KR2_AFU

1Осн. хар-ки антенн

1)Направленность (диаграмма направленности) - поверхность, радиус вектор которой равен отношению мощности, излучаемой антенной в данном направлении к единице телесного угла; функция распределения напряженности Е (мощности) поля в пространстве.

2)Направление главного излучения антенны - направление максимума главного лепестка

3)Уровень боковых лепестков - показатель неполезного растрачивания излучаемой мощности

4)КНД антенны - способность антенны концентрировать излучение в определенном направлении.; отношение мощности, излучаемой антенной в данном направлении, к мощности, излучаемой в этом же направлении изотропной антенной при условии равенства мощностей на входах антенн.

5)Поляризационная характеристика - вид направленности электромагнитной волны (линейная вертикальная, линейная горизонтальная, круговая)

6)Сопротивление антенны - омические потери в антенне и потери вызванные излучением

7)КПД - соотношение между полным сопротивлением и сопротивлением потерь

8)Усиление - КПД*КНД реальное излучение в данном направлении

9)Рабочий диапазон - диапазон частот с допустимыми значениями параметров антенны(узкодиапазонная или широкодиапазонная)

2 Симметричные вибраторы

Симметричный вибратор - металлический провод\стержень, симметричный отн. середины, у которого продольные высокочастотные токи равны по величине и фазе

I(z)=I(-z).

Распределение тока зависит от относительной толщины вибратора l/a. Ln(l/a)>1 (тонкий вибратор) - распределение почти синусоидальное и симметричное, онт. середины. Имеет вид стоячих волн с узлами на концах и на расстоянии nλ/2 от концов. Амплитуда тока в произвольном сечении вибратора: I(z) ≈ I0 sink (l−|z|),

I0максимальное значение тока в стоячей волне (значение тока в пучности). Фаза тока во всех сечениях одинакова или имеет скачок pi.

Мгновенное значение тока в различных сечениях: i(z,t)=I0 sink (l−|z|) cosωt

3 Поле излучения симметричного вибратора

Напряженность электрического поля, созданного симметричным вибратором в некоторой точке М окружающего вибратор свободного пространства, может быть определена как векторная сумма полей, созданных в этой точке всеми бесконечно малыми участками вибратора длиной dz (рис.2.9). Так как длина участка dz может быть сколь угодно малой, то распределение тока на этом участке можно считать равномерным. Симметричный вибратор можно считать состоящим из непрерывно распределенных диполей Герца длиной dz. Напряженность электрического поля от каждого участка в точке М рассчитывается по известной формуле

dE = j30kI (z)dz sin θ exp(− jkr' ) / r',

где r' - расстояние от участка dz до точки М.

Элементарное поле двух симметричных участков удобно найти, суммируя поля отдельных участков симметричного вибратора, d E =d E1 + d E2 , ,

а затем проинтегрировать полученное выражение по длине вибратора в пределах

0 ≤z ≤l.

r2'

−zdz2 z cos θ

Рис.2.9. Поле излучения симметричного вибратора

В точке наблюдения М, (она в дальней зоне), вектора поля от отдельных элементарных излучателей можно считать параллельными и складывать их алгебраически.

dE =dE1 +dE2 =

j30kI (z)dz sin(θ) [exp(− jkr1 ' ) / r1 '+exp(− jkr2 ' ) / r2 '].

В знаменателе можно считать r1 ' ≈ r2 ' ≈ r для дальней зоны. получаем

dE = j30k exp(− jkr) I (z)dz sin θ[exp( jkz cos θ) + exp(− jkz cos θ)]= r

= j60k exp(− jkr) sin θI (z)dz cos(kz cos θ). r

Напряженность поля, созданную вибратором в точке М, можно найти интегрированием по всем элементам

Вычислим интеграл, произведя замену произведения тригонометрических функций на их сумму. Окончательно для амплитуды поля получим:

4 Диаграмма направленности симметричного вибратора

Ненормированная ДН: . Для нормировки выражение умножается на нормированный множитель равной величины, обратной fmax(θ). Например при 2l < 5/4λ, положив θ=π/2, fmax(θ)=1− cos(kl). Тогда нормированная ДН :

.

ДН для очень коротких вибраторов (kl << 1) : . Для полуволнового вибратора: kl= π/2, fmax(θ) =1, т.е. f(θ)=F(θ)=cos(π/2cosθ) /sinθ.

6 Излучение системы из двух вибраторов

x

8 Излучение симметричного вибратора, расположенного над идеально проводящей бесконечной поверхностью

По методу зеркальных изображений заменим идеально проводящую плоскость зеркальным вибратором и получаем два связанных противофазных вибратора, находящихся на расстоянии 2h друг от друга

Поле вибратора: , - угол относительно горизонта. Направление максимума излучения Δ0:

При = 0 ̊горизонтальный вибратор не излучает вдоль поверхности земли. Напряженность поля в направлении максимума над идеально проводящей плоскостью удваивается, по сравнению с напряженностью поля вибратора в свободном пространстве. ДН зависит от h.

