Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЁЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ
ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ радИоЭлектронИки
Методическая разработка по лабораторной работе
«Исследование зон Френеля»
Харьков 2012
Цель работы
1.Изучение областей пространства, существенно участвующих в передаче энергии радиоволн.
2.Исследование влияния высоты препятствия (величины просвета) на напряженность поля в точке приема.
Для этого необходимо:
а) исследовать зависимость уровня напряженности поля в месте приема от радиуса отверстия в экране, установленном между передающей и приемной антеннами;
б) получить представление о размерах зон Френеля и области пространства, существенно влияющей на распространение радиоволн;
в) определить зависимость радиуса первой зоны Френеля от расстояния до источника излучения;
г) убедиться, что соседние зоны Френеля создают излучение, отличающееся друг от друга по фазе на 180°.
Теоретические сведения
При передаче электромагнитной энергии из одного пункта в другой основная ее часть передается вблизи прямой линии, соединяющей эти пункты. Эта область называется существенной для переноса энергии волн из одной точки пространства в другую. При определении размеров и формы этой области пространства пользуются принципом Гюйгенса-Френеля и вытекающим из него понятием о зонах Френеля [1-3]. Из принципа Гюйгенса-Френеля следует, что каждый элемент воображаемой поверхности, охватывающей излучатель, можно рассматривать как источник вторичного излучения (элемент Гюйгенса), а поле в точке приема как результат суперпозиции волн от этих источников излучения (рис. 1).
Рисунок 1 – Построение зон Френеля
Вторичные излучатели могут быть сгруппированы в зоны Френеля таким образом, что в пределах одной и той же зоны находятся только те излучатели, которые создают в точке приема поле, отличающееся по фазе не более чем на 180° (рис. 2).
Рисунок 2 – Поперечное сечение зон Френеля
На рисунке условно эти зоны обозначены знаками «плюс» и «минус». Внешние радиусы этих зон определяются выражением
(1)
где n – номер зоны Френеля, l1 – расстояние от источника поля до плоскости, представляющей часть поверхности сферы фронта волны S (рис. 1), l2 – расстояние от поверхности сферы S до точки приема.
Площади всех зон Френеля одинаковы и равны
(2)
Для наглядности представления процесса формирования поля в точке приема поместим на пути распространения радиоволн перпендикуляр но линии, соединяющей пункты передачи и приема, непрозрачный для радиоволн экран с отверстием переменного радиуса (диафрагму). При увеличении радиуса (площади) круглого отверстия от нуля поле будет расти и достигнет максимума при площади отверстия, равной площади первой зоны Френеля. При дальнейшем увеличении радиуса отверстия напряженность поля в точке приема начнет уменьшаться, так как вторичные источники второй зоны Френеля создают поле, отличающееся по фазе на180° от поля первой зоны. Если отверстие равно площади двух зон Френеля, то поле будет иметь минимальное значение.
Рисунок 3 – Зависимость Е/Е0 от изменения площади отверстия S/S1
На рис. 3 приведен график зависимости отношения напряженности поля в точке наблюдения Е к полю свободного пространства Е0 от числа зон Френеля n=S/S1, помещающихся в отверстии. Из графика видно, что поле в точке приема будет иметь наибольшую величину при отверстии, соответствующем размерам первой зоны Френеля. По мере увеличения числа зон происходит осцилляция с затухающей амплитудой напряженности поля вокруг значения напряженности поля в свободном пространстве. Это объясняется тем, что с ростом номера зоны амплитуда создаваемого ею поля убывает, так как при этом увеличивается расстояние от вторичного источника излучения до точки наблюдения, а также за счет направленных свойств вторичного излучателя.
При отверстии, соответствующем размерам (8-12) зон Френеля, осцилляции амплитуды поля практически отсутствуют, и поле в точке приема мало отличается от поля в свободном пространстве. Следовательно, в формировании поля в точке В, участвует часть пространства, охватывающая (8-12) зон Френеля. Такая область называется областью существенно участвующей в переносе энергии от одной точки пространства в другую. Из графика следует также, что в результате взаимной компенсации совокупное действие всех зон Френеля эквивалентно действию 1/3 первой зоны Френеля (по площади), радиус которой
, (3)
Радиусы всех зон Френеля уменьшаются при приближении к концевым участкам трассы и имеют наибольшее значение на середине трассы. В пространстве они представляют собой эллипсоиды вращения с фокусами в точках приема и передачи (рис. 4).
