Методические указания по организации выполнения практической работы




ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН КВ И УКВ ДИАПАЗОНОВ

Цель занятия

Целью данного занятия является изучение параметров и характеристик антенн, получение практических навыков расчета основных элементов конструкций антенн КВ и УКВ диапазонов.

Методические указания по организации выполнения практической работы

 

Приступая к выполнению данного практического занятия, необходимо ознакомится с материалами, рекомендуемыми по данной теме, изучить конспект лекций, рекомендованную литературу.

Антенна в значительной мере определяет качество приемника. От эффективности ее работы и чувствительности к промышленным помехам зависит качество воспроизведения принимаемой программы. Для ослабления влияния помех применяют направленные антенны.

Любая антенна является обратимой и может быть использована как для передачи, так и для приема, причем электрические характеристики остаются неизменными.

 

Различают антенны:

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

- по диаграммам направленностей (узко направленные, широкополосные).

По назначению антенны условно делят на следующие группы:

- антенны радиовещательных станций;

- антенны станции радиосвязи (в том числе РРЛ);

- радиолокационные антенны;

- телевизионные антенны;

- радиоастрономические (спутниковые) антенны.

По принципу действия и по конструктивному выполнению делятся:

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

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

- антенны акустического типа (металлические рупоры);

- антенны поверхностных волн (диэлектрические антенны, металлические стержневые или плоскостные антенны с диэлектрическим покрытием или периодической структурой);

- щелевые (дифракционные) антенны;

- антенны, излучающие электромагнитные волны с вращающейся поляризацией (спиральные, крестообразные и др.).

Приведем основные параметры антенн.

Сопротивление излучения и потерь – характеризует мощность излучения и мощность потерь (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 действия антенны – отношение суммарной мощности излучения к сумме мощностей излучения и потерь.

В антеннах микроволнового и ВЧ диапазона токи смещения практически отсутствуют, поэтому КПД стремиться к единице, ДВ и СВ – КПД от 0,2 до 05.

Характеристика направленности – зависимость ЭДС в антенне либо мощности в нагрузке от угла прихода сигнала.

Коэффициент усиления антенны К показывает, во сколько раз мощность сигнала, принятого данной антенной Р, больше мощности сигнала, принятого простейшей антенной — полуволновым вибратором Р0, помещенным в ту же точку пространства. Обычно коэффициент усиления антенны выражается в децибелах:

КдБ=10lg(Р/Р0). (1)

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

Коэффициент направленного действия – показывает во сколько раз мощность, которую может отдать в нагрузку согласованная антенна при приеме со стороны максимума главного лепестка диаграммы направленности больше мощности, которую может отдать в нагрузку эталонная согласованная антенна.

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

Эффективная поверхность антенны – параметр, 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 появлению стоячей волны, когда в определенных сечениях фидера амплитуда сигнала имеет максимумы Umax (пучности), а в других — минимумы Umin (узлы). Часто используют понятия коэффициента бегущей волны

KБB=Umin/Umax (2)

и коэффициента стоячей волны

KCB=Umax/Umin. (3)

Поэтому КСВ=1/КБВ.

Если КБВ может изменяться от 0 при полностью стоячей волне до 1 при полностью бегущей волне, то КСВ изменяется 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 появлении отраженной волны мощность сигнала, поступающая на вход приемника, уменьшается, поэтому целесообразно иметь возможность оценить, насколько 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 будет излучена антенной обратно в пространство.

При слабом сигнале в условиях дальнего приема пренебрегать потерей части сигнала не следует и вопросам согласования антенны с фидером необходимо посвятить значительную часть работы, так как согласование достигается значительно проще и дешевле, чем увеличение коэффициента усиления антенны.

Коэффициент защитного действия (КЗД) характеризует способность не принимать сигнал с «заднего» направления. КЗД выражается отношением мощности сигнала, принятого с главного направления, к мощности сигнала, принятого с заднего направления, при одинаковой напряженности поля обоих сигналов.

Основными разновидностями направленных антенн являются антенны типа «волновой канал» и логопериодические. Наибольшее распространение получили первые. Они обладают большим усилением и просты в изготовлении. Логопериодические антенны более сложны и дороги, однако они имеют большую полосу частот и не требуют дополнительной настройки.

