ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

СПРАВОЧНИК МАГНИТНОГО ДИСКА

(Естественно – технический колледж)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по лабораторным работам №1 – 5

по МДК.02.01 «Технология настройки и регулировки радиотехнических систем, устройств и блоков»

(раздел «Настройка и регулировка антенно-фидерных устройств») для студентов специальности

210413 «Радиоаппаратостроение» очной формы обучения

Составитель Головина Светлана Дмитриевна

Мет. указ. №1-5.doc 8701 Кбайт 18.02.2014 1,3 уч.-изд.л.

(наименование файла) (объем файла) (дата) (объем издания)

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Естественно – технический колледж

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по лабораторным работам №1 – 5

по МДК.02.01 «Технология настройки и регулировки радиотехнических систем, устройств и блоков»

раздел «Настройка и регулировка антенно-фидерных устройств» для студентов специальности

210413 «Радиоаппаратостроение» очной формы обучения

Воронеж 2014

Составитель: преподаватель С.Д. Головина

УДК

Методические указания по лабораторным работам №1 – 5 по МДК.02.01 «Технология настройки и регулировки радиотехнических систем, устройств и блоков» (раздел «Настройка и регулировка антенно-фидерных устройств») для студентов специальности 210413 «Радиоаппаратостроение» очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. С.Д. Головина. Воронеж, 2014. 21 с.

Методические указания содержат краткие сведения об антеннах разного типа, приводится программа ММANNА расчета диаграмм направленности антенн разного типа.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле Мет.указ.№ 1-5.doc.

Ил. 12. Табл. 5 Библиогр.: 3 назв.

Рецензент инженер МКТБ «Феррит» Д.В. Иголкин

Ответственный за выпуск директор ЕТК ВГТУ профессор А.А. Долгачев

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный технический университет», 2014

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам № 1—5

по МДК. 02.01 «Технология настройки и регулировки радиотехнических систем, устройств и блоков» (раздел «Настройка и регулировка антенно-фидерных устройств») для студентов специальности

210413 «Радиоаппаратостроение» очной формы обучения

Составитель:

Головина Светлана Дмитриевна

В авторской редакции

Компьютерный набор В.В. Тымчук

Подписано к изданию 18.02.2014

Уч.- изд. л. 2.1

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

394026 Воронеж, Московский просп., 14

Лабораторная работа № 1

Знакомства с программой расчёта антенн MMANNA

Цель работы:

1. Создать и редактировать описания антенны как заданием координат, так и «мышкой»;

2. Рассмотреть множество разных видов антенн;

3. Рассчитать диаграммы направленности (ДН) в обеих плоскостях;

4. Сравнивать результаты моделирование нескольких антенн.

теоретические сведения

Компьютерное моделирование антенн с помощью метода моментов

Идея компьютерного моделирования антенн следующая:

нарисовать на экране любую конфигурацию из проводов и труб, можно посмотреть, как это будет работать в качестве антенны, и получить все её характеристики. Можно исследовать антенну и, изменяя её параметры, оптимизировать под конкретные условия и требования.

С помощью метода моментов антенна описывается произвольным набором прямых тонких проводов. А каждый провод антенны представляется в виде набора отрезков (сегментов) разбитых точками. В каждой точке (по уравнениям поля, решаемым в численном виде) вычисляются импедансы и комплексные токи как собственные (от источника), так и наведенные от всех остальных сегментов. В результате можно узнать полный ток в каждой точке и, исходя из этого, вычислить поле, создаваемое этими токами, т.е. антенной. Вычисления идут в два этапа: с начала вычисляются токи в сегментах, а потом – диаграмма направленности антенны.

Порядок выполнения работы

Закладка Геометрия

При старте программы открывается закладка Геометрия (см. рис. 1, на котором открыт файл ANT\VHF\Loops beam\3hent.maa – это 3-элементная рамочная Hentenna на 50 МГц, все следующие рисунки данного раздела сделаны для этого файла).

