Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Контрольна робота - антени та їх основні види, характеристики - файл 1.doc


Контрольна робота - антени та їх основні види, характеристики
скачать (498 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc498kb.18.11.2011 18:32скачать

Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
1. Класифікація, основні характеристики антен.

Антена - це пристрій, призначений для випромінювання (передавальна антена) і. прийому (приймальня антена) електромагнітних хвиль (ЕМХ). Та сама антена може виконувати функції передавальної й приймальні (властивість оборотності). Передавальна антена здійснює перетворення енергії високочастотних коливань, що надходять від передавача, в ЕМХ, що поширюються від антени в навколишній простір. Прийомна антена вловлює енергію ЕМХ джерел випромінювання й перетворить їх в енергію високочастотних коливань, що надходять на вхід приймача.

Антени класифікують по декількох ознаках. По призначенню антени діляться на передавальні, приймальні й приймально-передавальні, а залежно від області застосування - на радіолокаційні, радіозв’язкові, радіонавігаційні, телевізійні, по діапазону робочих частот.

За принципом дії й конструкції антени підрозділяють на дротового, щілинні, акустичного типу (хвилеводні й рупорні), оптичного типу (дзеркальних, лінзові), спіральні, поверхневих хвиль, а по геометрії випромінюючих елементів - на лінійні антени й антени з випромінюючої розкритому (апертурою). По розподілі в просторі випромінюваної енергії ЕМХ антени діляться на спрямовані й ненаправлені.

Спрямованість випромінювання (прийому) антен дозволяє визначити напрямок на джерела первинного або вторинного випромінювання ЕМХ (завдання радіолокації, радіонавігації, радіоуправління); сприяє підвищенню перешкодозахищеності радіо сигналу; дозволяє сконцентрувати випромінювану енергію у вузькій області простору й при рівній потужності передавача одержати більшу дальність дії. Антени підрозділяють також по способі керування положенням діаграми спрямованості антени (з механічним, електромеханічним і електричним скануванням), по місцю установки (наземні, підземні, корабельні, літакові). Можлива класифікація антен і по інших ознаках.

До основних характеристик антен ставляться: коефіцієнт корисної дії (ККД), коефіцієнт спрямованої дії (КСД) антени, коефіцієнт підсилення антени, рівень бічних пелюстків, ефективна площа антени, діапазон робочих частот, поляризаційні характеристики й ін. ККД антени - відношення потужності сигналу, випромінюваною антеною, до потужності сигналу, який підводиться до неї. Характеризує ефективність перетворення антеною підведеною до неї ВЧ-енергії в енергію ЕМХ.

КСД антени D називається відношенням квадрата напруженості поля, створюваного в даному напрямку, до середнього значення квадрата напруженості поля в усіх напрямках. КСД є кількісним показником спрямованості випромінювання (прийому) антени й характеризує ступінь концентрації енергії, випромінюваною антеною, у даному напрямку. Зазвичай приводять величину КСД у напрямку максимального випромінювання. Величина КСД гостро-направлених антен може становити кілька тисяч. Коефіцієнт підсилення - відношення потужності на вході еталонної антени до потужності, яка підводиться до реальної антени, за умови, що обидві антени створюють у даному напрямку на однаковій відстані рівні значення напруженості поля або рівні значення щільності потоку потужності. КСД і коефіцієнт підсилення зв'язані співвідношенням. Нормоване значення коефіцієнта підсилення (або КСД) антени щодо його максимального значення називають нормованою діаграмою спрямованості антени по потужності. У цьому вираженні-нормована діаграма спрямованості антени (ДСА) по напруженості електромагнітного поля. У просторі діаграма направленості антени по потужності являє собою об'ємну фігуру, обмежену замкнутою поверхнею, з рівнозначним радіус-вектором кожної точки. У загальному випадку ця поверхня являє собою кілька об'ємних пелюстків. Пелюсток, у межах якого випромінювання максимально, називається головним, пелюсток, протилежний головному, - заднім, а інші пелюстки називаються бічними. Зобразити просторову ДСА досить складно, тому будують її перетину якими-небудь площинами. Для цих цілей часто використовуються дві взаємно перпендикулярні площини, лінії перетинання яких збігаються з максимумом головного пелюстка ДСА. Плоскі ДСА зображуються в полярній або прямокутній системі координат.

Шириною ДСА називають кут, утворений двома променями, у межах якого коефіцієнт підсилення антени не менше деякого значення. Часто цей рівень вибирається рівним 0,5. Величину побічного (не основного, паразитного) випромінювання оцінюють відносним рівнем бічних пелюстків стосовно головного пелюстка й виражають у відсотках або децибелах.

Ефективна площа антени - відношення максимальної потужності, що може бути віддана без обліку втрат у погоджене навантаження, до щільності потужності падаючої хвилі. КСД антени і її ефективна площа в довільному напрямку зв'язані співвідношенням. Ефективна площа менше або дорівнює геометричної площі розкриву. Її величина визначається фазовим-амплітудно-фазовим розподілом поля в розкривши антени й напрямком ЕМХ, що падають на антену.

Поляризація антени визначається поляризацією випромінюваних (прийнятих) ЕМХ. По виду поляризації антени діляться на антени з лінійної й обертової (еліптичної, круговий) поляризацією. Для оцінки ефективності прийому ЕМХ використовується коефіцієнт поляризаційної ефективності, де - потужність у навантаженні прийомної антени; - потужність, що могла б виділитися при повному узгодженні поляризації прийманні антени й прийнятих нею ЕМХ.

Діапазон антени визначається смугою, обмеженою максимальною й мінімальною частотами. Їхню різницю називають смугою пропускання. Для широкодіапазонної антени використовується характеристика коефіцієнт перекриття.

Будь-яка антена складається з первинних і вторинних випромінювачів. Первинним випромінювачем називається елемент антени, пов'язаний з лінією передачі. Випромінюючий елемент, не пов'язаний з нею й збуджений полем первинного випромінювача, називається вторинним.

2. Основні типи антен.

2.1. Вібраторні антени.

На практиці широко використовуються антени, що складаються із прямолінійних провідників. У цих антен відсутнє випромінювання уздовж осі проведення, поляризація лінійна, ДСА вісь-симетрична. Розподіл струму уздовж такого провідника можна вважати синусоїдальним.

Такі випромінювачі називаються вібраторами. Вони мають добре виражені резонансні властивості при довжині. Залежно від способу порушення й розподілу струму уздовж провідника ці антени діляться на симетричні й несиметричні. Широке застосування знайшов лінійний симетричний вібратор довжиною із симетричним щодо клем живленням.

ДСА такого вібратора є й у площині осі вібратора має вигляд вісімки, а в площині, перпендикулярній осі вібратора, - вид кола. Недоліком рамкової антени є наявність у неї двонаправленного прийому, що не дозволяє однозначно визначати напрямок на джерело випромінювання. Використовується як елементи більше складних антен, самостійно в радіо зв'язку, навігації, розвідки.

2.2. Щілинні антени.

В УКХ - діапазоні часто застосовуються щілинні антени (ЩА), що представляють собою одну або кілька вузьких щілин, прорізаних у струмо несучої поверхні хвилеводу. Щілини повинні перетинати лінії струмів провідності. Одиночна вібраторна антена є слабонаправленною. Для підвищення спрямованості застосовують багатовібраційні антени, що складаються з декількох вібраторів, розташованих певним чином у просторі.

Звичайно випромінювачі встановлюються уздовж лінії або у вузлах правильних ґрат. Такі антени називають антенними ґратами (АГ). Існують лінійний, плоскі й об'ємні АГ. При синфазному живленні вібраторів максимум головного пелюстка ДСА перпендикулярний площини ґрат. Знаходить застосування несиметричний чвертьхвильовий вібратор, у якого розподіл струму уздовж провідника несиметричний.

Він розташовується над провідною поверхнею, з'єднується одним кінцем з лінією передачі (фідером), а іншим - із провідною поверхнею. ДСА такого вібратора така ж, як в еквівалентного симетричного вібратора, однак існує реально тільки одна її половина. Лінійні вібратори використовуються як самостійно, так і як елементи більше складних антен.

2.3. Рамкові антени.

Рамковою антеною називається один або декілька послідовно з'єднаних витків провідників. Для простоти форму рамки можна вважати квадратної й розглядати як антену, що складається із двох послідовно включених вібраторів.

2.4. Хвилеводні й рупорні антени.

Найпростішою антеною з відкритим випромінювачем є хвилеводна антена, що представляє собою відкритий кінець хвилеводу. Розкривши (апертуру) антени можна розглядати як випромінюючу поверхню з безперервним розподілом випромінювачів. хвилеводні антени мають широку ДСА й погано погоджені із зовнішнім простором. Більше вузьку ДСА має рупорна антена, виконана у вигляді хвилеводу з поперечним перетином, що плавно розширюється, убік відкритого кінця.

2.5. Антени оптичного типу.

У діапазоні СВЧ застосовуються дзеркальні й лінзові антени. Дзеркальною антеною (Дз.А) називається антена, у якій формування ДС здійснюється в результаті відбиття ЕМХ первинного джерела (випромінювача) від відбивача (дзеркала). У якості випромінювача Дз.А може використовуватися напівхвильовий вібратор або рупор. Звичайно випромінювач установлюється у фокусі дзеркала й випромінює сферичні ЕМХ. Дзеркало виготовляється з металевих листів або сіток. Дз.А знаходять застосування в радіолокації, радіозв'язку, радіоуправлінні в діапазоні СВЧ. Лінзові антени застосовуються в діапазоні СВЧ для створення вузьких ДСА. Лінзова антена складається з первинного випромінювача й радіо-лінзи. Радіо-лінза являє собою прозоре для ЕМХ обмежене двома поверхнями тіло, показник переломлення якого відрізняється від показника переломлення середовища. За допомогою радіо-лінзи сферичний фронт ЕМХ випромінювача перетвориться в плоский. За принципом дії радіо-лінзи подібні до оптичних лінз. У якості випромінювача часто використовуються рупори, які містяться у фокусі.

Керування положенням головного пелюстка здійснюється переважно переміщенням випромінювача у фокальній площині. На практиці широко використовується радіо-лінза Люнеберга. Вона має форму кулі, показник переломлення якої плавно убуває від центра до його поверхні за законом який забезпечує формування потрібної ДСА. Найпоширенішими є дзеркала у вигляді параболоїда обертання або усіченого параболоїда, параболічного циліндра або циліндра спеціального профілю. За допомогою параболоїда падаюча сферична хвиля випромінювача перетвориться в плоску.

2.6. Антени з обертовою поляризацією.

Поле з обертовою поляризацією можна розглядати як результат додавання двох ЕМХ які поширюються в одному напрямку з лінійною поляризацією зі змішенням по фазі на 90°, площини поляризації яких перпендикулярні одна інший. Таке поле може бути створене за допомогою двох напівхвильових вібраторів, вісі яких перпендикулярні, а струми відрізняються по фазі на 90°.

Як антени із обертовою поляризацією можуть використовуватися хрестоподібні щілинні антени, а також антени, побудовані на основі хвильоводних і рупорних антен.

2.7. Спіральні антени.

Велике застосування одержали спіральні антени. Спіральна антена складається зі спіралі, що живиться звичайно з кінця коаксіальної лінії, і відбивача. Спіральні антени застосовуються в діапазоні ДЦХ і MХ як самостійно, так і як збудників рупорних антен і збуджувачів дзеркальних і лінзових антен.

2.8 Антенні ґрати.

До достоїнств антенних ґрат відноситься: швидке сканування ДСА по заданій програмі, зміна форми ДС, можливість збільшення потужності випромінювання, одержання багато пелюсткових ДСА.

Для реалізації можливостей антенних ґрат необхідний керування амплітудно-фазовим розподілом сигналів окремих випромінювачів. антенні ґрати, у яких керування положенням головного пелюстка здійснюється зміною фази сигналу кожного випромінювача, називаються фазированними антенними ґратами. Для зміни фази сигналу кожного випромінювача в його тракт включається фазообертач. У таких фазированних антенних ґрат має місце фазове сканування ДСА.

Якщо зміна фази сигналу у випромінювачі здійснюється зміною частоти генератора, то в цьому випадку говорять про частотне сканування ДСА.

2.9. Антени поверхневих хвиль.

На границі розділення двох середовищ можуть поширюватися так звані поверхневі (уповільнені) хвилі. Якщо система, що сповільнює, має нескінченну довжину або погоджена з навантаженням, то хвиля поширюється без випромінювання. На кінці системи, що сповільнює, без навантаження відбувається випромінювання ЕМХ. Така система, що сповільнює, називається антеною поверхневих хвиль. Антена поверхневих хвиль у загальному випадку складається зі збуджувача (рупора, λ/4- вібратора), направника (діелектричної пластини або ребристої структури) і металевої пластини. Такі антени використовуються в діапазонах ДЦХ, СМХ, ММХ.

3. Аналіз конструкції та параметрів рамкових антен.

3.1. Конструкція та ДС рамкових антен.

Рамкові антени представляють собою один плоский виток дроту (одновиткова рамка) або декілька таких витків (багатовиткова рамка). Тобто, їх основним елементом є рамка довільної форми.

Форма витків буває круглою, прямокутною, трикутною, ромбічною і т.п. (рисунок 1. а-г). На рисунку 1.1 д представлена багатовиткова рамка із витків круглої форми:



Рисунок 1. – Форми витків рамок (а-г) і багатовиткова рамка (д)

Рамкові антени розраховані на приймання вертикально (малі рамки) і горизонтально (резонансні рамки) поляризованої хвилі. Для першого випадку рамкові антени мають діаграму спрямованості в горизонтальній площині (перпендикулярній рамці) у вигляді вісімки (F(Θ)=sin Θ)(рисунок 2) (для якої важливою особливістю буде наявність напрямку нульового прийому) і вигляд кола в площині, що містить рамку. Тобто ДС рамки - тороїд.



Рисунок 2. – ДС рамки в горизонтальній площині

Рамки розташовуються так, щоб площина витків була перпендикулярною до поверхні землі.

Напрямок максимуму спрямованості лежить у площині рамки, мінімум випромінювання – вздовж перпендикуляра до центра рамки.

Використовується антена, як правило, при умові обертання її діаграми спрямованості. У випадку приймання радіозв’язку і радіомовлення обертання діаграми спрямованості дозволяє встановити її так, щоб напрямок нульового приймання співпав з напрямком найбільш сильної перешкоди. Тим самим добиваються підвищення відношення рівня сигналу до рівня перешкод. У випадку радіопеленгації обертання діаграми спрямованості дозволяє після зникнення сигналу визначити напрямок, з якого приходить хвиля.

Обертання ДС досягається обертанням антени навколо вертикальної осі, яка лежить в площині витка і проходить через центр антени.

Рамкові антени знаходять застосування у всіх діапазонах радіохвиль від наддовгих (НДХ) до ультракоротких (УКХ) для приймання радіозв’язку і радіомовлення, як антени радіопеленгаторів радіомаяків, при вимірюванні напруженості поля за допомогою радіокомпараторів і селективних мікровольтметрів.

Внаслідок малих розмірів рамкові антени мають невеликий опір випромінювання, що безпосередньо впливає на зниження ККД, особливо при збільшенні кількості витків. Тому вони застосовуються в якості приймальних антен.

3.2 Класифікація рамкових антен.

До рамкових антен відносять:

малі рамкові антени (периметр рамки значно менший довжини хвилі);

діапазонні рамкові антени (периметр рамки приблизно рівний довжині хвилі).

Геометричні розміри малих рамкових антен значно менші довжини хвилі . Розміри рамки можуть бути від декількох сантиметрів до десятків метрів залежно від її призначення.

Малі рамки застосовуються в якості приймальних антен у діапазонах НДХ, ДХ, СХ і КХ. Такі антени ще називаються рамками малої електричної довжини або малими рамками.

У діапазонних (резонансних) рамкових антен геометричні розміри приблизно дорівнюють довжині хвилі. Довжина кожної сторони приблизно дорівнює чверті довжини хвилі.

Хвильові рамки застосовуються у діапазоні УКХ як приймально-передавальні антени тому, що опір випромінювання резонансних рамкових антен більший, ніж у малої рамкової антени. Для збільшення спрямованості використовують декілька рамкових антен, що встановлюються одна за одною вздовж спільної осі.

Конструкція хвилевої рамкової антени зображена на рисунку 3.



Рисунок 3 – Конструкція хвилевої рамкової антени

Діапазонні рамкові антени використовуються у діапазоні УКХ. Такі рамки ще називаються хвильовими або резонансними.

3.3 Рамкові антени з покращеними властивостями.

Для покращення властивостей рамкових антен використовуються рамки з магнітним осердям, екрановані рамки і системи з двох рознесених рамок.

Рамки з магнітним осердям називають магнітними антенами. Мають у порівнянні з рамками без осердя важливу перевагу: завдяки властивості осердя концентрувати магнітний потік діюча довжина рамки зростає в μо разів (μо – магнітна проникність осердя). Вона залежить від форми осердя і відносної магнітної проникності матеріалу μ. Дл виготовлення осердь широко застосовуються ферити, що мають малі втрати і велику величину μ. Ц едозволяє отримати прийнятні значення діючої довжини за допомогою малогабаритних рамкових антен. На рисунку 4 зображена рамка з магнітним осердям, що вбудовується в радіомовний приймач.



Рисунок 4. – Рамка з магнітним осердям, яка вбудовується в радіомовний приймач.

Екрановані рамки у порівнянні з неекранованими мають перевагу: у них усунуто антений ефект (вплив синфазних струмів). В таких рамках виникають тільки протифазні струми. На рисунку 5. зображена екранована рамка.



Рисунок 5. – Екранована рамка

Часто для боротьби з так званими поляризаційними помилками використовуються системи з двох рознесених рамок із спільною віссю (рисунок 6а) або компланарні (рисунок 6б).


Рисунок 6. – Системи з двох рознесених рамок

3.4 Параметри рамкових антен

До основних параметрів рамки відносять:

Амплітудне значення електрорушійної сили, яка наводиться вертикально поляризованою хвилею у рамці, що має N витків:



де − хвильове число;

N − кількість витків, що має рамка;

S − площа рамки;

Eм − амплітуда напруженості електричного поля, яке падає на

рамку;

θ − кут падіння електромагнітної хвилі до площини рамки відносно нормалі.

Максимальне значення εм буде при θ=90о

.

2. Вхідний опір – це відношення напруги напруги до струму на вході антени. Реактивна складова вхідного опору має індуктивний характер, і для налагодження рамки у резонанс використовують високодобротні конденсатори.

3. Діючою довжиною деякої антени є довжина такого прямолінійного випромінювача з рівноамплітудним розподілом струму, рівним струму в деякому перерізі даної антени, який створює в напрямку максимального випромінювання таку ж напруженість поля, що й дана антена:



  1. Опір випромінювання:



тобто



.

Мала рамкова антена має , а хвильова ,

тому її опір випромінювання RΣ дуже малий, і її можна використовувати на довгих та середніх хвилях, як приймальні антени.

Хвильові рамки застосовуються у діапазоні УКХ як приймально-передавальні антени тому, що опір випромінювання резонансних рамкових антен більший, ніж у малої рамкової антени.

.

5. Коефіцієнтом спрямованої дії називається величина, яка показує, в скільки разів потужність випромінювання ізотропної антени повинна бути більше потужності випромінювання антени, що розглядається, щоб в напрямку спостереження поля від обох антен були однакові:

.

КСД характеризує здатність антени концентрувати енергію в заданому напрямку. КСД рамкової антени становить приблизно π/2.

6. Ефективна площа антени – площа, від якої приймальна антена приймає енергію падаючої хвилі:



4. Приклади розрахунку параметрів антен.

4.1. Розрахувати, яким буде коефіцієнт укорочення хвилі при випромінюванні спіральною антеною у випадку, коли N=9, S=19 см, r=11 см, λ=80 см.

Розв’язок:

Коефіцієнт укорочення хвилі при випромінюванні спіральною антеною розраховується за наступною формулою



І буде мати таке значення:



Відповідь: коефіцієнт укорочення хвилі при випромінюванні спіральною антеною дорівнює 1,174

4.2. Визначити, яким буде максимальний коефіцієнт направленої дії спіральної антени у випадку, коли N=9, S=19 см, r=11 см, λ=80 см.

Розв’язок:

Максимальний коефіцієнт направленої дії спіральної антени визначається за наступною формулою і для таких параметрів матиме наступне значення:



Відповідь: максимальний коефіцієнт направленої дії спіральної антени при таких параметрах дорівнює 13,978

4.3. Визначити кут підйому витка і осьову довжину спіральної антени у випадку, коли N=9, S=19 см, r=11 см, λ=80 см.

Розв’язок:

Кут підйому витка спіральної антени визначається за наступною формулою:



А осьова довжина матиме наступні розміри:



Відповідь: , .

4.4. Визначити вхідний опір спіральної антени у випадку, коли N=9,
S=19 см, r=11 см, λ=80 см.

Розв’язок:

Вхідний опір спіральної антени визначається за формулою:



Відповідь: Вхідний опір спіральної антени дорівнює 154 Ома.






Скачать файл (498 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru