22

Лабораторная работа №4.

"Исследование характеристик направленности

фазированной линейки спиральных облучателей".

Цель работы.

1.Исследование характеристик направленности фазированной линейки спиральных облучателей

2.Исследование влияния на характеристики направленности фазированной линейки расстояний между элементами;

3.Исследование влияния на характеристики направленности фазированной линейки разности фазировки элементов.

Методические указания по самоподготовке.

Фазированные антенные решетки могут обеспечивать достаточно узкую диаграмму направленности. Ширина главного лепестка зависит от ее конструкции и может составлять доли градуса. Основное преимущество антенны такого типа состоит в том, что ФАР обеспечивает возможность управления направлением главного максимума диаграммы направленности, что делает такие антенны особенно перспективными для применения в радиолокационных и радиорелейных системах.

ФАР состоит из нескольких одинаковых элементов, в качестве которых используются слабонаправленные антенны. Наиболее часто их роль выполняют симметричные четвертьволновые вибраторы, рупоры или спирали. Как правило, элементы ФАР располагаются на плоскости. На рис. 9 показана структура такой антенны. Условно можно считать, что элементы группируются в линейки (группы, расположенные на одной прямой). Расстояние между элементами линейки обычно одинаково. На рис. 1 оно равно d₂. Линейки также располагаются на одинаковом расстоянии друг от друга – d₁ на рис. 9.

Для описания принципа действия антенны необходимо ввести сферическую систему координат (угловые координаты θ, φ и радиус-вектор r на рис. 1). На основании принципа взаимности анализ характеристик направленности антенны можно проводить, рассматривая ее работу как в качестве передающей, так и приемной. Ниже рассматривается случай, когда ФАР используется для передачи.

Элементы ФАР питаются от одного источника. Питание к элементам антенны подается по соответствующим частотному диапазону линиям передачи. В данной лабораторной установке для этих целей используются коаксиальные кабели.

Характеристики направленности антенны в целом определяются фазировкой отдельных элементов, их диаграммой направленности и расстояниями между ними. Эти свойства могут быть исследованы на примере более простой структуры – линейки фазированных излучателей.

Пример такой фазированной линейки изображен на рис. 2. Антенная система, подобная изображенной на рис. 2, экспериментально изучается в ходе выполнения лабораторной работы.

Фазированная линейка состоит из четырех отдельных излучателей. Их роль в данном случае выполняют спиральные антенны, свойства которых рассматривались в первом разделе. Эти излучатели расположены на одной прямой АА (рис. 2.а) на равном расстоянии друг от друга d (индекс у величины d для простоты далее не используется).

На рис. 2.а отмечена точка Р, которая расположена в дальней зоне рассматриваемой антенны и направление на которую совпадает с нормалью к линии АА. Поле в дальней зоне антенной системы является результатом интерференционного сложения полей, создаваемых отдельными излучателями. Для упрощения рассуждений ниже полагается, что поляризация излученных элементами ФАР волн круговая.

Характеристики спиральной антенны рассматривались в описании к предыдущей работе. Следует отметить, что система сферических координат, которая использовалась для описания поля излучения спиральной антенны в предыдущей работе, повернута относительно используемой на угол 90⁰.

В рассматриваемом случае в дальней зоне векторы напряженности электрического и магнитного поля, создаваемого отдельными спиралями, имеют по две проекции: Е_θ, Е_φ и Н_θ, Н_φ. Строгий анализ показывает, что фазовый сдвиг между проекциями составляет 90⁰, что соответствует круговой поляризации поля.

Р

А

В

θ₀

d

∆

2∆

3∆

а

r₀

r₀

r₀

r₀

Р^/

На рис.2.б показаны векторы напряженности электрического поля Е₁ – Е₄ , соответствующие точке Р. В теории антенн считается, что расстояние

от любого вибратора до точки Р дальней зоны, в которой определяется поле, одинаково. Если спирали возбуждаются синфазно, то и в точке Р соответствующие волны синфазны. Их вектора электрического поля вращаются вокруг своей оси, оставаясь при этом параллельными друг другу (рис.2.б). Длина суммарного вектора Е_∑ определяется арифметическим суммированием длин векторов от отдельных элементов. Суммарное поле, естественно, также имеет круговую поляризацию - вектор Е_∑ вращается синхронно с векторами Е_i.

Иная ситуация наблюдается при определении поля в точке Р^/, направление на которую составляет угол θ₀ с нормалью к линии АА (рис 2). Несмотря на то, что она удалена от антенны на то же расстояние r₀, что и точка Р, результат интерференционного сложения полей от отдельных источников фазированной линейки будет другим. При суммировании необходимо учесть фазовый набег между электромагнитными волнами от различных элементов, возникающий за счет геометрической разности путей, которые проходят волны от антенны до точки суммирования (рис.2.а). Разница путей, проходимых волнами от первого и второго источника составляет величину ∆, от первого и третьего - 2∆, от первого и четвертого - 3∆. Величина ∆ определяется простым тригонометрическим соотношением:

∆ = d sin _о (1).

В результате векторы напряженностей полей Е_i от отдельных элементов антенны уже не параллельны друг другу (рис. 2.в). Результат векторного сложения Е_∑ оказывается меньше их арифметической суммы, но поляризация остается круговой.

Легко понять, что основная причина уменьшения напряженности поля в направлении, не совпадающим с нормалью к линии АА, заключается в наличии фазового сдвига между волнами от отдельных элементов в точке суммирования. Если при возбуждении элементов фазированной линейки скомпенсировать этот фазовый сдвиг, то можно обеспечить арифметическое суммирование полей от источников в направлении θ₀ (рис. 2.а). Это достигается за счет использования фазовращателей, которые устанавливаются перед элементами фазированной линейки (рис. 3).

Их роль могут выполнять различные элементы. В диапазоне СВЧ часто используются фазовращатели на ферритовых элементах, использующих эффект Фарадея. Используются и элементы, в которых изменение фазы достигается за счет изменения длины пути, который проходит волна по питающей линии. Переключение длин осуществляется обычно в микрополосковых линиях с помощью коммутирующих диодов. Они меняют нагрузку линии за счет изменения своего внутреннего сопротивления. Включение диода, расположенного между проводниками линии, переводит один из ее участков в режим короткого замыкания. Если диод закрыт, то он не оказывает влияния на характеристики линии. Переключение диодов осуществляется электрическим сигналом.

В данной лабораторной установке изменение фазы волн, излучаемых спиралями, достигается путем их вращения вокруг своей оси. Легко понять, учитывая принцип действия спиральной антенны, что разности фаз волн, излучаемых четырьмя спиралями в линейной решетке, зависят от их взаимной ориентации. Вращение одной спирали вокруг оси при сохранении неизменного положения другой приводит к изменению разности фаз волн, излучаемых ими.

Следует связать фазовый сдвиг между волнами, излучаемыми элементами, с направлением θ₀, в котором должно наблюдаться арифметическое сложение полей элементов (рис.3). Легко понять, что это направление совпадает с направлением главного максимума антенной системы. Из рис.2.а ясно, что для получения максимума излучения в направлении θ можно повернуть линейку излучателей так, чтобы она заняла положение АВ. Если положение линейки не меняется, то для получения того же результата необходимо с помощью фазовращателей (рис.3) скомпенсировать фазовый сдвиг из-за разности путей.

Обозначив через r_j (j=1,2,3,4) расстояния от элементов решетки из n=4 элементов до точки наблюдения Р^/ , легко показать с учетом (1), что они определяются следующим образом (рис.2.а):

r₁= r_о ;

r₂ = r_о + d sin _о ;

r₃ = r_о + 2 sin _о ;

r₄ = r_о + 3 sin _о (2).

Фазовый сдвиг, возникающий между волнами от отдельных элементов в точке приема, определится выражением:

∆ψ_i = (j – 1)kd sin _о (3).

Здесь k=2/ ,  - рабочая длина волны.

Именно эту величину и необходимо скомпенсировать с помощью фазовращателей, изображенных на рис.3, чтобы обеспечить максимум диаграммы направленности в направлении _о.

На практике удобней принять за опорную точку для отсчета компенсирующего фазового сдвига центр линейки (точка О на рис.4). Она расположена ровно посередине между второй и третьей спиралью.

Рис. 4.

В этом случае фазовые сдвиги определятся следующими выражениями:

∆ψ₁= - 3kd/2 sin _о ;

∆ψ₂= - kd/2 sin _о ;

∆ψ₃= +kd/2 sin _о ;

∆ψ₄= +3kd/2 sin _о (4).

Диаграмма направленности фазированной линейки определяется двумя факторами. Первый связан направленностью каждого отдельного элемента линейки. В частности, излучение спиральной антенны, использующееся в качестве элемента в данной установке, характеризуется диаграммой направленности f_э(θ). Кроме того, объединение нескольких элементов в систему приводит к тому, что поле излучения в дальней зоне определяется в результате интерференционного сложения полей от отдельных источников. Этот фактор описывается диаграммой направленности системы излучателей f_л(θ). Функция f_л(θ) не зависит от типа элементов. Она определяется их количеством, геометрией расположения на поверхности антенны, амплитудами и фазами питающих токов. В общем случае можно представить диаграмму направленности линейной решетки в виде:

F(θ) = f_л(θ) f_э(θ) (5).

Функция направленности линейки f_л(θ), которая в литературе носит название «множитель системы» определяется следующим образом:

На рис.5.а показан качественный вид множителя системы для случая относительно большого числа элементов (n=40). Сплошная кривая соответствует _о = 0, пунктирная _о = 10⁰.

Зависимости, приведенные на рис.5 демонстрируют следующие свойства фазированной линейки.

1.Ширина главного лепестка диаграммы направленности существенно зависит от числа n элементов в линейке.

2.Увеличение числа элементов ведет к увеличению количества боковых лепестков.

3.Ширина главного максимума диаграммы направленности зависит от соотношения d/. Графики на рис.5.а.б показывают, что увеличение отношения d/ приводит к сужению общей диаграммы направленности линейной решетки.

4.Увеличение отношения d/ приводит к увеличению числа боковых лепестков.

Ориентация боковых лепестков может быть определена приближенно по направлениям "нулевого излучения". При некоторых значениях угла =_i, как следует из анализа числителя выражения (6) и рис.2, сдвиг фаз между полями соседних элементов решетки становится таким, что в результате интерференции суммарное поле обращается в ноль. Значения ₀ определяются из уравнения:

sin_i =i/(nd) i=1,2,3... (7).

Максимальное значение числа i (в заданном интервале -90⁰<<90⁰ ) определяет количество боковых лепестков диаграммы направленности. Видно, что оно зависит от отношения d/ .

Описание лабораторной установки и методики измерений.

Функциональная схема лабораторной установки показана на рис. 6. Она включает в себя передающую и приемную антенны, которые образуют радиолинию, работающую в диапазоне 2 – 4 гГц.

В качестве приемной антенны используется линейка из четырех спиральных антенн (1), расположенных на одной линии и закрепленных на общем прямоугольном металлическом экране (2).

Каждый элемент фазированной линейки с помощью отрезков коаксиального кабеля равной длины подключен к разветвителю (3). Отрезки кабелей имеют волновое сопротивление 50 Ом и снабжены разъемами типа СР 50 – 164 ФВ для подключения к элементам установки. Разветвитель крепится на плате, которая располагается на противоположной относительно спиральных антенн стороне экрана.

Разветвитель представляет собой три коаксиальных тройника СР 50-194ФВ. На входы первого и второго тройника подключены спиральные антенны через отрезки кабелей. Выходы первого и второго тройника непосредственно подключены ко входам третьего коаксиального тройника.

Выход третьего тройника разветвителя соединяется с детекторной секцией (4), которая крепится к плате совместно с ним.

Передающая антенна (5) представляет собой отдельную спираль.

Передающая и приемная антенны установлены на диэлектрических штангах (6), нижний конец которых фиксируется в поворотных устройствах (7).

Питание передающей антенны осуществляется с помощью коаксиального ВЧ кабеля (8). Он соединяет входной разъем передающей спиральной антенны (5) с выходом генератора Г4-80 (9).

Выход детекторной секции (4) с помощью соединительного кабеля (10) подключен ко входу электронного блока «Регистратор» (11).

Выход «синх» электронного блока «Регистратор» с помощью соединительного кабеля (12) подключен ко входу синхронизации генератора (9).

На рис. 7 приведен эскиз спиральной антенны. Спираль (1) выполнена из медного проводника круглого сечения (диаметр 4 мм), навитого на полый диэлектрический опорный цилиндр (2). В него вставлена диэлектрическая фторопластовая втулка (3).

Через отверстие в боковой поверхности этой втулки проходит металлический цилиндр (4), верхнее основание которого имеет омический контакт со спиралью (1).

В основании втулки (3) имеется отверстие с резьбой, по которой в нее ввернуто заполнение коаксиальной линии (5). Вдоль оси заполнения проходит центральный проводник (6) коаксиальной линии. Он ввернут по резьбе в металлический цилиндр (4).

Заполнение (5) помещено в основание (7), внутренняя поверхность которого образует оболочку коаксиальной линии. На основание по резьбе ввернут переходник (8), с помощью которого осуществляется соединение с разъемом ВЧ кабеля.

На противоположном конце основания закреплена фигурная шайба (9), которая фиксирует положение заполнения в основании.

Внутренние диаметры основания и внешние – заполнения подобраны таким образом, чтобы соответствующие им отрезки коаксиальной линии имели волновые сопротивления 50 Ом и 82 Ом. Отрезок коаксиала с большим диаметром и, соответственно, с большим значением волнового сопротивления, выполняет роль четвертьволнового трансформатора сопротивлений. Он служит для согласования входного сопротивления спиральной антенны с волновым сопротивлением кабеля питания.

На внешней поверхности основания (7) имеется резьба, по которой на него наворачивается гайка (10). С ее помощью спиральная антенна крепится к экрану (11), который располагается между гайкой (10) и шайбой (9).

На рис. 8 показан эскиз фазированной линейки излучателей (вид спереди). Спиральные антенны (1) крепятся к экрану (2) с помощью гайки (10) (рис. 7).

Для этого в экране прорезана щель, в которой спиральные антенны могут свободно перемещаться в поперечном направлении, если ослаблена гайка (10). Положение спиральных антенн определяется по шкале (3), имеющейся на внешней стороне экрана.

Приемная и передающая антенны закреплены в двух поворотных устройствах (5 на рис. 6). Оба устройства одинаковы по конструкции и служат для вращения зеркальной параболической антенны вокруг вертикальной оси, проходящей через их фазовые центры.

На рис.9 приведен их эскиз. К нижнему основанию (1) крепятся стойки (2). Стойки располагаются на двух противоположных сторонах основания и имеют различную высоту.

К нижнему основанию крепится внешняя обойма подшипника (4), в которой вращается ось верхнего основания (3) со шкалой. На нее одеты два кольца (5), положение которых на оси фиксируется винтами (6). В эти кольца вворачиваются две штанги (7) (на рис. 11 показана только одна из них). Микрометрические винты (8) перемещаются по резьбе в стойках (2). Если соответствующее кольцо (5) зафиксировано на оси фланца (3) с помощью винта (6), то перемещение микрометрического винта приводит к повороту фланца вокруг оси. Размеры элементов подобраны таким образом, что полный оборот микрометрического винта приводит к повороту фланца на 1⁰. Микрометрические винты снабжены шкалами.

С противоположной (относительно микрометрического винта) стороны штанги (7) расположена пружина (9) с направляющей (10), которые обеспечивают возвращение кольца со штангой в исходное положение при выворачивании микрометрического винта.

Поворот фланца может осуществляться вручную, без применения микрометрических винтов. При этом оба фиксирующих винта (6) должны быть ослаблены. Отсчет угла производится по шкале на боковой поверхности фланца.

12

1

2

3

4

11

13

При использовании для поворота фланца микрометрических винтов, фиксируется только одно кольцо. Второе должно быть ослаблено. Поворот фланца с помощью одного микрометрического винта не должен превышать 7⁰. При достижении предельного значения угла поворота необходимо:

-максимально вывернуть второй микрометрический винт;

-зафиксировать второе кольцо на оси фланца;

-ослабить первое кольцо;

-продолжить вращение фланца с помощью второго микрометрического винта.

Отсчет угла при этом производится по угловой шкале на боковой поверхности фланца (единицы градусов) и шкале на боковой поверхности микрометрического винта (десятые доли градуса).

На верхней поверхности фланца (3) закреплена опора (11), в которой крепится диэлектрическая штанга (12) с помощью фиксирующего винта (13). Опора (11) фиксируется от поворота вокруг вертикальной оси винтом (14).

Основание поворотного устройства (1) крепится к лабораторному столу четырьмя винтами. Диэлектрическая штанга (12) дополнительно фиксируется в средней части с помощью трех откосов, которые также крепятся к лабораторному столу. На рисунках они не показаны.

На рис. 10 приведен эскиз детекторной секции, которая служит для регистрации принимаемого антенной сигнала. Ее основой является латунный корпус (1), внутренность которого образует оболочку коаксиальной линии. Центральный проводник (2) фиксируется фторопластовым заполнением (3).

В корпус (1) ввернут цилиндр (4), являющийся основанием детекторной секции. Внутрь цилиндра (4) помещен изолирующий диэлектрический стакан (5), который фиксирует положение держателя детекторного диода (6). Диод (7) помещен в держатель (6), который представляет собой полый металлический цилиндр. Диаметр нижнего отверстия в основании цилиндра держателя (6) соответствует диаметру керамической части детекторного диода и меньше, чем диаметр положительного вывода. Детекторный диод (7) фиксируется в держателе винтом (8), который ввернут в него по резьбе на внутренней поверхности.

На верхнюю часть внешней поверхности основания (4) по резьбе навернут металлический держатель (9) блочной части разъема СР-50 (10). Корпус его соединен с держателем, а контакт для центрального проводника коаксиала с помощью металлического штыря (11) – с винтом (8). Таким образом фиксируется положение детекторного диода и обеспечивается омический контакт между его положительным выводом и центральным проводником разъема (10).

Отрицательный вывод детекторного диода вставлен в отверстие в боковой поверхности центрального проводника (2), чем обеспечивается омический контакт между этими элементами. В боковой поверхности фторопластового заполнения (3) имеется отверстие, совпадающее по размеру с диаметром керамической части детекторного диода.

При соединении с помощью соединительного кабеля 9 (рис.6) блочной части разъема СР-50 со входом регистратора, через его входное сопротивление протекает выпрямленный детектором ток.

Воздушный зазор между основанием детекторной секции (4) и винтом (8) образует конструктивную емкость, через которую замыкается СВЧ составляющая тока детектора. Для исключения короткого замыкания между положительным выводом диода и корпусом основания проложена фторопластовая пленка толщиной 0,1 мм. На рис.14 она не показана.

Для настройки детекторной секции на заданную частоту служит короткозамыкатель (12). Он обеспечивает режим стоячей волны в коаксиальной линии. При его продольном смещении происходит перемещение узлов и пучностей относительно детекторного диода. Детекторная секция считается настроенной тогда, когда диод помещен в пучность электрического поля.

Для измерения уровня мощности электромагнитной волны, поступающей на приемную антенну, служит регистратор (10) на рис. 10. Входным сигналом для него является ток детекторного диода, который расположен в детекторной секции. Значение этого тока пропорционально мощности электромагнитной волны, поступающей на приемную антенну.

На рис. 11 изображена лицевая панель регистратора. Индикация принимаемого уровня мощности производится цифровым четырехразрядным индикатором. Его показания соответствуют напряжению на выходе усилителя тока детекторного диода. Поскольку детекторный диод работает без смещения, его вольт-амперная характеристика квадратична. Как следствие, показания индикатора пропорциональны уровню принимаемой мощности.

На лицевой панели расположен кнопочный переключатель переключения пределов измерения. Включение соответствующего предела производится простым нажатием соответствующей кнопки.

Ток детекторного диода поступает на регистратор по соединительному кабелю, который подключается к блочному разъему СР-50 с надписью «вход». Второй блочный разъем СР-50 с надписью «синх» служит для подключения модулирующего сигнала к генератору СВЧ. В качестве такого сигнала используется прямоугольный меандр с частотой 7кГц.

Включение регистратора производится тумблером «сеть» на лицевой панели. При включении загорается подсветка тумблера.

Порядок экспериментального исследования антенны.

Предварительная юстировка исследуемых антенн.

После установки антенн на штативы следует произвести их юстировку. Результатом ее является ориентация максимумов диаграмм направленности приемной и передающей антенн друг на друга, установка отсчета “0,0⁰ ” на шкалам поворотного устройства и совмещение фазового центра исследуемой антенны с вертикальной осью вращения.

1.Установить органы управления на лицевой пенели генератора СВЧ Г4-80 в исходное состояние:

-кнопочные переключатели выбора режима работы, расположенные в левом нижнем угле лицевой панели отжаты (при этом на выход генератора не поступает СВЧ мощность);

-ручка аттенюатора «Регулировка мощности» находится в крайнем левом положении против часовой стрелки;

-ручка «Регулировка частоты» - в произвольном положении;

-тумблер «СЕТЬ» включен.

2.Ослабить фиксирующие винты (14 на рис.9) крепления опоры (11 на рис.9) со штангой и антенной у обоих поворотных устройств (6) на рис. 6. Ослабить фиксирующие винты (6 на рис.9) колец (5 на рис.9). После этого:

-удерживая узел опоры, повернуть фланец (3) в положение, соответствующее отсчету угла 0⁰;

-установить микрометрические винты (8) в положение, соответствующее 0,0⁰;

-затянуть фиксирующие винты (6) колец (5);

-установить вручную, вращая фланцы (3), связанные с приемной и передающей антеннами, в положение, соответствующее их ориентации главными максимумами друг на друга (приближенно).

3.Установить углы поворота спиральных облучателей вокруг оси α_i=0⁰ (i=1,2,3,4). Отсчет угла поворота осуществляется по шкале на опорном цилиндре спирали.

Внимание! Поворот спиральных облучателей следует проводить с осторожностью. Поворот спирали вокруг продольной оси по часовой стрелке приводит (рис.7) к вворачиванию по резьбе заполнения (5) во фторопластовую втулку (3). Если заполнение ввернуто до упора, то поворот спирали можно осуществлять только против часовой стрелки.

4.Проверить наличие соединений между элементами схемы макета в соответствии с рис. 11:

-кабельный разъем передающей спиральной антенны с выходом генератора;.

-кабельный разъем приемной спиральной антенны с детекторной секцией;.

-выход детекторной секции со входом блока «Регистратор»;

-выход синхросигнала блока «Регистратор» со входом синхронизации генератора.

5.Установить кнопочный переключатель пределов чувствительности блока «Регистратор» в положение 200 мВ включить тумблер «СЕТЬ» на его лицевой панели.

6.Включить генератор. Для этого нажать кнопку «П, внешняя модуляция» кнопочного переключателя выбора режима работы, расположенного в левом нижнем угле лицевой панели генератора. При этом на выход генератора поступает СВЧ мощность, уровень которой регулируется ручкой аттенюатора «Регулировка мощности». По шкале генератора установить частоту, заданную преподавателем.

7.Увеличивая выходную мощность генератора, вращая ручки регулировки выходной мощности по часовой стрелке, и при необходимости изменяя чувствительность усилителя, добиться появления заметных показаний на цифровой шкале блока «Регистратор».

8.Ослабить фиксирующий винт короткозамыкателя (12) детекторной секции (рис. 14) и перемещая его в продольном направлении добиться максимальных показаний на цифровой шкале блока «Регистратор».

9.Вращая в небольших пределах фланец (3), связанный с передающей антенной, добиться максимальных показаний на цифровой шкале блока «Регистратор».

10.Вращая в небольших пределах фланец (3), связанный с приемной антенной, добиться максимальных показаний на цифровой шкале блока «Регистратор».

11.Добиться методом последовательных приближений максимальных показаний на цифровой шкале блока «Регистратор», повторяя при необходимости действия, предусмотренные пунктами 7 и 8. После этого затянуть фиксирующие винты (17) крепления узла опоры (12) со штангами и антеннами

12.Ослабить фиксирующие винты (6) колец (5) передающей антенны. После этого ее поворот осуществляется совместно с фланцем (3).

13.Повернуть передающую антенну вручную в положение, соответствующее первому минимуму диаграммы направленности. Значение принимаемой мощности должно при этом надежно измеряться при максимальной чувствительности усилителя. При необходимости изменить уровень выходной мощности генератора. Этим устанавливается мощность, излучаемая передающей антенной. В последующих измерениях параметров данной антенны изменять ее нельзя. При регулировке следует стремиться к установлению минимального уровня излучаемой мощности, при котором обеспечивается удобство измерений.