Двухэлементная директорная антенна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа по антеннам и устройствам СВЧ

Задание

Заданы: длина волны , относительное расстояние между вибраторами , диаметры вибраторов 2а и , размер h петлевого вибратора, суммарное реактивное сопротивление пассивного вибратора (директора или рефлектора), входное сопротивление антенны .

Рассчитать:

Длину 2l пассивного вибратора и диаметр петлевого, ДН антенны в плоскостях E и H, коэффициент защитного действия, и КНД антенны.

Симметричный электрический вибратор в свободном пространстве

Симметричные вибраторы, состоящие из двух одинаковых по размерам и форме проводников, между которыми включается генератор высокой частоты (часто эти проводники называют плечами), начали широко применяться уже в первой половине 20-х годов в связи с возникновением и развитием радиосвязи на коротких волнах. В настоящее время симметричный вибратор как самостоятельную антенну используют на коротких (декаметровых), метровых и дециметровых волнах. В этих же диапазонах широко применяют сложные антенны, состоящие из ряда симметричных вибраторов. Симметричные вибраторы используют также в сантиметровом диапазоне волн в качестве элементов сложных систем (например, облучатели зеркальных антенн).

Рассмотрим линейный симметричный вибратор, представляющий собой тонкий цилиндрический проводник длиной 21 и радиусом а (рис. 1), находящийся в свободном пространстве.



Рис. 1

До разработки строгой теории симметричного вибратора, которая появилась в конце 30-х - начале 40-х годов, при расчете поля вибратора применялся приближенный метод. В его основе лежит предположение о синусоидальном распределении тока по вибратору (закон стоячей волны), связанное с некоторой внешней аналогией между симметричным вибратором и двухпроводной, разомкнутой на конце длинной линией без потерь (предположение о синусоидальном распределении тока делалось и при расчете поля длинноволновых проволочных антенн, появившихся в самом начале возникновения радиосвязи). Действительно, от двухпроводной линии можно перейти к симметричному вибратору, если провода линии развернуть под углом 180° друг к другу.

Полагают, что при таком переходе закон распределения тока не нарушается, т.е.

где /п - амплитуда тока в пучности тока вибратора (в общем случае - это величина комплексная); l - длина одного плеча вибратора, при этом зазором между плечами вибратора пренебрегают; г - расстояние от начала координат (середина вибратора) до произвольной точки на поверхности вибратора (текущая координата); - коэффициент фазы тока, текущего по вибратору (полагают, что длина волны в вибраторе равна длине волны в свободном пространстве, т. е. фазовая скорость этой волны равна скорости света). Как видно из формулы для распределения тока по вибратору, распределение тока не зависит от толщины вибратора.

В действительности, хотя длинная линия и вибратор являются колебательными системами с распределенными параметрами, они существенно различаются. Во-первых, распределенные параметры линии не изменяются по длине линии, распределенные параметры вибратора непостоянны по его длине. Во-вторых, линия предназначена для передачи электромагнитных волн к антенне или к какой-либо другой нагрузке и является практически не излучающей системой; в разомкнутой линии без потерь ток изменяется по закону стоячей волны. В вибраторе, выполненном даже из идеального проводника, существуют потери (полезные) на излучение, и ток в нем, строго говоря, не может быть распределен по закону стоячей волны, как в формуле. В частности, в узлах ток не обращается в нуль.

Однако расчет поля симметричного вибратора в дальней зоне (т.е. характеристик направленности) по формулам, полученным исходя из синусоидального распределения тока, дает достаточно хорошее совпадение с экспериментальными данными для тонких вибраторов, длина которых <0,5, и широко используется в настоящее время.

В результате, полагая, что ток в вибраторе распределён по закону синуса, и прибегнув к законам электродинамики и математики, получили выражение для напряжённости поля, создаваемое в точке наблюдения всем симметричным вибратором:

Параметры, используемые в данной формуле, и геометрия симметричного вибратора показаны на рисунке:

Рис. 2

Из выражения для напряжённости поля видно, что симметричный вибратор обладает направленными свойствами только в меридиональной плоскости (плоскость электрического вектора).

Напряжённость электрического поля симметричного вибратора в его экваториальной плоскости (плоскость магнитного вектора )

то есть не зависит от азимутального угла . Поэтому ДН симметричного вибратора в его экваториальной плоскости, как и в случае элементарного вибратора, представляет в полярной системе координат окружность.

Как видно из формул, направленные свойства симметричного вибратора при синусоидальном распределении тока определяются только отношением длины вибратора к длине волны.

В моём случае, то есть в случае полуволнового вибратора, когда , выражение для расчёта напряжённости поля принимает вид:

Анализ формул и рассмотрение нормированных ДН показывают, что при любом отношении симметричный вибратор не излучает вдоль своей оси. Если длина симметричного вибратора , то в направлении, перпендикулярном его оси, то есть в экваториальной плоскости, поля всех элементарных вибраторов максимальны, синфазны и складываются арифметически. Поэтому поле в данном направлении максимально, и ДН состоит из двух главных лепестков (смотрите рисунок 3):

Рис. 3

Нормированная характеристика направленности симметричного вибратора имеет вид:



Рис. 4

Диаграмма направленности (ДН) элементарного вибратора в полярной системе координат в его меридиональной плоскости (пл. уог или xoz на рисунке) показана на рисунке a; она представляет собой правильную «восьмерку». Диаграмма направленности в экваториальной плоскости (пл. уох) показана на рисунке b данном случае меридиональная плоскость является плоскостью вектора Е (этот вектор лежит в этой плоскости), а экваториальная плоскость может быть названа плоскостью вектора Н.

Рис. 5

Для расчёта сопротивления излучения пользуемся следующим алгоритмом:

Мощность излучения симметричного вибратора можно представить в виде:

где /п и /о - амплитуды тока соответственно в пучности тока и в точках питания; - сопротивления излучения, отнесенные соответственно к /п или к /0.

После математических преобразований, подстановки дополнительных формул для мощности, сделав соответствующие замены, выразили формулу для и получили таблицу, куда свели результаты расчётов и построили график:

Рис. 6

Так как ДН вибратора есть функция то, следовательно, сопротивление излучения зависит только от ДН вибратора. Такой результат получается потому, что при выводе формулы для сопротивления исходили из синусоидального распределения тока по вибратору, что справедливо только для очень тонких вибраторов. Однако результаты расчетов по этой формуле хорошо совпадают с экспериментальными данными. Это объясняется тем, что ток в пучности сравнительно слабо зависит от толщины вибратора. Для полуволнового вибратора (=0,25)

= 73,1 Ом.

Коэффициент направленного действия симметричного вибратора можно определить по следующей формуле:

Для нашего полуволнового вибратора коэффициент направленного действия равен 1.64 (у элементарного вибратора он равен 1.5)

Для любой вибраторной антенны КНД в главном направлении можно рассчитать по аналогичной формуле:

При нахождении входного сопротивления симметричного вибратора учитывают следующий момент, связанный с преобразованием мощностей:

Мощности, излученной вибратором (или любой антенной), соответствует активное сопротивление излучения . Часть мощности, подведенной к вибратору, теряется в самом вибраторе (нагревание проводов), в изоляторах и в окружающих антенну предметах. Этой мощности соответствует сопротивление потерь . Кроме излученного есть колеблющееся вблизи антенны и связанное с ней электромагнитное поле, которому соответствует реактивная мощность. Эта мощность то отдается генератором, переходя в ближнее поле антенны, то возвращается к нему. Реактивной мощности соответствует реактивное сопротивление антенны .

