносно 1,000±[0,3 + 0,5(N_Х-1)] % (при U_н менш 1 мкВ); Основна похибка декадного подільника ±1 % (0,13-10 кГц);

Повний вхідний опір 600 Ом ±10%

1.5. Підготовка до роботи

1.5.1. Включити до мережі 220 В та поставити на прогрів вимірювач напруг В8-7.

1.5.2. Зчитати частоту НВЧ коливань f, яка встановлена на генераторі Г4-56, та занести до табл. 1.1.

1.5.3. По розташуванню широкої та вузької сторін хвилеводу визначити встановлене орієнтування передавальної і приймальної антен та площину (E або H), в якій обертається приймальна антена.

1.5.4. Виміряти лiнiйкою розміри випромінюючого розкриву приймальної рупорної антени a_p, b_p та довжини рупора l (рис.1.2), результати занести до табл.1.1.

1.5.5. Виконати розрахунки даних для проведення експерименту.

1.5.6. Розрахувати довжину хвилі (см) в вільному просторі.

1.5.7. Розрахувати за допомогою (1.1) довжину рупора l_опт і визначити, чи є встановлений рупор оптимальним. При невідповідності замінити антену.

1.5.8. Розрахувати відстань між антенами, на якій досягається умова далекої зони (дз) , результати занести до табл.1.1.

1.5.9. Розрахувати теоретичне значення ширини діаграми в градусах за рівнем половинної потужності за формулами (1.4, 1.5), результати занести до табл. 1.1.

Таблиця 1.1 – Розрахункові дані

f, МГц	λ, см	ap, см	bp, см	l, см	lопт, см	Rдз, см	2θ^E0,5P теор, град	2θ^H0,5P теор, град

1.6. Контрольні запитання і завдання для допуску до аудиторної роботи

1 Дайте визначення вимірювання і похибки.

2 Що таке принцип і метод вимірювання? Які бувають вимірювання?

3 Призначення, типи та характеристики антен.

4 Опишіть методику вимірювання діаграми спрямованості антени.

5 Опишіть методику вимірювання ширини діаграми спрямованості на рівні половинної потужності.

6 Заповнена табл.1.1.

1.7. Підготовка В8-7 до вимірювань

1.7.1. Встановити на В8-7: СИНХРОНИЗАЦИЯ в положення ВНУТР, декадний подільник - перемикач чутливості в положення ´1, ЧАСТОТА кГц в положення 1 кГц, КОНТР. СМЕЩ.(V) та УСРЕДН. в вимкнуте положення.

1.7.2. Перевірити калібрування В8-7- підключити кабель ВХІД до розніму100 μV. На індикаторі повинен бути рівень 1,000. За необхідності проведіть калібрування:

- Регуляторами УСИЛЕНИЕ ГРУБО, ПЛАВНО встановіть на індикаторі 1,000.

- Встановити декадний подільник в положення ´10 та потенціометром під шліц КАЛИБРОВКА 0,100 встановіть показання індикатора 0,10. Якщо при положенні декадного подільника ´1, показання відрізняються від 1,000 більше, ніж на 1 знак, проведіть калібрування декілька раз.

1.7.3. Включити на В8-7: декадний подільник ´10, УСРЕДН.

1.7.4. Підключити кабель ВХІД В8-7 до кабелю виходу детектору антени.

1.8. Підготовка Г4-56 до вимірювань

1.8.1. Перевірити заземлення пристрою. Перевірити з’єднання входу передавального тракту до фланця “ВИХОД НЕКАЛИБРОВАННЫЙ”.

1.8.2. Ручку “РОД РОБОТЫ” встановити у положення “НЕСТАБИЛЬНО”, яке відповідає внутрішній модуляції меандром. Ручку “УСТАНОВКА УРОВНЯ МОЩНОСТИ” обернути проти годинникової стрілки до упора, а ручку “ОСЛАБЛЕНИЕ” – за годинниковою стрілкою до упора.

1.8.3. Включити до мережі 220 В, увімкнути тумблер “СЕТЬ” і прогріти генератор Г4-56 протягом 15 хв. (за паспортними даними – 1 год).

1.8.4. Натиснути кнопку “КОНТРОЛЬ НУЛЯ” та, обернувши її за годинниковою стрілкою, зафіксувати. Ручкою “УСТАНОВКА НУЛЯ” встановити нульові показання пристрою “ИНДИКАТОР УРОВНЯ МОЩНОСТИ”. Відпустити кнопку “КОНТРОЛЬ НУЛЯ”.

1.8.5. Встановлення частоти. Перемикач “РОД РАБОТЫ” встановити у положення “НЕСТАБИЛЬНО НГ”. Ручкою “УСТАНОВКА ЧАСТОТЫ” за шкалою частот “МГц” встановити потрібне значення частоти. Повільно обертаючи ручку “ПЕРЕСТРОЙКА КЛИСТРОНА” у інтервалі, визначеному за шкалою та таблиці частот, знайти момент різкого відхилення стрілки “ИНДИКАТОР НАСТРОЙКИ” спочатку в одну, а потім у іншу сторону. Перемикач “РІД РОБОТИ” встановити в положення внутрішньої модуляції меандром “ВНУТР. МОД.”, “НЕСТАБИЛЬНО”.

1.9 Підготовка установки до вимірювань

1.9.1 Поверніть приймальну антену до максимуму показань В8-7 та встановіть шкалу показчика кута обертання приймальної антени на 0 градусів.