Эта закладка – базовое описание антенны, поэтому изучить и пользоваться ею надо внимательно, ошибки здесь не прощаются. Поле Имя - это название антенны какое вы зададите. Оно будет фигурировать вверху всех закладок, и под этим же именем антенна будет выводится при ее последующем сравнении с другими. После F…MHz – основная частота антенны. Это значение будет использоваться в последующих расчетах по умолчанию (если вы не зададите там иное значение). В этом поле имеется удобный для выбора список частот - несколько из каждого любительского диапазона, а если вам нужна специфическая частота просто введите ее значение вручную.

Рис. 1

Таблица Провода – это описание всех проводов антенны. Каждая строка в этой таблице - описание одного провода. X1, Y1, Z1 – это координаты в трехмерном пространстве начала провода, а X2, Y2, Z2 – конца провода. R – радиус провода. Размерность всех этих величин можно задать либо в метрах (для R в мм), либо в , установкой флага в верхнем левом окошке В лямбдах.

Очень важно при описании геометрии антенны делать бум антенны (т.е. предполагаемое направление максимального излучения) в направлении оси Х, элементы – в направлении оси Y, высота антенны в направлении оси Z. В принципе, если очень хочется можно этого и не делать – ДН и входное сопротивление антенны будут рассчитаны корректно, но MMANA по умолчанию считает усиление антенны и отношение излучений вперед/назад (F/B) именно вдоль оси Х, например боком, то значения Ga и F/B будут весьма странными (поправить такую ситуацию уже на нарисованной антенне можно, выбрав в меню Правка команду Вращать и далее Вокруг оси Z на 90 град.).

Если вы проектируете GP, то нижний конец провода должен иметь Z= 0, иначе программа «не увидит землю» (кроме случая с отдельными приподнятыми радиалами, явно нарисованными как отдельные провода). Не стремитесь поднять антенну над землей, увеличивая значения Z для задания высоты. В программе для этого есть отдельная опция. Точка начала координат (Х=0, Y = 0, Z = 0) удобна для размещения в ней середины питаемого элемента. Не рекомендуется без необходимости смещать антенну от нулевых значений по осям Х и Y, иначе при обзоре и правке Вы можете ее легко «потерять из виду», так как по умолчанию все виды антенны показывают в центре именно начало координат.

Электрическое соединение провода осуществляется автоматически, как только совпадут все три координаты начала или конца провода. Соединение осуществляется только при совпадении координат начала и конца проводов, пересечение же их в пространстве в любой другой точке (кроме начала и конца) не приводит к электрическому соединению. Например, если вы проектируете вертикальную Т-образную антенну, то недостаточно двух проводов, одного вертикального и одного горизонтального (в этом случае не будет контакта с серединой горизонтального провода), - необходимо три провода – один вертикальный, и к его концу два горизонтальных.

Установленный флаг в поле Не разрывать позволяет при последующем редактировании антенны и перемещении провода не разрывать электрически соединенные с ним другие провода, перемещая их вместе с исходным проводом.

Источники и нагрузки

Левая нижняя табличка (рис. 1) описывает источники. Прямо под словом PULSE пишется:

w1c – если источник в середине первого провода;

w1b – если он в начале первого провода;

w1e – если он в конце первого провода;

w2c – если он в середине второго провода.

Если источник не в середине и не в конце, а где-то сбоку пишется так:

w1c4 – источник, смещенный в направлении конца от центра первого провода на 4 сегмента (где именно получился источник можно посмотреть, нажав закладку Вид).

w2с5 – источник, смещенный от центра первого провода в направлении его начала на 5 сегментов.

То есть первая буква – всегда w (от wire – провод), вторая цифра - номер провода, третья буква (b, c, e) – начало, середина и конец соответственно. Четвертая цифра (ее может и не быть) – величина смещения в сегментах от начала, конца или середины. Если вы устанавливаете источник на начало или конце провода, проверьте, чтобы к этому началу или концу было бы что-нибудь присоединено – или другой провод, или земля (координата по Z = 0) – току куда-то надо утекать, поэтому второй вывод источника может не «висеть в воздухе».

Если планируется множество экспериментов с антенной, то удобно разместить источник в центре короткого провода, а к нему уже присоединить основной провода антенны, тогда при всех перемещениях длинных проводов источник будет оставаться на месте. Этот прием применяется и при параллельном соединении нескольких антенн, питаемых одной линией этот же прием используется и для установки нагрузок.

Следующий столбец таблицы Источники – это фаза источника в градусах. Если источник один, то фаза безразлична.

Последний столбец этой таблицы – напряжение источника. Если источников несколько, вы можете вручную установить амплитуду каждого из них либо, установив флаг Одинаковые источники, включить автоматическое уравнивание амплитуд всех источников.

Под термином «нагрузка» понимается любая пассивная сосредоточенная цепь – резистор, реактивность, контур. Расположение и вид нагрузок описываются в таблице Нагрузки. Положение нагрузки задается точно так же, как и положение источников в столбце PULSE. Тип нагрузки задается в следующем столбце выбором из меню, всплывающего под левой кнопкой мыши – курсор должен быть в этом столбце (для вызова этого меню также можно, выделив ячейку в столбце Тип, нажать любую кнопку на клавиатуре): LC, R + jX, S.

Закладка Вид

Выбрав эту закладку, можно посмотреть внешний вид в трехмерном пространстве антенны и распределение сегментов и токов по ней. На рис. 2 показано окно этой закладки.

Рис. 2

Движками Верт. вращение, Гор. вращение и Масштаб можно внимательно рассмотреть антенну со всех сторон. Если вы потеряли из виду антенну, нормальное изображение восстанавливается либо флагом Нормальный вид, либо нажатием одной из двух кнопок – центр на антенне или Центр на Х = 0, Y = 0, Z = 0.

Источники показаны красными кружками нагрузки – красными крестиками.

При установке флага Сегменты зелеными крестиками показываются точки разбиения проводов на сегменты. Тут удобно смотреть, не нарушены ли требования метода моментов по сегментации. То есть нет ли участков (повышенное внимание к стыкам проводов, особенно пересекающимся под малым углом), где расстояние между сегментами соседних проводов меньше минимальной длины сегмента.

При установке флага Токи показывается распределение тока в проводах, для этого предварительно должен быть сделан расчет антенны в закладке Вычисления. Масштаб отображения токов регулируется соответствующим движком.

Вы должны понимать, что:

Основное излучение обеспечивают те участки, по которым протекает максимальный ток.

Участки минимума тока соответствуют максимумам напряжения, и наоборот.

На изображении антенны щелчком левой кнопки мыши можно выделить провод – его описание появится в правом нижнем углу окна. Убрать это окно можно, временно перейдя в закладку Геометрия и выделив там мышкой самую последнюю (пустую) строку в таблице проводов.

Во всплывающем в этой закладке меню (под правой кнопкой мыши) часть команд такая же, как и во всплывающем меню закладки Геометрия. Остановимся только на новых командах:

- Центр изображения на этой позиции – устанавливает на выбранное курсором место центр обзора. Полезна, если вы хотите детально рассмотреть какой-либо фрагмент антенны. Перед тем как растянуть масштаб изображения, установите на интересующий вас участок на центр, тогда при растяжке он не «убежит» за экран.

- Удалить источник - для активизации этой команды надо предварительно выделить тот провод, в котором этот источник установлен.

- Передвинуть / добавить источник в и далее выбрать из следующего окна, куда именно (в начало, конец или середину) вы хотите поместить источник. Предыдущее замечание о выделении провода относится и к этому пункту.

Рис. 3

Закладка Вычисления

Вид этого окна с примером расчета показан на рис. 3. В окне Частота устанавливается частота анализа антенны (по умолчанию устанавливается частота из закладки Геометрия). В этом поле имеется список частот – несколько из каждого любительского диапазона, а если вам нужна специфическая частота введите ее вручную. Правое окно – информационное и отображает текущее состояние расчета.

В окошке Земля выбирается тип земли. Пункты Свободное пространство и Идеальная пояснения не требуют, а вот если установлена Реальная земля, то в этом же окошке появляется кнопка Параметры, которая вызывает окно Параметры реальной земли. Высота антенны над землей устанавливается в поле Высота. Программа поднимает антенну вверх по оси Z. В поле Материал выберите из списка материал антенны.

Результаты вычислений

Закончив ввод описания антенны и нажав кнопку Пуск, запускаем расчет. Текущее состояние расчета индицируется в правом верхнем окне закладки Вычисления. В это же окно выводится информация о возможных ошибках, а по завершении расчета -его длительность. Результаты выводятся в нижней таблице в следующем формате (по столбцам):

- Freq MHz – частота.

- R – активная часть входного сопротивления;

- jX – реактивная;

- SWR – КСВ (по умолчанию – на 50 Ом, если же требуется иное сопротивление его можно установить – Сервис-Сервис и Установки – Установки – Стандартное Z).

- Gh – усиление относительно полуволнового поля (дБд), причем это значение выводится только если расчет производится для свободного пространства.

- Ga DBi – усиление к изотропному излучателю.

- F/B db - отношение уровней излучения вперед/назад.

- Elev – зенитный (вертикальный) угол, под которым расположен максимум излучения антенны.

- Земл – тип земли.

- Высота – высота антенны в метрах над землей (если земля есть).

- Пол. – Преимущественная поляризация.

Рис. 4

Закладка Диаграммы направленности

Выбрав эту закладку (рис. 4). Вы увидите ДН антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях и табличку всех основных параметров антенны.

ДН любой антенны является объемной, трехмерной фигурой, в общем случае, неправильной формы. Отображение этой фигуры на плоских графиках MMANNA имеет свои особенности. ДН в вертикальной плоскости MMANNA представляет собой сечение плоскостью Х-Z, объемной ДН. Именно поэтому, чтобы увидеть на ДН в вертикальной плоскости отношение излучений вперед-назад (и для правильного подсчета F/B программой) при создании описания антенны, следует располагать ее так, что бы предполагаемый максимум излучения был бы направлен вдоль оси Х.

ДН в горизонтальной плоскости НЕ ЯВЛЯЕТСЯ ПЛОСКИМ РАЗРЕЗОМ объемной ДН, как это принято думать. В самом деле, при наличии реальной земли непосредственно вдоль земли (под нулевым зенитным углом) никакая антенна ничего не излучает, поэтому если мы просто попытаемся разрезать объемную ДН плоскостью Х-Y, то не увидим ничего. В действительности же все (не только в MMANNA, а вообще все) ДН в горизонтальной плоскости являются КОНИЧЕСКИМИ сечениями объемной ДН. Строится такая ДН так: берем определенный зенитный угол и, сохраняя его постоянным, обходим по азимуту антенну вокруг – получившаяся плоская фигура и будет коническим сечением.

То есть для построения и анализа ДН в горизонтальной плоскости надо знать еще и зенитный угол, для которого она (ДН) построена. ДН в горизонтальной плоскости, приведенная без указания этого угла (что часто практикуется в любительской литературе), несет неполную информацию. Дело в том, что для многих антенн в зависимости от зенитного угла меняется не только усиление, но и в некоторой степени форма ДН в горизонтальной плоскости.

Для случая идеальной или реальной земли ДН в горизонтальной плоскости по умолчанию строится для зенитного угла, соответствующего максимальному уровню излучения. Иное значение зенитного угла задается кнопкой Установить значение зенитного угла, это полезно при изучении излучения антенны под малыми зенитными углами к горизонту и формы ее ДН при этом в горизонтальной плоскости.

Если антенна моделируется в свободном пространстве, то установленный по умолчанию зенитный угол для построения ДН в горизонтальной плоскости равен 0 градусов. Через меню Сервис можно построить ДН для зенитного угла, соответствующего максимальному излучению.

Сохранить ДН, исходные параметры и все результаты расчета антенны в отдельном файле (на будущее для последующего сравнения их с другими) можно выбрав в основном меню Файл команду Сохранить ДН (*.mab). При этом сохраняется не только описание антенны (провода, параметры сегментации, источники, нагрузки, частота, высота, материал), но и все результаты расчетов.

Контрольные вопросы

1 Какие основные операции проводит программа?

2 Какие основные параметры необходимо задавать программе?

3 Что показывает ДН?

4 От чего зависит форма ДН?

5 В какой плоскости Х-Y-Z должна быть расположена антенна, что бы было максимальное излучение?

Содержание отчета

1 Перечислить этапы моделирования и расчета антенны.

2 Зарисовать ДН двух антенн

3 Провести сравнение работы антенн

4 Выводы по проделанной работе.

Лабораторная работа № 2

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИ И ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ АНТЕНН С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ

Цель работы:

1. Исследовать работу вертикальной антенны в разных частотных диапазонах и на разной высоте.

Теоретические сведения

Среди вертикальных антенн радиолюбители часто используют антенны, высота которых /4 и /2.

Вертикальные антенны такой длины имеют прижатое к земле излучение в вертикальной плоскости при расположении антенны непосредственно над землей, что является их положительным качеством при дальней радиосвязи и особенно в диапазонах 40 и 80 м, где получение прижатого к земле излучения с помощью горизонтальной антенны невозможно из-за ограниченной высоты подвеса.

В горизонтальной плоскости диаграмма направленности представляет собой окружность, т.е. антенна всенаправленная. Коэффициент полезного действия вертикальной антенны высокий, если проводимость земли вблизи антенны достаточно высока. Поэтому при отсутствии возможности установки антенны на поверхности хорошо проводящей земли применяют «искусственную землю».

Антенна предназначена для работы в диапозонах 7;14;21 МГц. Вертикальный излучатель, изготовленный из дюралюминиевой трубы диаметром 40 мм, имеет высоту 9 м. Распределение тока в антенне, а также диаграммы направленности в вертикальной плоскости в зависимости от диапазона (т.е. соотношения высоты антенны и длинны волны) показаны на рис. 5.

На 14 МГц антенна благодаря сужению диаграммы в вертикальной плоскости дает усиление в 1,8 дБ; на 21 МГц для определенных углов излучения усиление достигает 2,5-3 дБ.

На диаграмме направленности антенны кроме главного лепестка может быть несколько боковых лепестков, а также направление нулевого приема. На рис. 6 они показаны в виде расходящихся линий. Сигналы, приходящие с этих направлений антенной не принимаются (или почти не принимаются).

Задание и порядок выполнения работы

1 Открыть программу работы «Расчет антенн».

2 Открыть закладку Геометрия.

3 Занести в таблицу закладки Геометрия данные вертикальной антенны согласно таблице 1.

Таблица 1

Длина вертикальной антенны, м	10
Диаметр излучателя, мм	40
Рабочие частоты, МГц	7; 14; 21
Расположение источника	W1b
Высота подъема антенны	0,25; 0,5; 0,75; 
Тип земли	идеальная, реальная

Рис. 5. Распределение тока в вертикальной антенне и диаграммы направленности в вертикальной плоскости:

а – на 7 МГц; б – на 14 МГц; в – на 21 МГц

Рис. 6

4 Открыть закладку Вид и убедиться в правильности выбранного варианта антенны.

5 Провести расчеты параметров в закладке Вычисления.

6 Зарисовать диаграмму направленности (ДН) каждого варианта из закладки Диаграмма направленности

7 Сравнить по ДН работу вертикальной антенны с изменением частоты и высоты подъема.

8 Сделать вывод по работе.

Содержание отчета

1 Таблицы закладки Геометрия для нескольких вариантов антенны.

2 Внешний вид антенны из закладки Вид

3 Таблицы расчета вертикальной антенны из закладки Вычисления

4 ДН вертикальной антенны в разных диапазонах и на разной высоте из закладки Диаграмма направленности

Контрольные вопросы

1 К какому типу антенн (по излучению) относится вертикальная антенна?

2 В каких диапазонах работает антенна?

3 Какую ДН в горизонтальной плоскости имеет вертикальная антенна?

4 Что значит направление нулевого приема (показать на диаграмме)?

5 Как принимает антенна, у которой много боковых лепестков?

6 Что обозначает «главный лепесток» ДН?

Лабораторная работа № 3

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИ И ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ АНТЕНН С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ

Цель работы:

1. Изучить работу горизонтальной антенны в разных частотных диапазонах и на разной высоте.

Теоретические сведения

Горизонтальные антенны (вибраторы) – это простейшие слабонаправленные симметричные коротковолновые антенны.

Антенна-диполь в наиболее простом виде представляет собой горизонтальный провод, разделенный изолятором на две равные части. Длина каждой половины берется от 1/4 до 5/8 длины волны.