Таким образом, включенный в антенну генератор нагружен на комплексное сопротивление - входное сопротивление антенны. Входное сопротивление симметричного вибратора (а также других проволочных антенн) равно отношению напряжения на зажимах вибратора (точки питания) к току в точках питания:

В результате расчетов получены графики, приведенные на рисунке, из которых видно, что реальная и мнимая часть сопротивления симметричного вибратора зависят от его относительной длины и радиуса . При некоторых значениях Хвх=0, т. е. наблюдается резонанс. Так, вблизи значений , несколько меньших (2N+ 1)/4, где N=0, 1, 2,... (вибратор питается вблизи пучности тока), симметричный вибратор ведет себя подобно последовательному колебательному контуру (резонанс напряжений). При этом в случае очень тонких вибраторов (<) = и практически не зависит от величины (т. е. от волнового сопротивления вибратора ). Заметим, что при изменении от нуля до = полуволнового вибратора изменяется от 73,1 до 94,8 Ом.

При питании вибратора в узле тока (=0,5) или в общем случае при =N/2 для очень тонкого вибратора имеет место резонанс токов (параллельный резонанс). При этом велико. По мере утолщения вибратора его резонансная длина постепенно уменьшается. Обычно длину плеча вибратора выбирают так, чтобы Хвх=0, т. е. берут несколько меньше 0,25 (резонанс напряжений) или существенно меньше 0,5 (при резонансе токов).

антенна симметричный вибратор ток

Система из двух связных вибраторов. Направленные свойства

Одиночные вибраторы применяют только в том случае, когда требуется ненаправленное или почти ненаправленное излучение. Если необходимо получить однонаправленное излучение или узкие ДН, используют антенны, состоящие из двух или нескольких вибраторов, расположенных на небольшом расстоянии (меньше длины волны) друг от друга. Такие вибраторы заметно влияют друг на друга, поэтому их называют связанными. Взаимодействие связанных вибраторов аналогично взаимодействию связанных колебательных контуров с сосредоточенными постоянными. Поле одного вибратора наводит в другом некоторую ЭДС, что эквивалентно изменению входного сопротивления вибратора. Поле, создаваемое системой вибраторов, является результатом сложения полей, создаваемых отдельными вибраторами, с учетом фаз этих полей, определяемых как разностью хода лучей, так и разностью фаз токов в излучателях. Формула для расчета характеристики направленности в меридиональной плоскости двух параллельных вибраторов 1 и 2 , находящихся на расстоянии d друг от друга, питаемых токами и имеет вид:

или



Заметим, что в случае любой вибраторной антенны

Как видно, амплитудная характеристика направленности системы из двух связанных вибраторов определяется двумя множителями. Первый - представляет собой характеристику направленности симметричного вибратора, находящегося в свободном пространстве. Второй - учитывает наличие второго вибратора, он зависит от расстояния d между вибраторами, отношения амплитуд токов в вибраторах q и сдвига фаз токов в вибраторах . Этот множитель называют множителем системы.

Расчет тока в пассивных вибраторах

Пассивные вибраторы широко применяют для создания однонаправленного излучения в качестве рефлекторов и директоров.

Чтобы вибратор играл роль рефлектора или директора, ток в нем должен иметь определенные величину и фазу по отношению к току в активном вибраторе (в идеальном случае при расстоянии между вибраторами d= должны выполняться условия q=1 и ).

Величины q и для пассивного вибратора зависят от расстояния между пассивным и активным вибраторами и от величин активного и реактивного сопротивлений пассивного вибратора. Эти величины можно регулировать, изменяя реактивное сопротивление пассивного вибратора.

Заменим два связанных симметричных вибратора, их которых один пассивный с включением в его середину сопротивлением настройки , эквивалентной схемой, изображённой на рисунке:

Рис. 7

Здесь - напряжение в пучности напряжения вибратора;

и - токи в пучностях токов вибраторов один и два соответственно;

- взаимное сопротивление вибраторов;

- реактивное сопротивление настройки, включённое в пассивный вибратор и отнесённое к пучности тока;

и -собственные сопротивления.

Решая уравнения Кирхгофа для двух контуров получаем выражение для тока:

=-

Так как

, то

Отсюда модуль отношения токов

А также фаза:

Сопротивления отнесены к пучностям тока. Сопротивление настройки пересчитывается (в случае короткого вибратора) ко входу вибратора 2 по формуле

В случае пассивного вибратора q и взаимозависимы. При изменении сопротивления настройки меняются одновременно обе величины. Поэтому добиться одновременно требуемых значений q и для пассивного вибратора невозможно. Пассивный вибратор обычно настраивают так, чтобы получить максимальный коэффициент защитного действия.

Ток в пассивном рефлекторе должен опережать по фазе ток в активном вибраторе. Анализ показывает, что пассивный вибратор играет роль рефлектора в том случае, когда его полное реактивное сопротивление (собственное плюс сопротивление настройки) имеет индуктивный характер. Этот вывод справедлив, если

Ток в пассивном директоре должен отставать по фазе от тока в активном вибраторе. Из анализа следует, что для работы пассивного вибратора в режиме директора при , его полное реактивное сопротивление должно быть отрицательным, т. е. иметь емкостной характер.

Пассивный вибратор настраивается изменением его длины. Чтобы пассивный вибратор работал в качестве рефлектора, его полная длина должна быть несколько больше (входное сопротивление разомкнутой на конце двухпроводной линии, длина которой больше , имеет индуктивный характер). Чтобы пассивный вибратор работал . в качестве директора, его полная длина должна быть несколько меньше . Необходимое удлинение или укорочение определяется расстоянием между вибраторами и их толщиной.

Директорные антенны

Директорные антенны (антенны типа волновой канал) широко используются в диапазоне дециметровых и метровых волн в качестве направленных антенн осевого излучения.

Антенна состоит из одного активного и нескольких пассивных вибраторов, выполняющих функцию отражения и направления, они соответственно называются рефлекторами и директорами. Настройка вибратора на режим работы директора или рефлектора достигается настройкой его длины, которая должна быть больше резонансной длины (близкой длине волны пополам) для получения рефлектора и наоборот соответственно.

Для повышения направленности обычно увеличивают общую длину антенны. Расстояние между активным вибратором и рефлектором обычно берётся равным . Первый директор отстоит от активного вибратора на . Такое же расстояние выбирается между директорами. Иногда для расширения рабочих частот первый директор устанавливается на малом расстоянии . Длина активного вибратора выбирается из условия компенсации реактивной составляющей входного сопротивления (с учётом наведённых сопротивлений). Длина рефлекторов и директоров отличается от длины активного вибратора примерно на в сторону удлинения и укорочения соответственно. Чем толще вибратор, тем большее его укорочение или удлинение требуется для получения заданного сопротивления настройки . При заданном требуемую длину плеча вибратора можно найти по приближенной формуле:

где а-радиус поперечного сечения вибратора; 42,5 Ом-собственное реактивное сопротивление полуволнового вибратора (по методу наведенных ЭДС). Как правило, настройка антенны (подбор длин вибраторов) производится экспериментально.

Для уменьшения боковых лепестков длины директоров уменьшают по мере их удаления от активного вибратора. В качестве активного вибратора обычно применяют петлевой вибратор. Это связано с согласованием активного вибратора с пассивными. Просто если взять обычный полуволновой вибратор, его входное сопротивление в составе антенны уменьшается до 20 Ом, а у петлевого вибратора оно остаётся достаточно большим порядка 400 Ом, что удобно для согласования. Кроме того, у петлевого вибратора есть точка нулевого потенциала, что удобно для крепления его к металлическому стержню. Недостатком директорных антенн является их относительная узкополосность рабочих частот, это можно чуть-чуть исправить увеличением числа директоров в её составе, или усугубить уменьшением её длины.

Питание вибраторных антенн

Несимметричные вибраторы питаются с помощью несимметричных (коаксиальных) кабелей и жестких коаксиальных линий. При этом оболочка кабеля или линии присоединяется к проводящей поверхности («земля»), а внутренний провод - 'к вибратору.

При непосредственном присоединении коаксиального кабеля к симметричному вибратору (рисунок а) ток , текущий по внутренней поверхности экрана, в точке присоединения плеча вибратора (точка Ь) разветвляется на два тока: (течет по левому плечу вибратора) и (течет по внешней поверхности оболочки 'кабеля). Ток в виде тока смещения замыкается на плечо вибратора, соединенное с внутренним 'проводом кабеля. Ток , текущий по центральному проводнику кабеля, полностью переходит в правое плечо .вибратора. Так как =- то

Таким образом, плечи вибратора возбуждаются неодинаковыми по амплитуде и по фазе токами, что искажает диаграмму направленности. Кроме того, ток создает потери в оболочке кабеля; теряется также энергия поля, создаваемого током , так как это поле и поле вибратора имеют взаимно перпендикулярную поляризацию. Поэтому присоединение коаксиального кабеля к симметричному вибратору должно осуществляться только с помощью специальных симметрирующих устройств, один из основных типов которых является U-колено.

Рис. 8

На рисунке ниже изображена схема симметрирующего устройства, называемого U-коленом. Коаксиальный кабель, идущий от генератора (основной кабель), присоединяется в точке с к отрезку коаксиального кабеля, имеющего форму буквы U. Расстояние bс должно отличаться от расстояния cda на Л/2 (Л - длина волны в кабеле) . В частности, точка с может совпадать с точкой b , в этом случае длина U-колена равна Л/2.

Так как в длинной линии фаза тока или напряжения меняется на обратную через каждую половину длины волны, то токи в точках а и b оказываются в противофазе. Напряжение между этими точками Uab=Ua-Uь, где Ub=-Ua и плечи вибратора возбуждаются токами, одинаковыми по амплитуде и по фазе.

Для предотвращения ответвления токов, текущих по внутренней поверхности экрана кабеля на наружную поверхность этого экрана, внешние оболочки вблизи концов U-колена соединяются накоротко.

Симметрирующее устройство типа U-колена может работать только в узкой полосе частот.

Рис. 9

Расчётная часть

Дано:

-относительное расстояние между вибраторами

мм - диаметры вибраторов

Рассчитать:

Длину 2l пассивного вибратора и диаметр петлевого, диаграмму направленности в плоскостях E и H, коэффициент защитного действия и КНД.

Расчет:

Вначале рассчитывается антенна-прототип, в которой петлевой вибратор заменён полуволновым вибратором с собственным сопротивлением =73 Ом. При одинаковых с исходной антенной параметрах пассивного вибратора и расстояния d, антенна-прототип имеет те же направленные свойства (ДН и КНД), отличаясь лишь величиной входного сопротивления.

Длина пассивного вибратора определяется из следующей формулы:

м

м

Компоненты взаимного сопротивления определяются:

Найдём модуль q и фазу отношения токов

, где Ом, так как

q =0.645

Расчёт диаграммы направленности:

Нормированная диаграмма направленности в плоскости E в полярных координатах имеет вид:

Рис. 10

В плоскости H:



Рис. 11

Действие рефлектора или директора оценивается коэффициентом защитного действия , равным отношению напряжённости поля, излучаемого в главном направлении, к напряжённости поля, излучаемого в обратном направлении.

Коэффициент защитного действия антенны:

=8.498

Сопротивление излучения антенны-прототипа определяется по формуле:

Ом

Коэффициент направленного действия рассчитывается:

, )=1.101

D=3.33

Расчёт входного сопротивления антенны с петлевым вибратором ведётся по следующей формуле:



Из данной формулы можно выразить радиус петлевого вибратора :

(мм)

Диаметр петлевого вибратора равен примерно 2=0.158 мм

Двухэлементная директорная антенна имеет вид:

Заключение

Длина пассивного вибратора составила 2l=1.892 и диаметр петлевого =0.158мм, коэффициент защитного действия=8.498, и КНД антенны D=3.33.

Список используемой литературы

1. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства: - М.: Радио и связь, 1981.

Размещено на Allbest.ru