Лабораторная работа №2 - Исследование поля излу..

16

621.396

Л 125

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ СССР

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Утверждено

учебным управлением МЭИ

Лабораторная работа № 2

по курсу

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ

РАДИОВОЛН

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ ИЗЛУЧАТЕЛЯ,

РАСПОЛОЖЕННОГО ВБЛИЗИ ПОВЕРХНОСТИ

ЗЕМЛИ

(Продолжительность лабораторного занятия 4 часа)

Москва 1986

621.396

Л 125

УДК: 621.396.1.018.001.57 (076.5)

Исследование поля излучателя, расположенного вблизи поверхности земли /Грудинская Г. П., Зайцев А. С. — М.: Моск. энерг. ин-т, 1986. — 16 с.

Описание лабораторной работы «Исследование поля излучателя, расположенного вблизи поверхности земли» содержит постановку задачи, расчетное задание, описание экспериментальной установки, задание к экспериментальной части, контрольные вопросы.

Описание лабораторной работы предназначено для студентов радиотехнического факультета (дневной и вечерней форм обучения), выполняющих лабораторные работы по 2-й части курса «Электродинамика и распространение радиоволн».

2.1. Введение

Целью работы является изучение влияния поверхности Земли на амплитудные и поляризационные характеристики поля излучателя, расположенного вблизи поверхности. Исследуется характер диаграмм направленности излучателя в вертикальной плоскости в зависимости от высоты располо­жения излучателя, электрических свойств поверхности и вида поляризации излучаемой волны; распределение напряжен­ности поля вдоль радиотрассы; структура электрического поля вблизи границы раздела воздух — полупроводящая поверхность.

Все исследования проводятся на модели радиотрассы.

Рис. 2.1. Схема радиолинии при антеннах, поднятых на высоты и над плоской поверхностью:

- траектория прямой волны;

- траектория отраженной волны.

На рис. 2.1 изображена схема радиолинии, на которой передающая и приемная антенны подняты над плоской по­верхностью на высоты и и разнесены на расстояние. Амплитуда вектора напряженности поля над плоской поверхностью при условии, что и , определяется интерференционной формулой:

 . (2.1)

Здесь — амплитуда напряженности поля в свободном пространстве:

 . (2.2)

зависит от мощности передатчика, коэффициента направленного действия антенны, коэффициента полезного действия антенны и характеристики направленности передающей антенны F(θ). При этом для горизонталь­ного вибратора и для вертикального вибратора. В формуле (2.1) —множитель влияния поверхности; для слабонаправленных антенн определяется выражением:

 , (2.3)

где —угол падения волны на поверхность, — волновое число, и —модули и фазы коэффициентов отражения при параллельной и нормальной поляризациях волны:

 , (2.4)

 , (2.5)

— комплексная диэлектрическая проницаемость поверхности; в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн при диэлектрическая проницаемость может считаться действительной величиной ; — удельная объемная проводимость среды, измеряемая в См/м.

На рис. 2.2 представлены графики зависимости модуля коэффициента отражения радиоволн от сухого песка (, или ) при параллельной и нормальной поляризациях. Модуль коэффициента отражения от идеально проводящей поверхности для любых углов и любого вида поляризации равен . Фаза коэффициента отражения от идеального диэлектрика или проводника при нормальной поляризации волны равняется , при параллельной поляризации и отражении от идеального проводника фаза не меняется; при отражении от идеального диэлектрика фаза коэффициента отражения зависит от угла падения волны : при (—угол полного преломления) , при .

Если на поверхности имеются неровности, высота которых превосходит допустимое значение определяемое критерием Рэлея

 , (2.6)

Рис. 2.2. Графики изменения модуля коэффициента отражения плоской волны от границы воздух - песок при изменении угла падения волны:

— — нормально поляризованная волна;

параллельно поляризованная волна;

1 - диэлектрическая проницаемость поверхности ;

2 - диэлектрическая проницаемость поверхности .

то происходит рассеяние радиоволн и напряженность поля волны, рассеянной в направлении зеркального отражения уменьшается, что приводит к уменьшению эффективного коэффициента отражения. Модуль эффективного коэффициента отражения от поверхности с неровностями или неизвестными электрическими параметрами | можно определить по измеренному распределению поля в вертикальной плоскости

 , (2.7)

где — отношение амплитуд напряженности поля в соседних минимумах и максимумах распределения поля.

В важном для практики случае пологих лучей () , и множитель влияния поверхности сводится к упрощенной формуле Введенского

 . (2.8)

Применимость формулы (2.8) ограничена соотношением между высотами подъема антенн и протяженностью радиотрассы

 . (2.9)

Структура поля волны, распространяющейся в непосредственной близости от полупроводящей поверхности, отличается от структуры поля в свободном пространстве. Если антенна, излучающая параллельно поляризованную волну, расположена вблизи полу проводящей поверхности (), то вдоль границы раздела «воздух — поверхность» распространяется поверхностная волна, имеющая наряду с вертикальной составляющей вектора электрического поля, го­ризонтальную составляющую , направление которой совпадает с направлением на приемную антенну (рис. 2.3). Связь между ортогональными составляющими поля над по­верхностью определяется формулами