Горизонтальный вибратор основную направленность приема имеет в плоскости перпендикулярной оси вибратора. Диаграмма направленности (ДН) вибратора в горизонтальной плоскости имеет вид «восьмерки» (рис. 7), так что вдоль своей оси горизонтальный вибратор не при каких условиях не принимает, если он приподнят над землей не менее чем на 0,25.

При длине лучей l > (5/8) направленность вибраторов становится неудовлетворительной; с другой стороны, при l > (1/8) сильно падает мощность, которую может отдать антенна приемнику.

Исходя из этого, диапазон антенны ограничивается пределами(1,68) l.

Коэффициент направленного действия антенны меняется по диапазону в пределах от 6,5 при l/ = 0,25 до 13 при l/ = 0,625.

Высота подвеса антенны подбирается в зависимости от протяженности линии радиосвязи, так как от этого зависит угол наклона главного лепестка ДН (рис. 8).

Таблица 2

Зависимость подвеса антенны от протяженности лини связи

Протяженность линии связи	Высота подвеса антенны
250 км	(0,20,3) 
250-1000 км	(0,3 0,5) 
до 1500 км	0,6

В большей части диапазона, когда  > 2l, особенно при небольшой относительной высоте подвеса, уже под небольшим углом к горизонту (больше 15-20) нули направленности исчезают и при углах, больших 30, антенна практически теряет свою направленность.

Таким образом, учитывая, что на большинстве радиолиний протяженностью до 15003000 км и, в особенности, при расстояниях до 700-800 км всегда имеются лучи, приходящие под углами, большими 30, - горизонтальные вибраторы для таких радиолиний следует рассматривать как ненаправленные антенны.

Условно горизонтальный вибратор обозначается: ВГ

где l – длина одного луча в метрах;

Н – высота подвеса в метрах.

Рис. 7. Диаграмма направленности горизонтального вибратора в горизонтальной плоскости в зависимости от соотношения длины плеча к длине волны

над идеальной отражающей поверхностью

над сухой землей

Рис. 8. Диаграммы направленности в вертикальной плоскости горизонтального вибратора в зависимости от высоты подвеса

Задание и порядок выполнения работы

1Открыть программу работы «Расчет антенн».

2 Открыть закладку Геометрия и в таблицу занести параметры для горизонтальной антенны из табл. 3.

Таблица 3

Длина волны, м	10; 20; 50; 100
Длина горизонтального вибратора, м	10
Рабочие диапазоны, МГц	7; 14; 21
Расположение источника в середине вибратора	W1c
Высота подъема антенны, м	0,25; 0,5; 0,75; 
Тип земли	идеальная, реальная

3 Открыть закладку Вид и убедиться в правильности выбранного варианта антенны.

4 Провести расчеты параметров антенны в закладке Вычисления.

5 Зарисовать ДН для каждого варианта.

6 Сравнить по ДН работу горизонтальной антенны с изменением диапазона частот и высоты подвеса.

7 Сделать выводы по работе.

Содержательные отчеты

1 Таблицы закладки Геометрия для нескольких вариантов горизонтальной антенны.

2 Внешний вид антенны из закладки Вид.

3 Таблица закладки Вычисления.

4 ДН для 3х вариантов высоты и частоты горизонтальной антенны из закладки Диаграмма направленности.

5 Вывод по ДН о работе антенны.

Контрольные вопросы

1 Что представляет собой горизонтальный вибратор?

2 Как выглядит ДН антенны в горизонтальной плоскости?

3 В каком диапазоне антенна работает хорошо?

4 От чего зависит высота подъема антенны?

5 Когда антенна становится ненаправленная?

6 Как обозначается горизонтальный вибратор?

Лабораторная работа № 4

Расчет элементов конструкции и диаграммы направленности антенны «волновой канал» с применением ЭВМ

Цель работы:

1. Исследовать работу антенны типа «волновой канал »

теоретические сведения

Директорная антенна, называемая также антенной «волновой канал », относится к классу направленных антенн осевого излучения (приема ).Она состоит из ряда параллельных по отношению друг к другу симметричных вибраторов , расположенных в одной плоскости (рис.1):одного активного полуволнового вибратора (В)(линейного), к которому подключен коаксиальный кабель питания (снижения), и нескольких околополуволновых пассивных вибраторов –обычно одного рефлектора (Р) и линейки директоров ( ………., ). Каждый вибратор, активный или пассивный, называют элементом антенны; число элементов в антенне – это полное число вибраторов. Таким образом, директорная антенна представляет собой линейную антенную решетку и может рассматриваться как совокупность более простых антенн, объединенных в единую излучающую (или принимающую) систему.

