Методические указания по организации выполнения практической работы

Свойства АНТЕНН КВ И УКВ ДИАПАЗОНОВ

Цель занятия

Целью данного занятия является исследование характеристик и черт антенн, получение практических способностей расчета главных частей конструкций антенн КВ и УКВ диапазонов.

Методические указания по организации выполнения практической работы

Приступая к выполнению данного практического занятия, нужно ознакомится с материалами, рекомендуемыми по этой теме, изучить конспект Методические указания по организации выполнения практической работы лекций, рекомендованную литературу .

Антенна в значимой мере определяет качество приемника. От эффективности ее работы и чувствительности к фабричным помехам зависит качество проигрывания принимаемой программки. Для ослабления воздействия помех используют направленные антенны.

Неважно какая антенна является обратимой и может быть применена как для передачи, так и для приема, при этом электронные свойства остаются Методические указания по организации выполнения практической работы постоянными.

Различают антенны:

- по спектрам волн (ДВ, СВ, УКВ, всеволновые и т.д.);

- по диаграммам направленностей (узко направленные, широкополосные).

По предназначению антенны условно делят на последующие группы:

- антенны радиовещательных станций;

- антенны станции радиосвязи (в том числе РРЛ);

- радиолокационные антенны;

- телевизионные антенны;

- радиоастрономические (спутниковые) антенны.

По принципу деяния и по Методические указания по организации выполнения практической работы конструктивному выполнению делятся:

- вибраторные (петлевые, рамочные, штыревые, многоэлементные (волновой канал));

- антенны оптического типа (железные зеркала-рефлекторы и линзы);

- антенны акустического типа (железные рупоры);

- антенны поверхностных волн (диэлектрические антенны, железные стержневые либо плоскостные антенны с диэлектрическим покрытием либо повторяющейся структурой);

- щелевые (дифракционные) антенны;

- антенны, излучающие электрические волны с Методические указания по организации выполнения практической работы вращающейся поляризацией (спиральные, крестообразные и др.).

Приведем главные характеристики антенн.

Сопротивление излучения и утрат – охарактеризовывает мощность излучения и мощность утрат (в проводах антенны, в изоляторах, в земле).

Входное сопротивление антенны является суммой активной и реактивной составляющих. Сопротивление настроенной в резонанс антенны – чисто активное.

Коэффициент полезного деяния антенны – отношение суммарной мощности Методические указания по организации выполнения практической работы излучения к сумме мощностей излучения и утрат.

В антеннах микроволнового и ВЧ спектра токи смещения фактически отсутствуют, потому КПД стремиться к единице, ДВ и СВ – КПД от 0,2 до 05.

Черта направленности – зависимость ЭДС в антенне или мощности в нагрузке от угла прихода сигнала.

Коэффициент усиления антенны К указывает, во Методические указания по организации выполнения практической работы сколько раз мощность сигнала, принятого данной антенной Р, больше мощности сигнала, принятого простейшей антенной — полуволновым вибратором Р0, помещенным в ту же точку места. Обычно коэффициент усиления антенны выражается в децибелах:

КдБ=10lg(Р/Р0). (1)

Диаграмма направленности – графическое изображение свойства направленности в полярных (ортогональных) координатах.

Коэффициент направленного деяния – указывает во сколько Методические указания по организации выполнения практической работы раз мощность, которую может дать в нагрузку согласованная антенна при приеме со стороны максимума головного лепестка диаграммы направленности больше мощности, которую может дать в нагрузку эталонная согласованная антенна.

Действующая высота (длина) антенны – параметр, позволяющий по известной напряженности поля определять ЭДС на зажимах антенны.

Действенная поверхность антенны – параметр Методические указания по организации выполнения практической работы, позволяющий по известной напряженности поля определять мощность, отдаваемую согласованной антенной в нагрузку.