 , (2.10)

Рис. 2.3. Структура поля радиоволны, распространяющейся вблизи полупроводящей поверхности

где —разность фаз между составляющими и . Суммарное поле имеет эллиптическую поляризацию. При малой проводимости поверхности , и поляризация суммарного поля, близка к линейной. Угол между нормалью к поверхности и направлением вектора составляет угол

 . (2.11)

Под поверхностью (в земле) также возбуждаются две составляющие и , связанные с соответствующими составляющими поля над поверхностью соотношениями

 ; (2.12)

 . (2.13)

В общем случае поле под поверхностью имеет эллиптическую поляризацию, которая при малых потерях () переходит в линейную, причем векторы и взаимно перпендикулярны

 . (2.14)

Поверхностная волна существует только в непосредственной близости от границы раздела и амплитуда поля этой волны экспоненциально затухает при удалении от поверхности.

2.2. Расчетное задание

1. С помощью формул (2.2) и (2.3) и графиков рис. 2.2 рассчитать и построить в декартовой системе координат нормированные графики распределения напряженности поля в вертикальной плоскости для электрических вертикального В и горизонтального Г вибраторов, поднятых над идеальными металлом и диэлектриком. Значения , и тип вибратора для каждой бригады указаны в табл. 2.1.

Таблица 2.1

№ бригады12345678

11112211

Тип вибратораВГВГВГГВ

35533535

При расчете графиков следует, прежде всего, определить углы, при которых имеют место максимумы и минимумы, и потом рассчитать промежуточные точки. Нормировку проводить по максимальному значению поля в свободном пространстве.

2. По формуле (2.9) рассчитать максимальную величину , при которой применима формула Введенского (2.8), взяв значения из табл. 2.1 см. Построить график зависимости нормированной величины от по формуле (2.8), приняв значение при за единицу, менять от 0 до 10 см, см.

3. Построить графики и для , меняющихся в пределах от 30см до 50см. Значение при см принять за единицу.

4. Рассчитать, используя формулу (2.6), углы, при которых начинают влиять неровности высотой и 2,5см.

5. По формулам (2.10—2.13) рассчитать отношения , и углы наклона векторов и и при , См/м, см.

2.3. Экспериментальная часть

Описание установки

Лабораторная установка (рис. 2.4) состоит из модели земной радиотрассы А, передающего устройства в виде рупорной антенны Г и клистронного генератора В , приемного устройства, состоящего из трех приемных зондов 1, 2, 3 и усилителя Б.

При моделировании протяженность трассы и высоты рас­положения антенн уменьшаются в отношении . Используемая установка представляет собой ящик длиной 90см. Генератор работает на частоте 9400 МГц ( см). Таким образом, установка может служить моделью радиотрассы декаметровых волн (например, м, протяженность трассы 270м).

Для полного моделирования коэффициент отражения R должен сохраниться прежним. Следовательно, величина не должна изменяться и проводимость поверхности модели должна быть больше, чем на реальной трассе ( ). В нашем примере .

Поэтому песок, заполняющий ящик, моделирует очень сухую поверхность с См/м, а для моделирования поверхности моря применяется металл (проводимость морской воды 4 См/м, модель должна иметь .проводимость См/м). С целью уменьшения влияния посторонних предметов и излучений радиотрасса по боковой и конечной сторонам закрыта поглощающими экранами.

В качестве излучающей антенны применяется рупор, расширяющийся в горизонтальной плоскости. Изменение поляризации излучающей волны осуществляется поворотом на 90° волновода с клистронной головкой, питающего рупор.

Рис. 2.4.: а - структурная схема лабораторной установки: А - модель радиотрассы; Б - блок питания генератора и усилителя; В - выносная клистронная головка; Г - рупор; Д - переключатель зондов: 1 - зонд для измерения поляризации поля в земле; 2 - зонд для измерения распределения поля в вертикальной плоскости; 3 - зонд для измерения поляризационной характеристики поля над землей и распределения поля вдоль радиотрассы; Е - рукоятка для перемещения зонда 2; Ж - рукоятка для перемещения зонда 3; 3 - рукоятка для перемещения рупора по высоте; б - расположение органов управления блока питания клистронного генератора и измерительного усилителя: 1 - тумблер включения прибора в сеть; 2 - сигнальная лампочка включения сети; 3 - декадный переключатель уровня входного сигнала; 4 - ручка плавной регулировки уровня входного сигнала; 5 - индикатор уровня входного сигнала; 6 - разъем для подключения зондов; 7 - ручка регулировки установки нуля; 8 - индикатор тока клистрона; 9 - ручка регулировки напряжения отражателя клистрона; 10 - выключатель напряжения отражателя клистрона; 11 - сигнальная лампочка включения напряжения отражателя клистрона.

Диаграммы направленности рупора в вертикальной плоскости при параллельной и нормальной поляризациях изображены на рис. 2.5. При параллельной поляризации диаграммы направленности рупора и вибратора почти совпадают, при нормальной существенно отличаются, что приводит к отличию результатов эксперимента от расчета. Высота передающего рупора меняется путем перемещения его вместе с клистронной головкой на