9 Несимметричный вертикальный вибратор

Несимметричный вертикальный вибратор - вертикальный проводник, нижний конец которого присоединен к одному зажиму генератора, другой зажим присоединен к земле или к металлическому телу.

В случае идеально проводящей земли замена ее зеркальным изображением вибратора сводится к переходу от несимметричного вибратора длиной l к симметричному вибратору длиной 2l

ДН несимметричного вертикального вибратора:

Мощность и сопротивление несимметричного вибратора вдвое меньше симметричного. Их можно увеличить, нагрузив вибратор ёмкостью на верхнем конце.

Для того, чтобы Хвх=0 вибратор удлиняют или укорачивают (в зависимости от волны)

КНД вертикального несимметричного вибратора в случае идеально проводящей и бесконечно протяженной земли в два раза больше КНД симметричного вибратора.

10 Методы создания эффективных передающих антенн

Эффективность передающей антенны оценивается по напряженности поля, создаваемого антенной в месте приема при заданной подводимой мощности. Пусть имеется плоская поверхность S, которая возбуждается синфазно и равномерно от источника мощностью P, прием происходит в направлении нормали к

поверхности на большом расстоянии от нее. Тогда поля в точке приема синфазны, и в

месте приема , j’s - плотность поверхностного тока. Увеличим излучающую поверхность в два раза, не изменяя Р:

Мощность, приходящаяся на поверхность S2 уменьшится вдвое, и Напряженность в месте приема увеличилась в корень из 2 раз :

При увеличении площади в n раз напряженность увеличится в корень из n раз. Плоскости не обязательно должны быть плоскими, главное чтобы поля хорошо складывались в фазе или с небольшим сдвигом. Напряженность поля возрастает пропорционально корню квадратному из числа вибраторов, если они достаточно разнесены и нет значительного роста сопротивления. Рост напряженности поля достигается из-за сужения ДН антенны.

11 Излучение системы линейных вибраторов

Пусть вибраторы расположены вдоль горизонтальной оси равномерно, с шагом d

E=E1+E2+K+En векторы. Для удаленной точки наблюдения векторы отличаются только сдвигом фаз. Разность хода . Напряженность, создаваемая каждым вибратором .

Если напряженность поля первого вибратора записать в виде , то

напряженность суммарного поля равна . ДН системы линейных вибраторов

Ширина основного луча: sinθ0=λ/Nd≈θ0.

Ширина ДН по уровню 0,5 мощности: Δθ0,5=0,88θ0.

Направление максимумов боковых лепестков: sinθn=((p*2+1)λ)/2Nd, p=1,2..k.(порядковый номер боковых лепестков)

Конические спиральные антенны( с запиткой снизу и сверху)

свойственная широкополосность.

Импедансные антенны - ребристая структура оказывается эквивалентной линейной излучающей системой бегущей волны с замедленной фазовой скоростью.

Директорные антенны - для максимального усиления расстояния между директорами и их длины подбираются определенным образом на заданной частоте. Свойственна узкополосность. 100…1000МГц

Ребристо-стержневые антенны - высокий КПД из-за отсутствия потерь в диэлектрике и относительно малая собственная масса.

14 Телевизионные антенны

Антенны передающих телецентров должны удовлетворять ряду требований:

•Для увеличения зоны уверенного приема эти антенны следует располагать на специальных башнях высотой в сотни метров.

•Телевизионные антенны должны иметь повышенные механическую и электрическую прочности.

•Антенны не должны обладать направленными свойствами в горизонтальной плоскости. (кроме случаев, когда телецентр находится ближе к краю обслуживаемой области)

•Желательно, чтобы излучаемые антенной электромагнитные волны имели горизонтальную поляризацию (для снижения уровня помех при приеме).

•Желательно, чтобы напряженность поля во всех точках территории, обслуживаемой телецентром, была приблизительно одинаковой.

•Необходимо, чтобы антенна в вертикальной плоскости имела ДН, обеспечивающую возрастание напряженности поля пропорционально расстоянию (для равномерного облучения всей территории, обслуживаемой телецентром).

•Приемная ТВ антенна должна быть хорошо согласована с линией питания в требуемой полосе частот.

Существуют различные конструкции передающих ТВ антенн.

Многоэтажные турникетные антенны (базируются на плоскостных Ж-образных вибраторах)

A A

C C

B B

Рис.2.33. Ж-образная вибраторная ТВ антенна

Плюсы: полоса пропускания порядка 15 - 20 % , позволяют осуществлять одновременную связь по нескольким ТВ каналам. Недостаток - небольшое усиление (порядка 3 - 10 единиц).

ТВ антенны с радиальными штыревыми вибраторами.

Рис.2.34. ТВ антенна с радиальными штыревыми вибраторами

На круглой опоре D ~ 0,7 λ0 восьми штыревых вибраторов, питаемых по схеме вращающегося поля (ток в каждом следующем вибраторе сдвинут относительно предыдущего по фазе на 90○)

Плюс-в горизонтальной плоскости получается достаточно равномерное излучение и хорошее согласование.