Рисунок 4 – Эллипсы, соответствующие зонам Френеля
На реальных трассах радиолиний не встречаются препятствия в виде круглых отверстий. Обычно имеют место препятствия в виде гор, холмов и местных предметов, расположенных по одну сторону от линии АВ. Такие препятствия можно аппроксимировать полуплоскостью.
На рис. 5 показана зависимость отношения напряженности поля Е к полю в свободном пространстве Е0 от параметра , где b0 определяется выражением (3).
Рисунок 5 – Зависимость Е/Е0 от величины просвета
Из рисунка следует, что, когда все зоны Френеля перекрыты наполовину (Н=0), напряженность поля в точке приема составляет 0,5Е0. При увеличении степени закрытия трассы (Н < 0) поле в точке приема быстро падает, а с увеличением просвета (Н > 0) поле растет до величины 1,16Е0, а затем осциллируя, приближается к полю свободного пространства.
Исследования в лабораторной работе проводятся для Ku-диапазона длин волн спутниковых линий связи.
Частоты, используемые в спутниковой связи, разделяют на диапазоны, обозначаемые буквами. К сожалению, в различной литературе точные границы диапазонов могут не совпадать. Ориентировочные значения даны в рекомендации ITU-R V.431-6 [4]:
Таблица 1 – Диапазоны частот спутниковых систем связи
|
Название диапазона |
Частоты (согласно ITU-R V.431-6) |
Применение |
|
L |
1,5 ГГц |
Подвижная спутниковая связь |
|
S |
2,5 ГГц |
Подвижная спутниковая связь |
|
С |
4 ГГц, 6 ГГц |
Фиксированная спутниковая связь |
|
X |
Для спутниковой связи рекомендациями ITU-R частоты не определены. Для приложений радиолокации указан диапазон 8-12 ГГц. |
Фиксированная спутниковая связь (для военных целей) |
|
Ku |
11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц |
Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание |
|
K |
20 ГГц |
Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание |
|
Ka |
30 ГГц |
Фиксированная спутниковая связь, межспутниковая связь |
Используются и более высокие частоты, но повышение их затруднено высоким поглощением радиоволн этих частот атмосферой.
Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно небольшими антеннами, и поэтому используется в спутниковом телевидении (DVB), несмотря на то, что в этом диапазоне погодные условия оказывают существенное влияние на качество передачи.
Приёмная часть лабораторной установки располагается в дальней зоне излучателя (антенны).
Дальняя зона (антенны) (зона Фраунгофера) – область, в которой плотность потока энергии излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния от антенны.
В дальней зоне направленные свойства антенны (диаграмма направленности) зависят только от углового направления, в отличие от ближней зоны, где направленные свойства определяются законами геометрической оптики.
Когда говорят о диаграмме направленности антенны, то обычно подразумевают диаграмму направленности антенны в дальней зоне.
Граница дальней зоны определяется соотношением размеров антенны и длины волны:
,
где r – расстояние от фазового центра антенны; D – максимальный габаритный размер антенны (размер апертуры); λ – длина волны.
Для Ku-диапазона длин волн и используемого класса излучателя лабораторной установки расстояние дальней зоны составляет величину превышающую 2 метра.
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка (рис. 3.6) состоит из генератора (1); передающей (2) и приемной (3) рупорных антенн Ku-диапазона длин волн; детекторной секции (4) с измерительным прибором (5), металлического экрана (6) с круглым отверстием, плавно регулируемого диаметра (диафрагмы), а также плоского металлического кольца и диэлектрического кольца с размерами, соответствующим 2-й зоне Френеля (на рис. 6), не показаны). Толщина диэлектрического кольца выбрана так, чтобы изменить на 180° фазу поля 2-й зоны Френеля. Передающая антенна является неподвижной. Приемная антенна и диафрагма могут перемещаться, что позволяет выполнять измерения при различных расстояниях между антеннами и экраном.
Рисунок 6 – Схема лабораторной установки
Для исследования высоты препятствия на распространение радиоволн необходимо в состав лабораторной установки ввести металлический сплошной экран, который мог бы перемещаться в вертикальной плоскости перпендикулярно линии АВ, соединяющей излучатели (антенны), и тем самым изменять величину просвета. В целях упрощения конструкции в данной работе используется сплошной металлический экран, который может перемещаться в горизонтальной плоскости перпендикулярно линии АВ.
Порядок выполнения работы
1.Изучить лабораторную установку и правила использования измерительной аппаратуры.