При наличии в фидере и бегущей и отраженной волны их взаимодействие приводит к возникновению стоячей волны, когда в определенных сечениях фидера амплитуда сигнала имеет максимумы Umax (пучности), а в других — минимумы Umin (узлы). Нередко употребляют понятия коэффициента бегущей Методические указания по организации выполнения практической работы волны

KБB=Umin/Umax (2)

и коэффициента стоячей волны

KCB=Umax/Umin. (3)

Потому КСВ=1/КБВ.

Если КБВ может изменяться от 0 при стопроцентно стоячей волне до 1 при вполне бегущей волне, то КСВ меняется от 1 до бесконечности.

Зависимости КБВ и КСВ от коэффициента отражения р, выражаются формулами:

КБВ = (1-р)/(1+р), (4)

КСВ = (1+р)/(1-р) . (5)

При возникновении отраженной Методические указания по организации выполнения практической работы волны мощность сигнала, поступающая на вход приемника, миниатюризируется, потому целенаправлено иметь возможность оценить, как падает мощность сигнала на входе при рассогласовании фидера с ним.

Р/ Р мак = (4* КБВ)/(КБВ+1)2 (6)

При рассогласовании антенны и фидера часть энергии принятого антенной сигнала не поступит в фидер, а отразится от него и Методические указания по организации выполнения практической работы будет излучена антенной назад в место.

При слабеньком сигнале в критериях далекого приема третировать потерей части сигнала не следует и вопросам согласования антенны с фидером нужно предназначить значительную часть работы, потому что согласование достигается существенно проще и дешевле, чем повышение коэффициента усиления антенны.

Коэффициент защитного деяния (КЗД Методические указания по организации выполнения практической работы) охарактеризовывает способность не принимать сигнал с «заднего» направления. КЗД выражается отношением мощности сигнала, принятого с головного направления, к мощности сигнала, принятого с заднего направления, при схожей напряженности поля обоих сигналов.

Основными разновидностями направленных антенн являются антенны типа «волновой канал» и логопериодические. Наибольшее распространение получили 1-ые. Они владеют огромным усилением и Методические указания по организации выполнения практической работы ординарны в изготовлении. Логопериодические антенны более сложны и дороги, но они имеют огромную полосу частот и не требуют дополнительной опции.

Антенна типа «волновой канал» состоит из активного вибратора (как правило это петлевой вибратор) к которому подключен кабель понижения, рефлектора и ряда директоров, расположенных на общей несущей стреле параллельно Методические указания по организации выполнения практической работы друг дружке.

Длина рефлектора и его расстояние до активного вибратора подобраны таким макаром, что излучение рефлектора ослабляет излучение активного вибратора в оборотном направлении и увеличивает его в прямом направлении. Рефлектор является типичным отражателем, обеспечивающим формирование однонаправленной свойства излучения (приема). Часто в качестве рефлектора употребляется система вибраторов либо сетка. Усилению Методические указания по организации выполнения практической работы излучения в прямом направлении содействуют директоры, которые возбуждаются, как и рефлектор, под воздействием излучения активного вибратора. Как следует, усиление антенны тем больше, чем больше у нее директоров. Но чем больше количество директоров в антенне, тем меньше сказывается на ее усилении добавление каждого нового директора и тем труднее достигнуть согласованной работы всех Методические указания по организации выполнения практической работы директоров. Сразу это ведет к сужению полосы пропускания антенны.

Антенны типа «Волновой канал» получили наибольшее распространение, как в системах коллективного телевизионного приема, так и в личном приеме. Они обеспечивают получение огромного коэффициента усиления при сравнимо маленьких габаритах.

В забугорной литературе антенну «Волновой канал» именуют антенной Уда-Яги Методические указания по организации выполнения практической работы - по имени в первый раз описавших ее японских изобретателей.

В спектре УКВ (с 6-го и выше) телеканала (с 2 м-го спектра) расчет антенны создают по приближенным формулам (сопротивление антенны – 240 Ом, усиление 6 - 7 дБ), в каких размеры указаны в миллиметрах, частота - в мгц.

Длина рефлектора:

Lр = 149500 / f, (7)

где f – частота.

