8.6.5Рупорные антенны

Рупорными называют антенны, излучатели которых напоминают акустические рупоры – металлические трубы, плавно расширяющиеся от одного конца к другому. Поперечное сечение узкого конца рупорной антенны соответствует волноводу для электромагнитной волны определенного типа, а расширяющаяся часть предназначена для согласования волновода со свободным пространством.

Измерительные антенны чаще всего строятся на основе волновода прямоугольного сечения с волной типа Н₁₀, для которой излучатель выполняется в виде пирамидального рупора. Мощность, излучаемая рупором, равна произведению вектора Пойтинга П на «эффективную поверхность» S_эфф.

Р = П· S_эфф

Из рупора в пространство излучается волна, фронт которой заметно отличается от фронта плоской волны. Поэтому S_эфф ≠ S_г, приближенно S_эфф≈0,8 S_г.

Учитывая связь напряженности электромагнитного поля с вектором Пойтинга для поля в пространстве перед рупором можно записать

где 120π – сопротивление свободного пространства.

Мощность, излучаемая рупорной антенной, можно записать как

Тогда формула для расчета напряженности электрического поля на входе рупорной антенны

В качестве примера рассмотрим конструкцию антенны П6-23А, предназначенную для измерения в диапазоне 1…12ГГц. Это рупорная ненастраиваемая антенна линейной поляризации объединяет в себе рупорный излучатель и плавный переход от коаксиальной линии сечением 7/3 к рупорному излучателю (рис. 7.12)

Рис. 7.63. Конструкция широкополосной рупорной антенны

В плавном переходе коаксиальная линия преобразуется в линию с квадратным внешним проводником (сечение Б-Б), далее в коньковый волновод (сечение В-В), затем в Н- образный волновод (сечение Г-Г) с постепенным увеличением размеров (сечение Д-Д) и наконец в рупор. Благодаря плавной трансформации сечений структура поля волны коаксиальной линии постепенно преобразуется в структуру поля рупора. Использование в процессе преобразования Н- образного волновода и обеспечило широкую полосу рабочих частот при хорошем согласовании (К_ств 1,5)

В раскрыве рупора установлена линза из пенистого полистирола для коррекции фазовых искажений во всем диапазоне частот.

8.6.6 Биконическая антенна

Биконическая антенна для диапазона 20…200МГц является наиболее распространенной из используемых антенн указанного диапазона. Биконическая антенна выполнена из элементов, которые расходятся в виде конуса с небольшим диаметром вблизи горловины и относительно большим диаметром на конце. Антенна является всенаправленной в Н- плоскости и двунаправленной в Е плоскости. Для измерения поля вертикальной поляризации элементы антенны должны быть повернуты на 90º так, чтобы нижние элементы находились на высоте не менее 0,5м от земли. При меньшем расстоянии от земли один конец будет иметь емкостную нагрузку, что приведет к изменению антенного фактора.

9. Измерение частоты

9.1.Основные определения

Частотой называют физическую величину, равную числу идентичных событий в единицу времени. За единицу частоты — герц — принята такая частота, при которой совершается одно событие в секунду. Как для периодических (гармонических), так и для квазигармонических процессов частота является усредненной характеристикой за время наблюдения.

Характерным примером периодического процесса может служить синусоидальный сигнал с амплитудой U_т и частотой f

U(t) = U_m.Sin(2πf·t), (8.1)

где t — время.

Произведение 2πf в (8.1) называют круговой частотой и обозначают греческой буквой ω.

Формула (8.1) описывает бесконечный колебательный процесс, у которого ни амплитуда, ни частота не меняется во времени. Реальные процессы конечны (есть моменты начала и окончания), поэтому у них и амплитуда и частота зависят от времени:

u(t)=U_m(t)-sin[2πf(t)·t] (8.2)

Колебания, описываемые формулой (8.2), называются модулированными. Если изменяется только амплитуда, то колебания называют амплитудно-модулированными; если изменяется только частота, то их называют частотно-модулированными. Возможен еще один вид модуляции — фазовый, при которой меняется фаза гармонического процесса φ.

Закон изменения во времени частоты может быть различным, в том числе и случайным. В последнем случае вводят понятие нестабильности частоты. Различают кратковременную и долговременную нестабильность. Под долговременной нестабильностью частоты понимают разность двух усредненных значений частоты в начале и конце времени наблюдения. Например, нестабильность генераторов в СВЧ диапазоне определяется за время 15 мин.

Измерение частоты может выполняться двумя методами. Первый метод заключается в определении числа событий за интервал времени наблюдения с последующим делением полученного числа на этот интервал (метод прямого счета). Второй метод состоит в сравнении частоты периодического процесса с частотой, воспроизводимой мерой.

Особенности измерения сверхвысоких частот связаны, во-первых, с техническими трудностями реализации метода прямого счета, используемого в электронно-счетных частотомерах до 1 ГГц. Во-вторых, практические задачи измерения сверхвысоких частот требуют очень малые относительные погрешности. Например, погрешность 1 % на частоте 10 ГГц соответствует полосе частот десятка телевизионных каналов, что при контроле частоты телевизионного передатчика недопустимо. Поэтому здесь необходимо уменьшать погрешности измерения частоты до 10^-5 %•

В практике измерений сверхвысоких частот применяют частотомеры двух типов: резонансные и электронно-счетные.