Антенна типа «волновой канал» состоит из активного вибратора (обычно это петлевой вибратор) к которому подключен кабель снижения, рефлектора и ряда директоров, расположенных на общей несущей стреле параллельно друг другу.

Длина рефлектора и его расстояние до активного вибратора подобраны таким образом, что излучение рефлектора ослабляет излучение активного вибратора в обратном направлении и усиливает его в прямом направлении. Рефлектор является своеобразным отражателем, обеспечивающим формирование однонаправленной характеристики излучения (приема). Нередко в качестве рефлектора используется система вибраторов или сетка. Усилению излучения в прямом направлении способствуют директоры, которые возбуждаются, как и рефлектор, под воздействием излучения активного вибратора. Следовательно, усиление антенны тем больше, чем больше у нее директоров. Однако чем больше количество директоров в антенне, тем меньше сказывается на ее усилении добавление каждого нового директора и тем сложнее добиться согласованной работы всех директоров. Одновременно это ведет к сужению полосы пропускания антенны.

Антенны типа «Волновой канал» получили наибольшее распространение, как в системах коллективного телевизионного приема, так и в индивидуальном приеме. Они обеспечивают получение большого коэффициента усиления при сравнительно небольших габаритах.

В зарубежной литературе антенну «Волновой канал» называют антенной Уда-Яги - по имени впервые описавших ее японских изобретателей.

В диапазоне УКВ (с 6-го и выше) телеканала (с 2 м-го диапазона) расчет антенны производят по приближенным формулам (сопротивление антенны – 240 Ом, усиление 6 - 7 дБ), в которых размеры указаны в миллиметрах, частота - в мегагерцах.

Длина рефлектора:

Lр = 149500 / f, (7)

где f – частота.

Расстояние 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

 

Рисунок 1 – Трехэлементная антенна «Волновой канал»

Еще один вариант расчета антенны типа «Волновой канал» предлагается ниже.

Находят длину волны для определенной частоты (можно быстро посчитать ее в метрах как 300/ f, где частоту подставить в мегагерцах). Затем определяется резонансная длина вибратора по формуле

, (13)

где k – коэффициент укорочения, который определяется в зависимости от отношения длины волны к диаметру трубок d, т.е () согласно рисунка 2

 

Рисунок 2 – коэффициент укорочения

Определяют длину рефлектора по формуле:

 

Lр = * 0,229. (14)

Длину директора определяют по формуле

 

Lд = - *0,1341. (15)

Расстояние вибратор-рефлектор:

Lвр = 0,157* . (16)

 

Расстояние вибратор-директор:

Lвд = 0,105* . (17)

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

Длина четвертьволнового трансформатора рассчитывается как

, (18)

где l –длина волны;

– коэффициент, который зависит от свойств кабеля. Для кабеля марки РК-75 величина равняется 1,51.

Для симметрирующей петлиее длина рассчитывается по формуле

. (19)

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

 

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

 

Таблица 1 – Размеры элементов антенны

 

Телев. каналы Размеры, мм
А В С а b s   Длина Uколена
               

 

При увеличении числа директоров уменьшается угол раствора главного лепестка диаграммы направленности и возрастает коэффициент усиления.

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

К достоинствам антенны типа «Волновой канал» можно отнести сравнительно высокое усиление при простоте конструкции.

К недостаткам этой антенны следует отнести сложность ее настройки при числе директоров более трех. Антенны, даже собранные по одному чертежу на одной и той же линии, оказываются настроенными по-разному и не допускают дополнительной настройки. Таким образом, реальное усиление такой антенны значительно ниже указанного (в среднем на 3—4 дБ). Кроме того, узкая полоса пропускания ведет к резкому снижению усиления в тех системах связи, где используют дуплексные частоты с большим разносом. Например, стандарт DAMPS использует частоты 824—840 и 869—894 МГц и использование антенны типа «Волновой канал», настроенной на середину этого диапазона, приводит к заметному ухудшению работы антенны на краях диапазона, то есть, на рабочих частотах. То же самое относится к стандартам GSM-900, GSM-1800.

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

Простейшая рамочная антенна представляет собой провод (трубку и другие профили), согнутый в виде квадрата, сторона которого приблизительно равна четверти длины волны.

Такой рамочный вибратор можно рассматривать как систему, состоящую из двух простых синфазных вибраторов, согнутых по краям.

Радиус закругления произвольный, но не должен превышать 1/10 стороны квадрата.

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

Коэффициент усиления трехэлементной рамочной антенны составляет 14...15 дБ, что значительно превышает коэффициент усиления многоэлементных антенн типа «Волновой канал».

Двухэлементная рамочная антенна может использоваться на удалении от передатчика, равном примерно 70% от расстояния прямой видимости, а трехэлементная — вплоть до границы прямой видимости. Общий вид рамочной антенны представлен на рисунке 4

Рисунок 4 – Общий вид антенны «Двойной квадрат»

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

= 292,5/ f, (20)

где f – частота в мегагерцах.

Рисунок 5 – Антенна «Двойной квадрат»

 

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

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 70 Ом) по формуле:

ир= 25720/f. (25)

При уменьшении расстояния между излучателем и рефлектором входное сопротивление уменьшается.

При принятом расстоянии между рамками, равном 0,18 * , длину сторон в метрах можно определить по формулам, подставляя частоту в мегагерцах:

ки= 78/f. (26)

 

кр= 93/f. (27)

 

Для сравнения результатов расчетов и полученных размеров антенны можно воспользоваться таблицей 2 (размеры согласно рисунка 4).


Таблица 2 – Размеры антенны «Двойной квадрат»

 

Размеры элементов, мм Телевизионные каналы
                       
Р                        
В                        
а                        
Н                        

Размер Н указывает разнос между антеннами в синфазной решетке по горизонтали и вертикали, равный средней длине волны канала. При необходимости, с целью уменьшения общих габаритов антенны, для каналов 1...5 разнос антенн Н можно уменьшить вдвое.

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

 

= 0,73* . (28)

 

Рисунок 6 – Широкополосный вибратор

Входное сопротивление такой антенны зависит от угла α как показано на рисунке 7.

 

Рисунок 7 – Зависимость входного сопротивления от угла раскрыва α

Двухэтажный широкополосный вибратор рассчитывается аналогичным способом (показан на рисунке 8).

Рисунок 8 – Двухэтажный широкополосный вибратор

 

Широкополосный вибратор можно разместить перед рефлекторной решеткой, чтобы обеспечить дополнительную фокусировку в вертикальном и горизонтальном направлениях (плоскостях). Если расстояние между рефлектором и диполем равняется 0,22 , то входное сопротивление не меняется, а усиление составит 10-11 дБ.

Зигзагообразная антенна применяется в диапазонах 1-5 каналов и с 6-го по 12-й. Размеры антенны указаны на рисунке 9.

Рисунок 9 – Зигзагообразная 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 зигзагообразной антенны с трансформатором согласования представлена на рисунке 3.10.

 

Рисунок 10 – Конструкция неполной зигзагообразной антенны

Логопериодические антенны — это один из типов антенн с неизменной формой диаграммы направленности и постоянным усилением в широком диапазоне частот.

У такой антенны во всем диапазоне частот обеспечивается хорошее согласование антенны с фидером. Логопериодическая антенна образована собирательной линией в виде 2-х труб, расположенных параллельно, к которым поочередно через один крепятся вибраторы.

Рабочая полоса частот антенны со стороны нижней частоты зависит от размеров наиболее длинных вибраторов, а со стороны верхней частоты — от размеров наиболее коротких вибраторов. Усиление антенны определяется количеством вибраторов, каждый из которых является активным. Следовательно, задав полосу частот (размеры максимального и минимального вибраторов), можно получить достаточно высокий коэффициент усиления во всем диапазоне за счет увеличения количества вибраторов (до 12 дБ). Логопериодические антенны хорошо работают в широкополосных системах связи: DAMPS, GSM-900, GSM-1800 и, конечно, в относительно узкополосных, например, в системе многостанционного доступа с кодовым разделением каналов CDMA (ширина полосы частот 1,5 МГц). Они не требуют дополнительной настройки, поскольку все вибраторы являются активными и расстроены один относительно другого на постоянную величину, являющуюся характеристикой антенны.

К недостаткам этой антенны можно отнести ее более сложную конструкцию и повышенную трудоемкость в изготовлении по сравнению с антенной типа «волновой канал».

Таким образом, в системах сотовой связи стандартов CDMA, DAMPS, GSM-900/ 1800 целесообразно применять логопериодические антенны с необходимым для каждого конкретного случая усилением. На границе зоны покрытия наиболее эффективны антенны типа «волновой канал», однако настройка этих антенн должна выполняться специалистом. Также следует обратить внимание на материал, из которого изготовлена антенна. На частотах 800—900 МГц, а тем более 1800 МГц, несколько лучший результат дает использование материалов с высокой проводимостью — таких, как медь, латунь. Это повышает добротность антенны и сводит к минимуму потери.

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

Рисунок 11 – Логопериодическая антенна

Размеры антенны при заданных электрических параметрах определяются периодом логопериодической структуры τ (чаще принимаемым 0,7), равным отношению длин любой пары рядом расположенных вибраторов (меньшего к большему), относительным расстоянием σ, равным отношению расстояния между любой парой вибраторов к удвоенной длине большего из вибраторов (0,13) и углом 2*α при вершине как показано на рисунке 12.

Рисунок 12 – Элементы логопериодической антенны


Расчет резонансной длины излучающих элементов производится по формулам

1= 0,25 * макс, (30)

2= τ * 1, (31)

n= τ * n-1. (32)

Необходимо учитывать, что самый короткий элемент определяется соотношением:

n= мин/3. (33)

Расстояния вдоль двухпроводной линии рассчитываются как:

d1= σ*2 1, (34)

d2= σ *2 2, (35)

dn= σ *2 n. (36)

С уменьшением угла при вершине, коэффициент усиления увеличивается и достигает 8 дБ (при угле в 500) и 18 дБ (при угле, равном 100).

Спиральная антенна отличается от других тем, что поле излучение имеет круговую поляризацию. Круговая поляризация имеет место, когда проводник наматывается в направлении излучения в виде спирали. Необходимо, чтобы общая длина в витке равнялась 1* , что соответствует диаметру витка:

D=0,39 . (37)

как показано на рисунке 13.

 

Рисунок 13 – Схематическое изображение спиральной антенны

 

Для расчета размеров антенны в сантиметрах используется частота, выраженная в мегагерцах, 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 этом величина S (при угле 140) рассчитывается как

S = 7200/f. (40)

Диаметр рефлектора выбирают небольшим, но большим чем 0,5 . Чаще – удвоенному значению диаметра витка спиральной пантенны, т.е. 0,62 .

Расстояние между рефлектором и началом спирали выбирают равным 0,13 или по отношению к частоте:

А= 3900/ f. (41)

Входное сопротивление почти активно и составляет 120-150 Ом, коэффициент усиления зависит от количества витков n, шага S, длины витка L и определяется по формуле

 

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

Антенна должна содержать не менее 3-х витков.

С помощью спиральных антенн можно принимать и излучать линейно-поляризованные электромагнитные волны. Для этого используют группу антенн с противоположной намоткой (левосторонней, правосторонней) и если эти две антенны располагаются рядом в горизонтальной плоскости, то поляризация – горизонтальная, если друг над другом в вертикальной плоскости – то вертикальная. Если имеют одну и ту же намотку, то поляризация остается круговой.

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

Рисунок 14 – Согласование спиральной антенны


Контрольные вопросы и задания

 

1. Приведите классификацию антенн.

2. Приведите основные характеристики и параметры антенн.

3. Как связаны КСВ и КБВ?

4. Перечислите основные конструктивные особенности антенны «Волновой канал».

5. Какие достоинства и недостатки имеет антенна «Волновой канал»?

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

7. Для чего нужно учитывать коэффициент укорочения в расчетах?

8. Что такое симметрирующая петля, четвертьволновой трансформатор?

9. Какие основные параметры и характеристики имеет рамочная антенна?

10. Приведите и охарактеризуйте элементы конструкции рамочной антенны.

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

12. Какие основные характеристики 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 зигзагообразная антенна?

16. Как зигзагообразная антенна согласовывается с фидером?

17. Какие особенности в использовании имеют логопериодические антенны?

18. Перечислите положительные и отрицательные стороны логопериодической антенны.

19. Приведите элементы конструкции логопериодической антенны.

20. приведите порядок расчета элементов логопериодической антенны.

21. Что собой представляет спиральная антенна?

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

23. Приведите вариант конструкции и упрощенный расчет ее элементов.

24. От чего зависит коэффициент усиления спиральной антенны?




Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-06-21 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: