Розрахунок рамкової антени

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ



ДС – діаграма спрямованості

КСХ – коефіцієнт стоячої хвилі

КСД – коефіцієнт спрямованої 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 приймальної хвилевої рамкової антени

Висновки

Перелік посилань




ВСТУП



Антена входить в склад будь-якої радіолінії. Основне призначення антени – випромінювання і приймання радіохвиль. Тобто антена – це пристрій, який перетворює направлені електромагнітні 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. Функції приймальної антени: перетворююча, фільтрувальна.

Передавальна антена – пристрій, який перетворює зв’язані електромагнітні хвилі або струми змінної частоти в хвилі, що розповсюджуються вільно. Функції передавальної антени: перетворююча, концентрація поля хвиль в заданому напрямку.

Крім власне випромінювання і прийому радіохвиль призначенням антени є також просторовий розподіл інтенсивності, фази і поляризації радіохвилі.

За діапазоном хвиль антени класифікуються: довгих хвиль, середніх хвиль, коротких хвиль і ультракоротких хвиль. За призначенням: радіолокаційні, зв’язкові (телевізійні, супутникові), мобільні, стаціонарні тощо.

В даній курсовій роботі була розроблена приймальна хвилева рамкова антена, побудовану її діаграму спрямованості та виконано оптимізацію геометричних розмірів даної антени. Розрахунок параметрів антени та побудова її ДС проводились за допомогою спеціальної програми MMANA-GAL.


1. АНАЛІЗ КОНСТРУКЦІЇ ТА ПАРАМЕТРІВ РАМКОВИХ АНТЕН



1.1 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 1.1 а-г). На рисунку 1.1 д представлена багатовиткова рамка із витків круглої форми:





Рисунок 1.1 – 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 1.2) (для якої важливою особливістю буде наявність напрямку нульового прийому) і вигляд кола в площині, що містить рамку. Тобто ДС рамки - тороїд. 

	

	

	Рисунок 1.2 – 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.



1.2 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 1.2.1.





Рисунок 1.2.1 – Конструкція хвилевої рамкової антени 



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




1.3 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 1.3.1 зображена рамка з магнітним осердям, що вбудовується в радіомовний приймач.





Рисунок 1.3.1 – 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 1.3.2 зображена екранована рамка.






Рисунок 1.3.2 – Екранована рамка



Часто для боротьби з так званими поляризаційними помилками використовуються системи з двох рознесених рамок із спільною віссю (рисунок 1.3.3 а) або компланарні (рисунок 1.3.3 б).





Рисунок 1.3.3 – Системи з двох рознесених рамок



1.4 Параметри рамкових антен



До основних параметрів рамки відносять:

Амплітудне значення електрорушійної сили, яка наводиться вертикально поляризованою хвилею у рамці, що має N витків [1]:




, (1.4.1)



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]:



. (1.4.2)



Опір випромінювання [1]:



			
 (1.4.3)



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 [1]: 

\

. (1.4.4)



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 [1]:



 (1.4.5)




2. РОЗРАХУНОК ДІАГРАМИ СПРЯМОВАНОСТІ



Геометричні розміри рамкової антени: 3,18x3,18 м; частота сигналу: 30 МГц.

Моделювання та розрахунок параметрів ДС проводились за допомогою програми MMANA-GAL.

На Рисунку 6.1 зображено діаграму спрямованості та параметри антени, що знаходиться у вільному просторі.





Рисунок 2.1 – ДС та параметри антени (у вільному просторі)



Рисунок 2.2 відображає дану ДС у тривимірному просторі.






Рисунок 2.2 – Тривимірна ДС антени (у вільному просторі)



При використанні антени на висоті 10 метрів від ідеальної землі її ДС і параметри змінюються. Щодо ДС, то з’являються вже 4 пелюстки. Це характеризує кращі направлені властивості антени, тобто більшу її спрямованість.

Значно зріс коефіцієнт підсилення – з 3,86 до 8,12 дБ, трохи зменшилися значення резистивного і реактивного опорів з 250,151 до 216,320 і з 122,686 до 92,350 Ом відповідно. 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 2.4 відображає дану ДС у тривимірному просторі.



Рисунок 2.4 – Тривимірна ДС антени,розміщеної на відстані 10 м від ідеальної землі



При розміщенні антени на відстані 20 м від ідеальної землі її ДС проявляє ще більші направлені властивості, з’являються додаткові пелюстки. А параметри антени змінюються незначно. Коефіцієнт підсилення змінився з 8,12 до 8,92. Резистивний і реактивний опори незначно зросли з 216,320 на 233,687 і з 92,350 на 105,900 відповідно. КСХ збільшився з 5,2 до 5,7.





Рисунок 2.5 – ДС та параметри антени, розміщеної на відстані 20 м від ідеальної землі



Рисунок 2.6 відображає дану ДС у тривимірному просторі.





Рисунок 2.6 – Тривимірна ДС та параметри антени, розміщеної на відстані 20 м від ідеальної землі




3. ОПТИМІЗАЦІЯ ГЕОМЕТРИЧНИХ РОЗМІРІВ ПРИЙМАЛЬНОЇ ХВИЛЕВОЇ РАМКОВОЇ АНТЕНИ



Оптимізація проводилася для антени, що розташована на відстані 10 м від ідеальної землі. Оптимізація проводилася за коефіцієнтом підсилення і коефіцієнтом стоячої хвилі (Ga вибирався максимальним, КСХ – мінімальним).

Результати оптимізації наведені у таблиці 2.1.



Таблиця 2.1

Оптимізація геометричних розмірів антени





В результаті оптимізації ми отримали резистивну складову опору антени приблизно в півтора рази мнешу, також дуже зменшилась і реактивна складова (з 92,35 до 0,404 Ом). Позитивним є і зменшення КСХ з 5,15 до 2,85 (в 1,8 рази). Коефіцієнт підсилення майже не змінився.

Внаслідок оптимізації змінилися геометричні розміри антени. А точніше вони стали дещо меншими (площа рамки зменшилася в 1,16 разів).

У таблиці 2.2 наведені геометричні розміри оптимізованої антени.



Таблиця 7.2

Геометричні розміри оптимізованої антени




ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ



1. Антенны и устройства СВЧ, Н. Т. Бова, Г. Б. Резников, Киев, “Вища школа”, 1982. 

2. Антенно-фидерные устройства, А. З. Фрадин, “Связь”, 1977.

3. Зміни до методичного посібника по курсовому і дипломному проектуванню згідно ДСТУ 3008-95.

4. www.google.com.ua.

5. Конспект лекцій з дисципліни “Пристрої НВЧ та антени”.