ПЕРЕЛІКУМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ
ДС – діаграмаспрямованості
КСХ – коефіцієнтстоячої хвилі
КСД – коефіцієнтспрямованої дії
ЗМІСТ
Перелік умовних скорочень
Вступ
1. Аналіз конструкції та параметрів рамкових антен
1.1 Конструкція та ДС рамкових антен
1.2 Класифікація рамкових антен
1.3 Рамкові антени з покращеними властивостями
1.4 Параметри рамкових антен
2. Розрахунок діаграми спрямованості
3. Оптимізація геометричних розмірів приймальноїхвилевої рамкової антени
Висновки
Перелік посилань
ВСТУП
Антена входить всклад будь-якої радіолінії. Основне призначення антени – випромінювання і прийманнярадіохвиль. Тобто антена – це пристрій, який перетворює направленіелектромагнітні хвилі в радіохвилі і навпаки. Антени поділяються на:передавальні, приймальні і передавально-приймальні.
Приймальна антена– пристрій, який перетворює електромагнітні хвилі, що розповсюджуються вільно,в зв’язані електромагнітні хвилі або струми змінної частоти. Функціїприймальної антени: перетворююча, фільтрувальна.
Передавальнаантена – пристрій, який перетворює зв’язані електромагнітні хвилі або струмизмінної частоти в хвилі, що розповсюджуються вільно. Функції передавальноїантени: перетворююча, концентрація поля хвиль в заданому напрямку.
Крім власневипромінювання і прийому радіохвиль призначенням антени є також просторовийрозподіл інтенсивності, фази і поляризації радіохвилі.
За діапазономхвиль антени класифікуються: довгих хвиль, середніх хвиль, коротких хвиль іультракоротких хвиль. За призначенням: радіолокаційні, зв’язкові (телевізійні,супутникові), мобільні, стаціонарні тощо.
В даній курсовійроботі була розроблена приймальна хвилева рамкова антена, побудовану їїдіаграму спрямованості та виконано оптимізацію геометричних розмірів даноїантени. Розрахунок параметрів антени та побудова її ДС проводились за допомогоюспеціальної програми MMANA-GAL.
1. АНАЛІЗ КОНСТРУКЦІЇ ТАПАРАМЕТРІВ РАМКОВИХ АНТЕН
1.1 Конструкціята ДС рамкових антен
Рамкові антени представляють собою одинплоский виток дроту (одновиткова рамка) або декілька таких витків (багатовитковарамка). Тобто, їхосновним елементом є рамка довільної форми.
Форма витківбуває круглою, прямокутною, трикутною, ромбічною і т.п. (рисунок 1.1 а-г). Нарисунку 1.1 д представлена багатовиткова рамка із витків круглої форми:
/>
Рисунок 1.1 – Формивитків рамок (а-г) і багатовиткова рамка (д)
Рамкові антенирозраховані на приймання вертикально (малі рамки) і горизонтально (резонанснірамки) поляризованої хвилі. Для першого випадку рамкові антени мають діаграмуспрямованості в горизонтальній площині (перпендикулярній рамці) у виглядівісімки (F(Θ)=sinΘ)(рисунок 1.2) (для якої важливоюособливістю буде наявність напрямку нульового прийому) і вигляд кола в площині,що містить рамку. Тобто ДС рамки — тороїд.
/>
Рисунок 1.2 – ДСрамки в горизонтальній площині
Рамкирозташовуються так, щоб площина витків була перпендикулярною до поверхні землі.
Напрямок максимумуспрямованості лежить у площині рамки, мінімум випромінювання – вздовж перпендикуляра до центра рамки.
Використовуєтьсяантена, як правило, при умові обертання її діаграми спрямованості. У випадкуприймання радіозв’язку і радіомовлення обертання діаграми спрямованостідозволяє встановити її так, щоб напрямок нульового приймання співпав знапрямком найбільш сильної перешкоди. Тим самим добиваються підвищеннявідношення рівня сигналу до рівня перешкод. У випадку радіопеленгації обертаннядіаграми спрямованості дозволяє після зникнення сигналу визначити напрямок, зякого приходить хвиля.
Обертання ДСдосягається обертанням антени навколо вертикальної осі, яка лежить в площинівитка і проходить через центр антени.
Рамкові антенизнаходять застосування у всіх діапазонах радіохвиль від наддовгих (НДХ) доультракоротких (УКХ) для приймання радіозв’язку і радіомовлення, як антенирадіопеленгаторів радіомаяків, при вимірюванні напруженості поля за допомогоюрадіокомпараторів і селективних мікровольтметрів.
Внаслідок малихрозмірів рамкові антени мають невеликий опір випромінювання, що безпосередньо впливає на зниженняККД, особливо при збільшенні кількості витків. Тому вони застосовуються в якостіприймальних антен.
1.2Класифікація рамкових антен
До рамкових антенвідносять:
малі рамкові антени (периметррамки значно менший довжини хвилі);
діапазонні рамкові антени(периметр рамки приблизно рівний довжині хвилі).
Геометричнірозміри малих рамкових антен значно менші довжини хвилі />. Розміри рамки можуть бути віддекількох сантиметрів до десятків метрів залежно від її призначення.
Малі рамкизастосовуються в якості приймальних антен у діапазонах НДХ, ДХ, СХ і КХ. Такіантени ще називаються рамками малої електричної довжини або малими рамками.
У діапазонних (резонансних)рамкових антен геометричні розміри приблизно дорівнюють довжині хвилі. Довжинакожної сторони приблизно дорівнює чверті довжини хвилі.
Хвильові рамкизастосовуються у діапазоні УКХ як приймально-передавальні антени тому, що опірвипромінювання резонансних рамкових антен більший, ніж у малої рамкової антени.Для збільшенняспрямованості використовують декілька рамкових антен, що встановлюються одна заодною вздовж спільної осі.
Конструкціяхвилевої рамкової антени зображена на рисунку 1.2.1.
/>
Рисунок 1.2.1 – Конструкціяхвилевої рамкової антени
Діапазоннірамкові антени використовуються у діапазоні УКХ. Такі рамки ще називаються хвильовимиабо резонансними.
1.3 Рамковіантени з покращеними властивостями
Для покращеннявластивостей рамкових антен використовуються рамки з магнітним осердям,екрановані рамки і системи з двох рознесених рамок.
Рамки з магнітнимосердям називають магнітними антенами. Мають у порівнянні з рамками без осердяважливу перевагу: завдяки властивості осердя концентрувати магнітний потікдіюча довжина рамки зростає в μо разів (μо –магнітна проникність осердя). Вона залежить від форми осердя і відносноїмагнітної проникності матеріалу μ. Дл виготовлення осердь широкозастосовуються ферити, що мають малі втрати і велику величину μ. Цедозволяє отримати прийнятні значення діючої довжини за допомогоюмалогабаритних рамкових антен. На рисунку 1.3.1 зображена рамка з магнітнимосердям, що вбудовується в радіомовний приймач.
/>
Рисунок 1.3.1 – Рамказ магнітним осердям, яка вбудовується в радіомовний приймач
Екрановані рамкиу порівнянні з неекранованими мають перевагу: у них усунуто антений ефект(вплив синфазних струмів). В таких рамках виникають тільки протифазні струми.На рисунку 1.3.2 зображена екранована рамка.
/>
Рисунок 1.3.2 – Екранованарамка
Часто дляборотьби з так званими поляризаційними помилками використовуються системи здвох рознесених рамок із спільною віссю (рисунок 1.3.3 а) або компланарні (рисунок1.3.3 б).
/>
Рисунок 1.3.3 – Системиз двох рознесених рамок
1.4 Параметрирамкових антен
До основних параметріврамки відносять:
1. Амплітуднезначення електрорушійної сили, яка наводиться вертикально поляризованою хвилеюу рамці, що має N витків [1]:
/>, (1.4.1)
де /> − хвильове число;
N − кількість витків, що маєрамка;
S − площа рамки;
Eм − амплітуда напруженостіелектричного поля, яке падає на
рамку;
θ − кут падіння електромагнітноїхвилі до площини рамки відносно нормалі.
Максимальне значенняεм буде при θ=90о
/>.
2. Вхідний опір –це відношення напруги напруги до струму на вході антени. Реактивна складова вхідного опору маєіндуктивний характер, і для налагодження рамки у резонанс використовуютьвисокодобротні конденсатори.
3. Діючоюдовжиною деякої антени є довжина такого прямолінійного випромінювача зрівноамплітудним розподілом струму, рівним струму в деякому перерізі даноїантени, який створює в напрямку максимального випромінювання таку жнапруженість поля, що й дана антена [1]:
/>. (1.4.2)
4. Опір випромінювання [1]:
/>/> (1.4.3)
тобто
/>
/>.
Мала рамкова антена має />, а хвильова />,
тому її опір випромінювання RΣ дуже малий, і її можнавикористовувати на довгих та середніх хвилях, як приймальні антени.
Хвильові рамкизастосовуються у діапазоні УКХ як приймально-передавальні антени тому, що опірвипромінювання резонансних рамкових антен більший, ніж у малої рамкової антени.
/>~/>.
5. Коефіцієнтомспрямованої дії називається величина, яка показує, в скільки разів потужністьвипромінювання ізотропної антени повинна бути більше потужності випромінюванняантени, що розглядається, щоб в напрямку спостереження поля від обох антен булиоднакові [1]:
\
/>. (1.4.4)
КСД характеризуєздатність антени концентрувати енергію в заданому напрямку. КСД рамкової антенистановить приблизно π/2.
6. Ефективнаплоща антени – площа, від якої приймальна антена приймає енергію падаючої хвилі[1]:
/> (1.4.5)
2. РОЗРАХУНОКДІАГРАМИ СПРЯМОВАНОСТІ
Геометричнірозміри рамкової антени: 3,18x3,18 м; частота сигналу: 30 МГц.
Моделювання тарозрахунок параметрів ДС проводились за допомогою програми MMANA-GAL.
На Рисунку 6.1 зображенодіаграму спрямованості та параметри антени, що знаходиться у вільному просторі.
/>
Рисунок 2.1 – ДСта параметри антени (у вільному просторі)
Рисунок 2.2відображає дану ДС у тривимірному просторі.
/>
Рисунок 2.2 – ТривимірнаДС антени (у вільному просторі)
При використанніантени на висоті 10 метрів від ідеальної землі її ДС і параметри змінюються. ЩодоДС, то з’являються вже 4 пелюстки. Це характеризує кращі направлені властивостіантени, тобто більшу її спрямованість.
Значно зріскоефіцієнт підсилення – з 3,86 до 8,12 дБ, трохи зменшилися значеннярезистивного і реактивного опорів з 250,151 до 216,320 і з 122,686 до 92,350 Омвідповідно. Також відбулося і зменшився (покращення) КСХ з 6,2 до 5,2.
/>
Рисунок 2.3 – ДС та параметри антени,розміщеної на відстані 10 м від ідеальної землі
Рисунок 2.4відображає дану ДС у тривимірному просторі.
/>
Рисунок 2.4 – ТривимірнаДС антени, розміщеної на відстані 10 м від ідеальної землі
При розміщенніантени на відстані 20 м від ідеальної землі її ДС проявляє ще більші направленівластивості, з’являються додаткові пелюстки. А параметри антени змінюютьсянезначно. Коефіцієнт підсилення змінився з 8,12 до 8,92. Резистивний іреактивний опори незначно зросли з 216,320 на 233,687 і з 92,350 на 105,900відповідно. КСХ збільшився з 5,2 до 5,7.
/>
Рисунок 2.5 – ДСта параметри антени, розміщеної на відстані 20 м від ідеальної землі
Рисунок 2.6відображає дану ДС у тривимірному просторі.
/>
Рисунок 2.6 – ТривимірнаДС та параметри антени, розміщеної на відстані 20 м від ідеальної землі
3. ОПТИМІЗАЦІЯГЕОМЕТРИЧНИХ РОЗМІРІВ ПРИЙМАЛЬНОЇ ХВИЛЕВОЇ РАМКОВОЇ АНТЕНИ
Оптимізація проводиласядля антени, що розташована на відстані 10 м від ідеальної землі. Оптимізація проводилася за коефіцієнтом підсилення і коефіцієнтом стоячої хвилі (Ga вибирався максимальним, КСХ– мінімальним).
Результатиоптимізації наведені у таблиці 2.1.
Таблиця 2.1
Оптимізаціягеометричних розмірів антени
/>
В результатіоптимізації ми отримали резистивну складову опору антени приблизно в півторарази мнешу, також дуже зменшилась і реактивна складова (з 92,35 до 0,404 Ом). Позитивнимє і зменшення КСХ з 5,15 до 2,85 (в 1,8 рази). Коефіцієнт підсилення майже незмінився.
Внаслідокоптимізації змінилися геометричні розміри антени. А точніше вони стали дещоменшими (площа рамки зменшилася в 1,16 разів).
У таблиці 2.2наведені геометричні розміри оптимізованої антени.
Таблиця 7.2
Геометричнірозміри оптимізованої антени
/>
ПЕРЕЛІКПОСИЛАНЬ
1. Антенны и устройства СВЧ, Н. Т. Бова, Г. Б.Резников, Киев, “Вищашкола”, 1982.
2. Антенно-фидерные устройства, А. З. Фрадин, “Связь”, 1977.
3. Зміни до методичного посібника по курсовому ідипломному проектуванню згідно ДСТУ 3008-95.
4. www.google.com.ua.
5. Конспект лекцій з дисципліни “Пристрої НВЧ та антени”.