Расстояние Методические указания по организации выполнения практической работы вибратор-рефлектор:

Lвр = 62500 / f. (8)

Длина вибратора:

Lв = 142000 / f. (9)

Расстояние вибратор-директор:

Lвд = 55000 / f. (10)

Длина директора:

Lд = 135000 / f. (11)

Длина Т-образной схемы согласования:

Lт = 68900 / f. (12)

Для частоты 145 М Гц результаты расчета приведены на рисунке 1

Набросок 1 – Трехэлементная антенна «Волновой канал»

Очередной вариант расчета антенны типа «Волновой канал» предлагается ниже.

Находят длину волны для определенной Методические указания по организации выполнения практической работы частоты (можно стремительно посчитать ее в метрах как 300/ f , где частоту подставить в мгц). Потом определяется резонансная длина вибратора по формуле

, (13)

где k – коэффициент укорочения, который определяется зависимо от дела длины волны к поперечнику трубок d, т.е ( ) согласно рисунка 2

Набросок 2 – коэффициент укорочения

Определяют длину рефлектора по формуле:

Lр = * 0,229. (14)

Длину директора Методические указания по организации выполнения практической работы определяют по формуле

Lд = - *0,1341. (15)

Расстояние вибратор-рефлектор:

Lвр = 0,157* . (16)

Расстояние вибратор-директор:

Lвд = 0,105* . (17)

Для согласования употребляют U колено, представляющее собой совокупа 2-х четвертьволновых трансформаторов и симметрирующей петли.

Длина четвертьволнового трансформатора рассчитывается как

, (18)

где l –длина волны;

– коэффициент, который находится в зависимости от параметров кабеля. Для кабеля марки РК-75 величина приравнивается 1,51.

Для симметрирующей Методические указания по организации выполнения практической работы петлиее длина рассчитывается по формуле

. (19)

Для сопоставления расчетных данных приведем результаты расчета по трехэлементной антенне, изображенной на рисунке 3 и ее размеры для каналов (см. таблицу 1).

Набросок 3 – Трехэлементная антенна «Волновой канал» с буквенным указанием размеров

Таблица 1 – Размеры частей антенны

Телев. каналы Размеры, мм
А В С а b s Длина Uколена Методические указания по организации выполнения практической работы

При увеличении числа директоров миниатюризируется угол раствора головного лепестка диаграммы направленности и растет коэффициент усиления.

На телевизионных каналах с 1-го по 5-тый число частей антенны «Волновой канал» не превосходит 5-7, с 6-го по 12-тый – 8-10, а с 21 по 60-й – 15-18.

К плюсам антенны типа «Волновой канал» можно отнести сравнимо высочайшее усиление при простоте конструкции Методические указания по организации выполнения практической работы.

К недочетам этой антенны следует отнести сложность ее опции при числе директоров более 3-х. Антенны, даже собранные по одному чертежу на одной и той же полосы, оказываются настроенными по-разному и не допускают дополнительной опции. Таким макаром, реальное усиление таковой антенны существенно ниже обозначенного (в среднем на 3—4 дБ Методические указания по организации выполнения практической работы). Не считая того, узенькая полоса пропускания ведет к резкому понижению усиления в тех системах связи, где употребляют дуплексные частоты с огромным разносом. К примеру, эталон DAMPS употребляет частоты 824—840 и 869—894 МГц и внедрение антенны типа «Волновой канал», настроенной на середину этого спектра, приводит к приметному ухудшению работы антенны на краях Методические указания по организации выполнения практической работы спектра, другими словами, на рабочих частотах. То же самое относится к эталонам GSM-900, GSM-1800.

Рамочные антенны - это приемные телевизионные антенны, конструкция которых выполнена в виде рамки.

Простая рамочная антенна представляет собой провод (трубку и другие профили), согнутый в виде квадрата, сторона которого примерно равна четверти длины волны Методические указания по организации выполнения практической работы.

Таковой рамочный вибратор можно рассматривать как систему, состоящую из 2-ух обычных синфазных вибраторов, согнутых по бокам.

Радиус закругления случайный, но не должен превосходить 1/10 стороны квадрата.

В практике используются двух- и трехэлементные рамочные антенны («Двойной квадрат» и «Тройной квадрат»).

Коэффициент усиления трехэлементной рамочной антенны составляет 14...15 дБ, что существенно превосходит коэффициент Методические указания по организации выполнения практической работы усиления многоэлементных антенн типа «Волновой канал».

Двухэлементная рамочная антенна может употребляться на удалении от передатчика, равном приблизительно 70% от расстояния прямой видимости, а трехэлементная — прямо до границы прямой видимости. Вид рамочной антенны представлен на рисунке 4

Набросок 4 – Вид антенны «Двойной квадрат»

Такие антенны имеют большой коэффициент усиления по мощности – до 7 и широкую Методические указания по организации выполнения практической работы полосу пропускания. Согласование входного сопротивления (70-80 Ом) с фидером осуществляется внедрением симметрирующего устройства в виде четвертьволнового отрезка кабеля. Для антенны, работающей в спектре 10-20 м волн, общая длина стороны двойного квадрата приравнивается (как показано на рисунке 5): 1* и рассчитывается по формуле в метрах:

= 292,5/ f, (20)

где f – частота в мгц.

Набросок 5 – Антенна Методические указания по организации выполнения практической работы «Двойной квадрат»

Для вычисления размеров антенны в спектре УКВ можно также использовать формулы, определяющие размеры в миллиметрах при подстановке частоты в мгц:

Для излучателя – общую длину

и= 304635/f. (21)

Сторону квадрата по формуле

ки= 76150/f. (22)

Для рефлектора – общая длина

р= 334000/f. (23)

Сторона квадрата рефлектора определяется по формуле

кр= 83500/f. (24)

Расстояние излучатель – рефлектор (при входном сопротивлении Методические указания по организации выполнения практической работы 70 Ом) по формуле:

ир= 25720/f. (25)

При уменьшении расстояния меж излучателем и рефлектором входное сопротивление миниатюризируется.

При принятом расстоянии меж рамками, равном 0,18 * , длину сторон в метрах можно найти по формулам, подставляя частоту в мгц:

ки= 78/f. (26)

кр= 93/f. (27)

Для сопоставления результатов расчетов и приобретенных размеров антенны можно пользоваться таблицей 2 (размеры согласно Методические указания по организации выполнения практической работы рисунка 4).


Таблица 2 – Размеры антенны «Двойной квадрат»

Размеры частей, мм Телевизионные каналы
Р
В
а
Н

Размер Н показывает разнос меж антеннами в синфазной решетке по горизонтали и вертикали, равный средней длине волны канала. По мере надобности, с целью уменьшения общих габаритов антенны, для каналов 1...5 разнос антенн Н можно Методические указания по организации выполнения практической работы уменьшить в два раза.

Широкополосный вибратор предназначен для работы в спектре дециметровых волн (см. набросок 6). Из-за усиленного воздействия краевого емкостного эффекта общая длина антенны равна

= 0,73* . (28)

Набросок 6 – Широкополосный вибратор

Входное сопротивление таковой антенны находится в зависимости от угла α как показано на рисунке 7.

Набросок 7 – Зависимость входного сопротивления от угла раскрыва α

Двуэтажный широкополосный вибратор Методические указания по организации выполнения практической работы рассчитывается аналогичным методом (показан на рисунке 8).

Набросок 8 – Двуэтажный широкополосный вибратор

Широкополосный вибратор можно расположить перед рефлекторной решеткой, чтоб обеспечить дополнительную фокусировку в вертикальном и горизонтальном направлениях (плоскостях). Если расстояние меж рефлектором и диполем приравнивается 0,22 , то входное сопротивление не изменяется, а усиление составит 10-11 дБ.

Извилистая антенна применяется в спектрах 1-5 каналов Методические указания по организации выполнения практической работы и с 6-го по 12-й. Размеры антенны указаны на рисунке 9.

Набросок 9 – Извилистая антенна

Сопротивление антенны 150-200 Ом. Для согласования с 75 - омным фидером требуется согласующее устройство в виде отрезка кабеля длиной

тр= 0,052 . (29)

Конструкция неполной извилистой антенны с трансформатором согласования представлена на рисунке 3.10.

Набросок 10 – Конструкция неполной извилистой антенны

Логопериодические антенны — это один из типов антенн с Методические указания по организации выполнения практической работы постоянной формой диаграммы направленности и неизменным усилением в широком спектре частот.

У таковой антенны во всем спектре частот обеспечивается не плохое согласование антенны с фидером. Логопериодическая антенна образована собирательной линией в виде 2-х труб, расположенных параллельно, к которым попеременно через один крепятся вибраторы.

Рабочая полоса частот антенны со Методические указания по организации выполнения практической работы стороны нижней частоты находится в зависимости от размеров более длинноватых вибраторов, а со стороны верхней частоты — от размеров более маленьких вибраторов. Усиление антенны определяется количеством вибраторов, любой из которых является активным. Как следует, задав полосу частот (размеры наибольшего и малого вибраторов), можно получить довольно высочайший коэффициент усиления во Методические указания по организации выполнения практической работы всем спектре за счет роста количества вибраторов (до 12 дБ). Логопериодические антенны отлично работают в широкополосных системах связи: DAMPS, GSM-900, GSM-1800 и, естественно, в относительно узкополосных, к примеру, в системе многостанционного доступа с кодовым разделением каналов CDMA (ширина полосы частот 1,5 МГц). Они не требуют дополнительной опции, так как все вибраторы Методические указания по организации выполнения практической работы являются активными и расстроены один относительно другого на постоянную величину, являющуюся чертой антенны.

К недочетам этой антенны можно отнести ее более сложную конструкцию и завышенную трудозатратность в изготовлении по сопоставлению с антенной типа «волновой канал».

Таким макаром, в системах сотовой связи эталонов CDMA, DAMPS, GSM-900/ 1800 целенаправлено использовать логопериодические Методические указания по организации выполнения практической работы антенны с нужным для каждого определенного варианта усилением. На границе зоны покрытия более эффективны антенны типа «волновой канал», но настройка этих антенн должна производиться спецом. Также следует направить внимание на материал, из которого сделана антенна. На частотах 800—900 МГц, а тем паче 1800 МГц, несколько наилучший итог дает внедрение материалов с высочайшей проводимостью — таких Методические указания по организации выполнения практической работы, как медь, латунь. Это увеличивает добротность антенны и сводит к минимуму утраты.

Антенна состоит из двухпроводной полосы 1 и присоединенной к ней линейных вибраторов 2 с поочередной переменой фазы питания на 1800. Коаксиальный кабель 3 протягивается через одну из трубок двухпроводной полосы и подключается к антенне как показано на рисунке 11.

Набросок Методические указания по организации выполнения практической работы 11 – Логопериодическая антенна

Размеры антенны при данных электронных параметрах определяются периодом логопериодической структуры τ (почаще принимаемым 0,7), равным отношению длин хоть какой пары рядом расположенных вибраторов (наименьшего к большему), относительным расстоянием σ, равным отношению расстояния меж хоть какой парой вибраторов к двойной длине большего из вибраторов (0,13) и углом 2*α при верхушке как показано на Методические указания по организации выполнения практической работы рисунке 12.

Набросок 12 – Элементы логопериодической антенны


Расчет резонансной длины излучающих частей делается по формулам

1= 0,25 * макс, (30)

2= τ * 1, (31)

n= τ * n-1. (32)

Нужно учесть, что самый маленький элемент определяется соотношением:

n= мин/3. (33)

Расстояния повдоль двухпроводной полосы рассчитываются как:

d1= σ*2 1, (34)

d2= σ *2 2, (35)

dn= σ *2 n. (36)

С уменьшением угла при верхушке, коэффициент усиления возрастает и добивается 8 дБ (при угле в 500) и 18 дБ (при угле Методические указания по организации выполнения практической работы, равном 100).

Спиральная антенна отличается от других тем, что поле излучение имеет радиальную поляризацию. Радиальная поляризация имеет место, когда проводник наматывается в направлении излучения в виде спирали. Нужно, чтоб общая длина в витке равнялась 1* , что соответствует поперечнику витка:

D=0,39 . (37)

как показано на рисунке 13.

Набросок 13 – Схематическое изображение спиральной антенны

Для Методические указания по организации выполнения практической работы расчета размеров антенны в сантиметрах употребляется частота, выраженная в мгц, тогда

D= 9300/f. (38)

Длина проводника, образующего виток

L= D* 3,14. (39)

Угол подъема спирали может изменяться от 6 до 24 градусов. При всем этом величина S (при угле 140) рассчитывается как

S = 7200/f. (40)

Поперечник рефлектора выбирают маленьким, но огромным чем 0,5 . Почаще – удвоенному значению поперечника витка спиральной Методические указания по организации выполнения практической работы пантенны, т.е. 0,62 .

Расстояние меж рефлектором и началом спирали выбирают равным 0,13 либо по отношению к частоте:

А= 3900/ f . (41)

Входное сопротивление практически интенсивно и составляет 120-150 Ом, коэффициент усиления находится в зависимости от количества витков n, шага S, длины витка L и определяется по формуле

G=10 lg (L2S n *15). (42)

Антенна должна содержать более Методические указания по организации выполнения практической работы 3-х витков.

При помощи спиральных антенн можно принимать и источать линейно-поляризованные электрические волны. Для этого употребляют группу антенн с обратной намоткой (левосторонней, правосторонней) и если эти две антенны размещаются рядом в горизонтальной плоскости, то поляризация – горизонтальная, если друг над другом в вертикальной плоскости – то вертикальная. Если Методические указания по организации выполнения практической работы имеют одну и ту же намотку, то поляризация остается радиальный.

Согласование сопротивления с линией делается при внедрения четвертьволнового трансформатора с длиной, равной 0,24 как показано на рисунке 14.

Набросок 14 – Согласование спиральной антенны


Контрольные вопросы и задания

1. Приведите систематизацию антенн.

2. Приведите главные свойства и характеристики антенн.

3. Как связаны КСВ и КБВ?

4. Перечислите главные конструктивные Методические указания по организации выполнения практической работы особенности антенны «Волновой канал».

5. Какие плюсы и недочеты имеет антенна «Волновой канал»?

6. Приведите порядок расчета и его «модификации» для антенны «Волновой канал».

7. Зачем необходимо учесть коэффициент укорочения в расчетах?

8. Что такое симметрирующая петля, четвертьволновой трансформатор?

9. Какие главные характеристики и свойства имеет рамочная антенна?

10. Приведите и охарактеризуйте элементы конструкции рамочной антенны Методические указания по организации выполнения практической работы.

11. Приведите порядок расчета и его «модификации» для рамочной антенны.

12. Какие главные свойства присущи широкополосному вибратору?

13. Как определяются размеры конструкции широкополосного вибратора?

14. Какие особенности имеет применение широкополосного вибратора как элемента сложной антенны?

15. какие конструктивные особенности имеет извилистая антенна?

16. Как извилистая антенна согласовывается с фидером?

17. Какие особенности в использовании имеют логопериодические Методические указания по организации выполнения практической работы антенны?

18. Перечислите положительные и негативные черты логопериодической антенны.

19. Приведите элементы конструкции логопериодической антенны.

20. приведите порядок расчета частей логопериодической антенны.

21. Что собой представляет спиральная антенна?

22. Каким образом можно поменять поляризацию при использовании спиральных антенн?

23. Приведите вариант конструкции и облегченный расчет ее частей.

24. От чего зависит коэффициент усиления спиральной антенны?


metodicheskie-ukazaniya-k-vipusknoj-kvalifikacionnoj-rabote-dlya-studentov-specialnosti.html
metodicheskie-ukazaniya-k-zadache-1.html
metodicheskie-ukazaniya-k-zadaniyu-31.html