Лабораторная работа № 2 Исследование устройства объединения антенн

Для разделения широкополосного сигнала на ряд узкополосных, а также для обратной операции сложения нескольких каналов, когда частотные диапазоны различаются и их надо объединить, используют специальные устройства, называемые фильтрами–мультиплексерами (ФМ). ФМ строят различными способами. Различают узкополосные фильтры с последовательным или параллельным соединением, ФМ содержат в своей основе определенным образом включенные звенья фильтров высоких и низких частот и т.д. В конечном итоге ФМ – это избирательный многополюсник, нагруженный на активную нагрузку. Использование ФМ в сочетании с антеннами позволяет реализовать системы с избирательностью по частотным полосам, направлениям и поляризации.

Цель работы: Изучение теории фильтров-мультиплексеров (ФМ), их возможностей применения в технике антенно-фидерных устройств, методов расчета ФМ, методов и техники измерения ФМ.

Порядок выполнения работы :

• изучить теорию фильтров-мультиплексеров и их возможное применение в технике антенн;

• произвести расчет ФМ для приема программ TV с 1-го по 60-й каналы;

• изучить приборы и технику безопасности;

• произвести экспериментальное исследование образца ФМ для TV диапазона;

• представить письменный отчет по лабораторной работе.

Теоретические сведения

Фильтр-мультиплексер представляет собой систему из ряда фильтров низких и высоких частот, образующих определенные полосы пропускания, либо защитные полосы на частотной оси при соблюдении условий максимальной передачи мощности. Образованная таким образом система имеет один вход и несколько выходов, при этом поданный на вход сигнал выделяется на том или ином выходе в зависимости от частоты. В общем случае схема ФМ представлена на рис.1, а на рис.2 схематически показано образование полос звеньями ФНЧ_i – ФВЧ_i на частоте , эквивалентная схема идеального ФМ имеет вид, преставленный на рис.3.

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Как видно из рис.3, на частоте f_i имеет место последовательное включение фильтров низких частот c номерами от N до i. В идеальном случае происходит подключение нагрузки ко входу ФМ в полосе частот f_{гр.ФНЧ i} – f_{гр.ФВЧ i}, где f_{гр.ФНЧ i} , f_{гр.ФВЧ i} – частоты среза фильтра i-го звена.

Если в частотном спектре на входе ФМ имеются составляющие, соответствующие другим частотным полосам, то они выделяются на соответствующих выходах. Таким образом, происходит распределение составляющих частотного диапазона по соответствующим полосам.

Расчет такого фильтра-мультиплексера тривиален и основные предпосылки для расчета состоят в следующем. Каждое звено ФНЧ_i – ФВЧ_i должно быть рассчитано, исходя из требуемых частот среза (f_{гр.ФНЧ i} , f_{гр.ФВЧ i} ) и равных волновых сопротивлений ФНЧ_i и ФВЧ_i , которые должны быть, кроме того, равны сопротивлению нагрузки Z_i. При этом защитные полосы образуются в силу того, что f_{ФНЧ i} f _{ФВЧ i}.

В принципе возможен вариант интеграции ФМ с антеннами без защитных полос, т.е. когда f_{ФНЧ i} = f_{ФВЧ i}. Такой вариант реализуется в случае использования протяженных антенн путем соответствующего распределения звеньев ФМ по длине антенны. В этом случае происходит последовательное включение ФНЧ и соответствующих участков антенн. Взаимодействие между антеннами и звеньями ФМ в приграничных областях обеспечивает сглаживание частотной характеристики антенной системы в целом. На рис.4 представлен вариант квазичастотно-независимой антенны бегущей волны в виде одного провода, по длине которого распределены в соответствии с принципом геометрического подобия звенья фильтров низких и высоких частот.

В данном случае полоса принимаемых частот непрерывна. Длины участков L_i, L_i-1, а также граничные частоты фильтров подчинены принципу геометрического подобия

L_i-1 / L_i = ; f_{гр.ФНЧ i} / f_{гр.ФВЧ i} = .

Условия согласования в данном случае аналогичны случаю согласования с защитными полосами.

В частности, частотная характеристика направленности такой антенны имеет вид, представленный на рис.5.

Рис.5

Рис.6

Расчетная часть

Произвести расчет ФМ для приема программ телевидения по любому частотному каналу (с 1-го по 60-й) со следующими исходными данными: частотные полосы 49,75 – 100; 174 – 230; 470 – 790 МГц. Антенные устройства имеют входное сопротивление 75 Ом. Схема фильтра-мультиплексера приведена на рис. 2.6. Граничные частоты вычисляются в соответствии с формулами: ,.

Полученные данные внести в табл.1.

Таблица 1

Параметр	1	2	3	4	5	6	7	8
С, пФ
L, мкГн

Изучение приборов

Изучить приборы: измеритель КСВ_Н и фазы типа Р4 – 11. Представить в отчете блок–схемы измерения коэффициента затухания и КСВ.

Сборка рабочего места

Собрать рабочие места для измерения коэффициента затухания и коэффициента стоячей волны.

Произвести измерения коэффициента затухания и КСВ.

Данные занести в табл.2.

Таблица 2

Измеряемый параметр	Каналы	Значение параметра
Коэффициент затухания в полосе пропускания, дБ	1 – 5
	6 – 12
	21 – 60
КСВ	1 – 5
	6 – 12
	21 – 60
Развязка между полосами, дБ	1 – 5 / ДМВ
	1 – 5 / 6 – 12
	6 – 12 /ДМВ

Контрольные вопросы

1. Объясните работу фильтра-мультиплексера.

2. От чего зависит уровень согласования по входу и выходам ?

3. От чего зависит значение коэффициента затухания в полосе прозрачности и за ее пределами?