Міністерство освіти науки і україни тернопільський національний економічний університет методичні вказівки

ДО ВИКОНАННЯ КУРСОВИХ РОБІТ "РОЗРАХУНОК АНТЕН НВЧ"

З ДИСЦИПЛІНИ "БЕЗПРОВІДНІ КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ"

для студентів спеціальності

"СПЕЦІАЛІЗОВАНІ КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ"

ТЕРНОПІЛЬ 2008

Методичні вказівки до виконання курсових робіт "Розрахунок НВЧ" з дисципліни "Безпровідні комп’ютерні системи" для студентів спеціальності: «Спеціалізовані комп’ютерні системи»

Укладач: Я.Г.Притуляк, канд., техн..наук, доц.

Відповідальний за випуск: Я.М.Николайчук, докт.техн.наук, проф.

Затверджено на засіданні кафедри СКС протокол №7 від 20.02.2008р.

1. Розрахунок антен надвисоких частот (анвч) теоретичні основи

1.1. Антени, їх особливості та класифікація.

Де використовуються приймання та передавання сигналів з допомогою електромагнітних хвиль (ЕМХ), обов'язковою складовою частиною радіотехнічної системи є антена.

Передавальною називають антену, що перетворює енергію модульованих

струмів високої частоти в енергію ЕМХ, яка випромінюються у навколишнє

середовище зі збереженням закону модуляції. Приймальна антена виконує

зворотне перетворення.

Антена відноситься до лінійних пасивних пристроїв, структура яких у

загальному випадку має вигляд :

Рис.1.1. Структура антени.

Вхід - це фідер, що працює в однохвильовому режимі, узгоджувальний пристрій — це трансформатор опорів, що забезпечує режим біжучої хвилі у фідері, розподільник - пристрій, що забезпечує потрібний закон розподілу струмів у випромінювачі, випромінювач - зона, де відбувається збудження ЕМХ в/ч струмами. В конкретних антенах деякі з функціональних вузлів можуть бути об'єднаними.

За робочим діапазоном хвиль антени можна класифікувати як

довгохвильові (ДХ), середньохвильові (СХ), короткохвильові (КХ), ультракороткохвильові (УКХ) або антени надвисокочастотного (НІЧ) діапазону. Для ДХ та СХ антен характерні наступні співвідношення між геометричним розміром антени L та довжиною хвилі : . Для КХ антен: L . . Для УКХ антен: . Технічна можливість реалізації антен з розмірами, більшими або значно більшими від довжини хвилі відкриває широкі можливості для створення найрізноманітніших антен в НВЧ діапазоні.

За конструктивними особливостями та характером випромінювання НВЧ антени можна класифікувати наступним чином: дротяні антени, щілинні, апертурні, антени з обертовою поляризацією, антени поверхневої хвилі, фазовані антенні решітки (ФАР), друковані антени.

1.2. Основні принципи та поняття теорії антен

Вся теорія випромінювання ґрунтується на рішенні хвильового рівняння (рівняння Даламбера), яке виводиться з рівняння Максвела:

З цього розв'язку випливає принцип суперпозиції - додавання полів від окремих джерел: результуюче поле в кожній точці простору, яке визначається векторним потенціалом А^е(х,у,z), знаходиться шляхом складання полів від окремих джерел J (х ,у ,z) з врахуванням амплітуд та фаз їх струмів.

Рис.1.2. Ілюстрація до принципу суперпозиції.

Принцип двоїстості показує можливість перестановок виду : , , . Це дозволяє принципи проектування електричних випромінювачів перенести на проектування магнітних випромінювачів ]^т.

Теорема еквівалентності: електричне або магнітне поле в кожній точці простору можна замінити еквівалентними електричними або магнітними .І_е^m струмами, що створюють таке ж поле.

Принцип розрахунку потужності випромінювання: потужність випромінювання антени визначається сумарним потоком енергії, що проходить крізь замкнену оболонку S, яка охоплює антену:

Рис.1.З. До визначення потужності випромінювання антени.

Відповідний математичний вираз для розрахунку потужності випромінювання має вид:

Для зручності аналізу поля випромінювання вводять поняття зон випромінювання:

• ближня зона r < L;

• проміжна зона ( зона Френеля) - L < г < 2 L² /

- льня зона (хвильова) r .

Звичайно передавальна та приймальна антени знаходяться у дальній зоні одна по відношенню до другої.

Основні параметри антен.

Всі параметри антен можна поділити на дві групи: електричні та конструктивні. Між цими групами параметрів є тісний зв'язок: форма та геометричні розміри антени фактично визначають її електричні параметри. Тому для кваліфікованого проектування антен необхідно мати чітке уявлення про електричні характеристики та їх зв'язок з конструкцією.

Електричні параметри антен можна поділити на дві групи:

1 - параметри, що характеризують ефективність перетворення енергії

струмів в/ч в енергію ЕМХ,

2 - параметри, що характеризують направлені властивості антени.

Для визначення параметрів 1-ї групи можна використати еквівалентну схему:

Рис.1.4. Еквівалентна схема антени.

Потужність, що подається в антену, іде на випромінювання, частково втрачається у антені і частково у вигляді реактивної потужності повертається у джерело енергії: Р =P_ + Рв +j* Pr. Опір випромінювання антени прив'язується до потужності випромінювання : P_ = Іа ² P_  P_ = P_ / 1а². Аналогічним чином визначається опір втрат - Рв = Іа ² P_  P_ = Рв / Іа² та реактивний опір - Рг = Іа ²Ха  Ха = Рг / Іа².

Вхідний опір антени: Zа = Rа+jХа,де Rа = P_ + Rв.

К.к.д. антени: _a = P_ / (P_ + Рв) або _a = P_ / (P_ + Rв).

Частотні характеристики антени представляються у вигляді залежності вхідного опору антени від частоти, або, частіше, у вигляді залежності коефіцієнта відбиття або коефіцієнта стоячої хвилі на вході антени від частоти.

За частотними характеристиками антени поділяються на вузькосмугові, де допустима зміна параметрів відбувається у відносній смузі частот, що не перевищує 10%, широкосмугові, для яких відносна смуга частот f/f_сер знаходиться в межах 10...50 %, та частотонезалежні, де f/f_сер > 50%.

До параметрів другої групи належать наступні:

- діаграма направленості антени (ДНА) - являє собою залежність амплітуди поля випромінювання від напрямку випромінювання. Амплітуда поля характеризується параметрами: напруженістю електричного поля Е або величиною вектора Пойтинга П. В залежності від цього ДНА може бути за напруженістю поля або за потужністю.

Для зручності аналізу ДНА звичайно представляють у нормованому вигляді:

Максимальне значення функції, що характеризує нормовану діаграму направленості, дорівнює одиниці і всі величини цієї функції знаходяться в межах 0...1 незалежно від потужності джерела, яке живить антену, що зручно для порівняльного аналізу діаграм направленості антен. Оскільки між напруженістю поля Е та вектором Пойтинга П квадратична залежність то:

Для наглядності ДНА будують графічно в полярній або декартовій системах координат (рис. 5). Перший спосіб дає хороше уявлення про просторове розташування пелюстків ДНА, а другий забезпечує зручність при оцінці параметрів антени.

Гострота головного пелюстка ДНА визначається кутом розхилу на рівні - З дБ ( _0,707 для F(, ф), або _0,5 для F_р( , ф) ). Гострота ДНА також може визначатися і на нульовому рівні: ₀. Визначення останнього параметра викликає певні труднощі через складність визначення нуля випромінювання при наявності завад та відбиттів.

Рис.1.5. Діаграма направленості антени в полярній а) та декартовій б) системах координат.

Направлені властивості антени також характеризуються рівнем бокових пелюстків (Р_БП), що визначається відношенням максимального бокового пелюстка до величини головного:

де Е_МБ - максимальна напруженість поля у напрямку найбільшого бокового пелюстка, Емг - максимальна напруженість поля для головного пелюстка.

Одною з найважливіших технічних характеристик антен є коефіцієнт направленої дії (КНД). КНД показує у скільки разів потужність, що випромінюється даною антеною у напрямку максимального випромінювання, перевищує потужність, що випромінюється у тому ж напрямку ізотропною (ненаправленою) антеною при рівності повних потужностей, що випромінюються антенами. Практично КНД показує, у скільки разів потрібно збільшити випромінювану потужність при заміні направленої антени на ізотропну.

Для високонаправлених антен КНД наближено можна визначити за формулою:

Реальний виграш за потужністю яри використанні направленої антени з врахуванням втрат визначається коефіцієнтом підсилення;

Застосування високонаправлених антен дозволяє значно покращити характеристики передавальних систем за рахунок використання просторової селекції, зменшення потужності передавачів і відповідно блоків живлення, спрощення приймачів.

До конструктивних параметрів антен, які впливають на їх електричні характеристики, відносяться форма, розміри та допуски на них. Форма антени визначає просторовий розподіл струмів, а це у свою чергу впливає на ДНА та КНД. Відношення розмірів антени та її окремих елементів до довжини хвилі визначає умови формування ДНА та величину КНД. Необхідна точність виконання форми та розмірів конструктивних елементів антени у значній мірі залежить від типу антени та способу формування діаграми направленості. Спостерігається загальна тенденція підвищення жорсткості допусків для високонаправлених антен.

Особливість експлуатації антен полягає у тому, що вони працюють у відкритому просторі під впливом атмосферних умов, а також специфічних умов, які залежать від типу об'єкта, на якому встановлена антена. За умовами експлуатації антени поділяються на наземні (стаціонарні), переносні, автомобільні, корабельні та літакові (ракетні). Умови експлуатації повинні бути враховані у конструкції антени шляхом застосування антикорозійних покриттів, герметизації певних вузлів, забезпечення жорсткості та стійкості до статичних та динамічних навантажень. Використані конструктивні заходи не повинні погіршувати електричні характеристики антени, а лише сприяти їх стабілізації на час експлуатації антени.