2.Измерить зависимость напряженности поля в месте приема от диаметра отверстия в экране и определить радиусы 1, 2 и 3 зон Френеля. Для этого необходимо расположить приемную антенну на расстоянии 300 см от передающей антенны, установить максимальный радиус отверстия в экране и, переместив экран за приемную антенну, замерить поле в свободном пространстве – x. При этом стрелка индикатора прибора должна находиться в среднем положении шкалы. Затем установить экран на расстоянии 150 см от передающей антенны. Увеличивая отверстие в экране, записывать показания индикатора (x) и радиусы отверстия (b). Обратить внимание на более точное определение радиусов отверстия при максимальном и минимальном показаниях прибора, определяющих радиусы зон Френеля. При обработке результатов измерений учесть нелинейность характеристики детектора. Результаты измерений занести в табл. 2.
Таблица 2 – Результаты измерений зависимости напряженности поля в месте приема от диаметра отверстия в экране
|
b, см |
|
|
x, дел |
|
|
f(b) |
Построить график зависимости напряженности поля от радиуса отверстия в экране
, (4)
Определить радиусы 1, 2, 3 зон Френеля. Далее рассчитать радиусы 1, 2, 3 зон Френеля по (1), полагая l =300см, l1 = l2 = 150 см, а также радиусы существенной (n = 8 и n = 12) и минимальной областей пространства соответственно по (1) и (3).
Результаты расчетов и измерений занести в табл. 3.
Таблица 3 – Результаты расчетов и измерений радиусов 1, 2, 3 зон Френеля
|
b1, см |
b2, см |
b3, см |
bmin, см |
b(n=8), см |
b(n=12),см |
Примечание |
|
Эксперимент |
||||||
|
Расчет |
3.Определить зависимость радиуса первой зоны Френеля от расстояния до источника излучения.
Для этого установить расстояние между антеннами 300 см. Переместить экран к передающей антенне на минимальное расстояние (до упора). При постепенном открывании отверстия в экране по максимальному показанию прибора записать радиус отверстия (это радиус 1-й зоны Френеля). Аналогично определить радиусы 1-й зоны Френеля при других положениях экрана, указанных в табл. 4. В табл. 4 занести результаты измерений и расчетов радиусов 1-й зоны Френеля для значений l1 и l2, указанных в табл. 4. Расчеты выполнить по (1).
Таблица 4 – результаты измерений и расчетов радиусов 1-й зоны Френеля для значений l1 и l2
|
l1, см |
l2, см |
b2, см |
|
|
эксперимент |
расчет |
||
|
50 |
|||
|
100 |
|||
|
120 |
|||
|
150 |
4. Изучить свойства зон Френеля. Убедиться, что соседние зоны создают излучения, отличающиеся друг от друга по фазе на 180 °.
Для этого расположить диафрагму на расстоянии 150 см от передающей и приемной антенн. Установить радиус отверстия диафрагмы, равным трем зонам Френеля, и записать показание индикатора (x). Поочередно закрыть 2-ю зону Френеля металлическим, а затем диэлектрическим кольцом и записать показания индикатора. Результаты измерений занести в табл. 5. В выводах по работе дать объяснение полученным результатам.
Таблица 5 – Результаты измерений напряженности поля 3-х зон Френеля
|
x, дел |
Е=√х |
E/E0 |
|
|
Радиус отверстия равен трем зонам |
|||
|
Вторая зона закрыта металлическим кольцом |
|||
|
Вторая зона закрыта диэлектрическим кольцом |
Содержание отчета
1. Схема лабораторной установки и перечисление основных ее элементов.
2. Таблицы с записями первичных результатов измерений и расчетов.
3. Графический материал.
4. Выводы по работе.
Контрольные вопросы
1.Что представляют собой зоны Френеля на поверхности плоскости?
2.Чему равна разность хода лучей между соседними зонами?
3. От каких величин зависит радиус зон Френеля?
4. Какие зоны являются существенно участвующими в передаче энергии электромагнитных волн от передатчика к приемнику?
5. Что представляет собой существенная и минимальная зоны?
6. Чему равно поле минимальной зоны?
7. Чему равно совместное действие всех зон Френеля?
8. Дать определение области, существенной для распространения радиоволн.
9. Объяснить зависимость напряженности поля в точке приема от величины отверстия в экране.
Литература
1. Черенкова Е.Л., Чернышев О.В. Распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1984.
2. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М.: Связь, 1972.
3. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М.: Высш. шк., 1975.
4. Recommendation ITU-R V.431-6. Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunications