1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Приобрести навыки работы с программой MathCAD.
1.2 Создать модель директорной антенны в среде программы MathCAD.
1.3 Исследовать направленные свойства модели директорной антенны в среде программы MathCAD.
1.4 Оптимизировать параметры модели директорной антенны в среде программы MathCAD.
2 ЛИТЕРАТУРА
2.1 В.П. Чернышов, Д.И. Шейман, Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Учебник для техникумов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Радио и связь, 1989. С. 94 – 107,126 – 134,136 - 144.
3 ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
3.1 Изучить по [2.1] основные принципы построения, конструкцию, технические характеристики многовибраторных, директорных антенн.
3.2 Подготовиться к допуску к лабораторной работе. Для этого решить задачу. Построить схему конструкции директорной антенны для исходных данных таблицы 3.1. Номер варианта соответствует последней цифре номера студенческого билета. Для четного варианта вибраторы размещать в горизонтальной плоскости, а для нечетного в вертикальной. Зарисовать схему размещения конструктивных элементов директорной антенны, указав параметры d – относительное расстояние между вибраторами, l – длина плеча активного вибратора, n – количество пассивных вибраторов. Рассчитать длину рефлектора, директора и пассивных вибраторов, выбрать их диаметр согласно п.6.6.4. Показать на схеме подключение фидера и согласующего устройства. Написать назначение каждого конструктивного узла. Написать формулы для расчета диаграммы направленности. Привести векторную диаграмму сложения поля активного вибратора и пассивного рефлектора, директора. Составить программу математической модели директорной антенны в среде программы MathCAD по формулам [2.1] c. 98.
Таблица 3.1 – Исходные данные для исследования модели директорной антенны
| Вариант № | 10(0) | |||||||||
| Кол-во пассивных вибрато ров, n | ||||||||||
| Относительное расстояние между вибраторами (L/λ)=d | 0,25 | 0,2 | 0,15 | 0,2 | 0,25 | 0,25 | 0,3 | 0,15 | 0,03 | 0,015 |
| Длина плеча активного вибратора Lа, м (l) | 1,5 | 2,5 | 2,25 | 2,5 | 1,5 | 0,5 | 0,2 | 0,12 | ||
| Длина волны λ,м | 4,5 | 5,4 | 3,5 | 0,6 | 0,3 |
3.3 Подготовить ответы на вопросы для самопроверки.
4 ВОПРОСЫДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
4.1 В каких диапазонах волн и частот находит применение директорных антенн?
4.2 Какова область использования директорной антенны?
4.3 Для чего предназначен активный вибратор в составе директорной антенны?
4.4 Каким преимуществом обладает петлевой вибратор по сравнению с простым полуволновым?
4.5 Для чего предназначен рефлектор в составе директорной антенны?
4.6 Поясните с помощью векторной диаграммы, как складываются поля активного петлевого вибратора и пассивного рефлектора.
4.7 Поясните с помощью векторной диаграммы, как складываются поля активного петлевого вибратора и пассивного директора.
4.8 Как расширить полосу пропускания директорной антенны?
4.9 Как осуществляется крепление активного петлевого вибратора к металлической стреле? Почему?
4.10 Какой характер входного сопротивления должен иметь рефлектор? Как его обеспечить?
4.11 Какой характер входного сопротивления должен иметь директор? Как его обеспечить?
4.12 Как обеспечить согласование антенны с фидером?
4.13 Перечислите преимущества и недостатки директорных антенн?
5 АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
5.1 Рабочая станция локальной сети.
5.2 Графический манипулятор мышь.
5.3 Программное обеспечение MathCAD.
6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
6.1 Ответить на вопросы программированного допуска и показать выполнение домашнего задания п.3.2.
6.2 Получить инструктаж по технике безопасности.
ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Соблюдайте правила эргономики. Проверьте наличие заземления устройств.
6.3 Приобрести навыки работы с программой MathCAD, для этого
6.3.1 Включить персональный компьютер и наблюдать выход в операционную среду Windows. Нажать левую клавишу мыши на изображении «Мой компьютер», а затем проделать программный путь D:/Будько, распаковать файл MathCAD и получить стандартное окно программы.
6.3.2 Подводить стрелку курсора к изображениям стандартного окна программы MathCAD. Читать появляющиеся надписи и принимать их к сведению.
6.3.3 Ознакомиться с содержанием функциональных надписей File, Edit, View, Insert, Format, Tools, Symbolics, Window, Help, нажав левую клавишу манипулятора мышь на одну из указанных выше надписей и перемещая манипулятор влево или вправо по надписям.
6.3.4 Нажать левую клавишу манипулятора мышь поочередно на изображениях Calculator Toolbar, Graph Toolbar, Evaluation Toolbar, Greek Symbol Toolbar. Наблюдать появление дополнительных окон Калькулятор, Графики, Операции и Греческие символы.
6.4 Создать модель директорной антенны в среде программы MathCAD, для этого
6.4.1 Нажать левую клавишу мыши в том месте рабочего окна куда планируется поместить первое выражение математической модели директорной антенны. Наблюдать появление крестика.
6.4.2 Нажать левую клавишу мыши на изображении буквы ϕ, расположенной в окне греческого алфавита. Наблюдать появление буквы.
6.4.3 Нажать левую клавишу мыши на изображении двоеточия и равно (Definition:) в окне Evaluation. Это функция присвоения. Наблюдать появление символа:=.
6.4.4 Перейти на английский алфавит EN. Ввести с помощью клавиатуры первое число диапазона расчета. Использовать точку для представления десятичного числа. Оно же указывает, через какой интервал будет производиться расчет. Затем нажать точку с запятой в английском языке. Наблюдать появление двух последовательно расположенных точек... Затем ввести с помощью клавиатуры конечное число диапазона расчета – 180.
6.4.5 Проделать п.6.4.1 – 6.4.4 для других формул и ввести математическую программную модель директорной антенны для своего варианта. Номер варианта соответствует последней цифре номера студенческого билета. Для введения дроби использовать Division или /. Для введения тригонометрических функций использовать окно Calculator или Insert. Листинг программы может быть представлен следующим образом:
ϕ:=0.5..180
n:=33
λ:=l
|
l:=0.15
d:=0.015
|
|
|
Рисунок 3.1 – Листинг программы, моделирующей директорную антенну
6.4.6 Нажать левую клавишу мыши в том месте рабочего окна куда планируется поместить таблицу расчета диаграммы направленности. Затем ввести F(ϕ) и нажать клавишу =. Наблюдать таблицу. Данные записать в отчет. Сделать выводы. Если таблица не появляется, значит, в листинге допущена ошибка. Исправить ее. Записать в отчет, в чем заключалась ошибка программы.
6.5 Исследовать направленные свойства модели директорной антенны в среде программы MathCAD, для этого
6.5.1 Нажать левую клавишу мыши в окне Graf надпись X-Y Plot. Наблюдать появление изображения осей графика. Установить наименование осей Y – F(ϕ), а X – ϕ. Наблюдать появление изображения графика диаграммы направленности в декартовой системе координат. Установить такие пределы наблюдения по осям, чтобы график занимал всю площадь.
6.5.2 Найти максимальное значение функции изображенной на графике. Рассчитать произведение максимального значения функции на 0.707. Провести прямую на уровне 0.707 параллельную оси X. Опустить перпендикуляры на ось X. Рассчитать с помощью масштаба значения ϕмин и ϕмакс. Найти разницу ϕмакс - ϕмин. Это и будет ширина диаграммы направленности 2ϴ, рассчитанная в прямоугольной системе координат. Расчет можно пояснить рисунком 3.2. Рисунок для вашего варианта зарисовать в отчет.
6.5.3 Получить график диаграммы направленности в полярной системе координат. Для этого нажать левую клавишу мыши в окне Graf надпись Polar Plot и наблюдать появление графика в полярной системе координат. Установить в нижней части окна обозначение оси 
, а в левой F(ϕ). Наблюдать график диаграммы направленности в полярной системе координат. Установить параметры наблюдения так, чтобы максимум диаграммы направленности совпал с максимумом окружности полярной системы.
Рисунок 3.2 – Диаграмма направленности в декартовой системе координат
6.5.3 Рассчитать ширину диаграммы направленности в полярной системе координат. Для этого проделать п.6.5.2 с учетом, что пересечение графика диаграммы направленности будет осуществляться по окружности, отстоящей от центра на расстоянии произведения 0.707 F(ϕ). Найти разницу ϕмакс - ϕмин. Это и будет ширина диаграммы направленности 2ϴ, рассчитанная в полярной системе координат. Расчет можно пояснить рисунком 3.3. Рисунок для вашего варианта зарисовать в отчет. Сравнить результаты определения ширины диаграммы направленности 2ϴ в декартовой системе координат и в полярной.
Рисунок 3.3 - Диаграмма направленности в полярной системе координат
6.6 Оптимизировать параметры модели директорной антенны в среде программы MathCAD, для этого
6.6.1 Изменять количество пассивных вибраторов в программе, моделирующей направленные свойства директорной антенны в 2, потом в 3, в 4, в 5 и 10 раз. Наблюдать изменения диаграмм направленности, нажимая на F(ϕ) в листинге. Сделать выводы.
6.6.2 Проделать п.6.6.1 для других заданных таблицей 3.1 параметров антенны. Наблюдать изменения диаграмм направленности. Сделать выводы.
6.6.3 Подобрать параметры программы, моделирующей направленные свойства директорной антенны так, чтобы получилось максимальное значение F(ϕ) и минимальное ширины диаграммы направленности 2ϴ, выполняя п.6.6.1 – 6.6.2. Полученные данные, (n, d, l, λ и графики диаграмм направленности в декартовой и полярной системах координат), привести в отчете для самого лучшего варианта. Сделать выводы.
6.6.4 Рассчитать конструктивные параметры директорной антенны по формулам приведенным ниже. Расстояние между активным вибратором и рефлектором выбирается 
Расстояние между активным вибратором и первым директором, а также между директорами выбирается 
. Длину рефлектора можно выбрать по формуле
; активного вибратора 
;первого директора 
; второго директора 
;третьего директора 
и так далее.
6.7 Показать результаты выполнения работы преподавателю.
6.8 Выключить персональный компьютер в правильной последовательности.
6.9 Составить отчет по работе.
6.10 Сделать выводы.
6.11 Ответить на контрольные вопросы.
7 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
7.1 Наименование и цели работы.
7.2 Аппаратное и программное обеспечение работы.
7.3 Решение задачи п.3.2. Таблицы с параметрами для диаграмм направленности.
7.4 Рисунки антенны, диаграмм направленности и листинг программы.
7.5 Результаты наблюдений и анализа работы по п.6.3 – 6.6.
7.6 Запоминающее устройство для USB с файлом отчета, рисунков и результатами исследования.
7.7 Выводы по работе.
7.8 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).
8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
8.1 Как изменяются направленные свойства директорной антенны с увеличением количества директоров?
8.2 Чем объяснить наличие заднего лепестка в диаграмме направленности директорной антенны?
8.3 Как изменится диаграмма направленности директорной антенны, если исключить рефлектор?
8.4 Как изменятся направленные свойства директорной антенны, если исключить директор?
8.5 Каким образом обеспечиваются диапазонные свойства директорной антенны?
8.6 Каковы технические возможности программы MathCAD?
8.7 Поясните выполнение домашнего задания п.3.2?
8.8 Поясните схему конструкции директорной антенны.
8.9 Чем отличаются принципы построения директорной антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях?
8.10 Какое согласующее устройство необходимо использовать для подключения директорной антенны к фидеру?
8.11 Приведите формулы для расчета диаграммы направленности директорной антенны.
8.12 Приведите векторную диаграмму сложения поля активного вибратора и пассивного рефлектора.
8.13 Приведите векторную диаграмму сложения поля активного вибратора и директора.
8.14 Поясните особенности работы с программой MathCAD.
8.15 Как создать модель директорной антенны в среде программы MathCAD?
8.16 В чем суть исследования направленных свойств модели директорной антенны в среде программы MathCAD?
8.17 Как оптимизировать параметры модели директорной антенны в среде программы MathCAD?
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ
Диаграмма направленности директорной антенны рассчитывается по формуле
,
где F1(ϕ) – множитель характеристики направленности симметричного вибратора. Множитель определяется по формуле
А множитель системы излучателей может быть определен по формуле
где n – количество пассивных вибраторов,
d – расстояние между вибраторами.
Множитель характеристики направленности симметричного вибратора определяется по формуле
где l – длина плеча симметричного вибратора, м;
β – коэффициент фазового сдвига, рад;
ϕ – угол между направлением наблюдения и направлением главного излучения.
Рассчитать коэффициент направленного действия директорной антенны можно по формуле
где К – коэффициент зависящий от числа директоров, К=3…8;
La – длина активного вибратора, м;
λ – длина волны, м.