1.9.2 Потенціометром В8-7 РЕГУЛИРОВКА СМЕЩ. (під шліц) встановіть максимальне значення показань встановленням оптимального зміщення діода детектора.

1.9.3 Переключати подільник В8-7 (´1,´10)до отримання результатів в межах 0,1-3,16.

1.9.4 Повернути приймальну антену в положення, при якому показання В8-7 u зменшаться в 2 рази, при цьому кут повороту повинен приблизно дорівнювати половині теоретичного значення 2θ_{0,5P теорет}, розрахованого в п. 1.5.9.

1.10 Вимірювання діаграми спрямованості антени

1.10.1 Встановити перемикач чутливості В8-7 в положення ´1.

Повертаючи антену з кроком кута 2° від θ=90° до 0°, знімати відліки напруги u вольтметра В8-7 через час 20 с та заносити результати до табл.1.2.

Таблиця 1.2- Результати вимірювання діаграми спрямованості

кут θ, град	Відлік u	u/umax	√ u/umax	кут θ, град	Відлік u	u/umax	√ u/umax
				-2
				-4
				-6
				-8
				-10
				-12
				-14
				-16
				-18
				-20
				-22
				-24
				-26
				-28
				-30
				-32
				-34
				-36
				-38
				-40
				-42
				-44
				-46
				-48
				-50
				-52
				-54
				-56
				-58
				-60
				-62
				-64
				-66
				-68
				-70
				-72
				-74
				-76
				-78
				-80
				-82
				-84
				-86
				-88
				-90
				-92

1.10.2 При показаннях більше 3,1 встановити декадний подільник В8-7 в положення ´10 або ´100 та ураховувати множник при занесенні даних до таблиці.

1.10.3 Провести аналогічні вимірювання, повертаючи антену вправо від кута θ мінус 2°до θ мінус 92°. При показаннях u менше 0,1 встановити перемикач чутливості В8-7 в положення ´1. Результати занести до табл.1.2.

1.10.4 Серед результатів вимірювань знайти масимальне показання u_max

1.10.5 Обчислити нормовані показання u/u_max.

1.10.6 Обчислити нормовані показання за напруженістю поля з урахуванням квадратичної характеристики діода в антені: .

1.10.7 Побудувати діаграму спрямованості в координатах θ, u/u_max. Через нестачу місця, паразитні відбиття, люфт механізму обертання виникає похибка вимірювання. В результаті характеристики антени по обидва боки максимума можуть бути неідентичними.

1.10.8 За допомогою програми Excel побудувати теоретичну діаграму спрямованості за формулами (2,3), яка відповідає орієнтуванню антени.

1.10.9 Оцінити ширину діаграми за рівнем половинної потужності або 0,707u/u_max.

1.11 Вимірювання ширини діаграми спрямованості

1.11.1 Повертаючи приймальну антену, знайти кут, при якому досягається максимум u_max показань В7-8. Відлік u_max занести до табл.3.

1.11.2 Розрахувати значення половини напруги u_max/2 і занести до табл.3

1.11.3 Повертаючи приймальну антену наліво від максимума, домогтися зменшення показань індикатора В7-8 вдвічі до u_мах/2. Зняти цей відлік кута повороту і занести до табл.3.

1.11.4 Повертаючи приймальну антену направо від максимума, домогтися зменшення показань індикатора В7-8 вдвічі до a_мах/2. Зняти відлік кута повороту і занести до табл.3.

1.11.5 Провести багаторазові спостереження 7 разів згідно пп. 1.11.1…1.11.4 і результати занести до табл.1.3.

1.11.6 Обчислити ширину діаграми спрямованості в кожному спостереженні.

1.11.7 Провести обробку результатів прямих вимірювань - знайти середнє значення, абсолютне СКВ спостережень, абсолютне СКВ вимірювань.

1.11.8 По таблицям знайти коефіцієнт Ст’юдента для довірчої ймовірності P=0,9 та n=7 і знайти довірчий інтервал.

Таблиця 1.3 - Результати спостережень ширини діаграми спрямованості на рівні 0,5

і	Відлік umax, мВ	Відлік umax/2	Кут , град	кут , град	кут експ, град	δ, %
Середнє значення
Абсолютне СКВ спостережень σ
Абсолютне СКВ вимірювань
Коефіцієнт Ст’юдента t 0,9;7-1
Довірчий інтервал
Результат вимірювання, град
Розходження з теоретичним значенням, δ %

1.11.9 Записати результат вимірювання ширини діаграми спрямованості на рівні половинної потужності.

1.11.10 Порівняти виміряну ширину діаграми спрямованості з теоретичною , визначеною за формулами (4,5)

, та занести до табл.3

1.12 Зміст звіту

Звіт має містити: мету роботи; принципові схеми вимірювань;дані розрахунків

результати вимірювань за 1.4.3-1.4; заповнені табл. 1.1, 1.2, 1.3; висновки з указівкою домінуючих похибок.

1.13 Питання та завдання до захисту звіту

1 Визначення вимірювання, похибки, істинного і дійсного значень.

2 Класифікація вимірювань.

3 Класифікація похибок.

4 Характеристики спряиованості антен.

5 Методика вимірювання діаграми спрямованості антени.

6 Методика вимірювання ширини діаграми спрямованості.

7 Розрахунок середньоквадратичної похибки результату вимірювання.

8 Визначення довірчого інтервалу та запис результату вимірювань.

2 ЗАСВОЄННЯ МЕТОДИКИ НЕПРЯМИХ ВИМІРЮВАНЬ

(на прикладі вимірювання повного опору)

Дата добавления: 2015-04-30