Учитывая принцип взаимности, согласно которому направленные свойства антенны не зависят от того, работает она на передачу или на приём, рассмотрим, с целью упрощения понимания принципа действия директорной антенны, ее работу в режиме передачи. В этом случае излучающим элементом является активный вибратор. Излучаемое им электромагнитное поле возбуждает, т.е. наводит высокочастотный ток во всех пассивных вибраторах. При этом элементы антенны последовательно возбуждаются бегущей электромагнитной волной, распространяющейся от начала антенны к ее концу с определенной фазовой скоростью ( ), отличной от ее скорости в свободном пространстве ( ). Следовательно, директорную антенну по принципу действия можно отнести к классу антенн бегущей волны, направление максимального излучения которой совпадает с осью симметрии антенны Z*Z (см. рис. 9).

Рис. 9 – Схема директорной антенны: Р – рефлектор;

В – активный вибратор; Д₁, Д₂, Д₃, … Д_N – директоры

4.2 Влияние рефлектора

Если активный вибратор подключить к источнику высокочастотных колебаний, то этот вибратор (имеющий симметричную диаграмму направленности в виде правильной «восьмерки») будет излучать электромагнитную энергию в направлении как Z* (в сторону рефлектора), так и Z (в сторону директоров). Под воздействием излученной активным вибратором в направлении Z* высокочастотной энергии в рефлекторе наводится ток, являющийся источником вторичного излучения.

Длину рефлектора (2•l_p) и расстояние между ним и активным вибратором (d_p) подбирают такими, что излучение рефлектора ослабляет излучение активного вибратора в направлении Z* («назад») и усиливает его в направлении Z («вперед»). В этом случае рефлектор выполняет функцию своеобразного отражателя энергии, обеспечивающего формирование однонаправленной характеристики излучения (или приема). Данный эффект может быть достигнут, если рефлектор Р длинной 2•l_p ≈ λ\2 поместить позади активного вибратора B на расстоянии d_p= λ\4.

Практически рефлектор устанавливают несколько ближе к активному вибратору, что позволяет увеличить амплитуду тока в рефлекторе и, следовательно, более полно ослабить электромагнитное излучение в обратную сторону (по оси Z*).

При правильной настройке антенны ток, наведенный в рефлекторе, будет опережать по фазе ток в активном вибраторе. Для обеспечения необходимой фазы тока в рефлекторе последний делают немного длиннее активного вибратора: 2•l_p > 2•l_B = λ\2. На практике такой режим работы рефлектора реализуется при его длиннее 2•l_p ≈ 0,6•λ.

Компенсация излучения активного вибратора в направлении Z* будет принципиально неполной, т.к. амплитуда тока в рефлекторе всегда несколько меньше амплитуды тока в активном вибраторе. Поэтому электромагнитная энергия, излученная магнитным вибратором, частично «просачивается» через рефлектор, что приводит к появлению обратного излучения, проявляющегося в виде задних и боковых лепестков на диаграмме направленности.

В диапазоне дециметровых волн дополнительные рефлекторы довольно часто заменяют решетчатым экраном (металлической решеткой), позволяющим более эффективно подавить излучение в заднем полупространстве и увеличить направленность антенны.

4.3 Влияние директоров

Концентрация электромагнитной энергии в переднем полупространстве (в направлении Z) способствуют директоры, которые возбуждаются, как и рефлекторы под воздействием излучения активного вибратора. Для усиления излучения антенны в указанном направлении необходимо, чтобы ток в первом директоре (Д1) отставал по фазе от тока в активном вибраторе B, во втором директоре (Д2) – от тока в первом директоре и т.д., причем тем больше, чем дальше отстоит директор от активного вибратора.

Подбор требуемых амплитуд и фаз токов обеспечивают изменением длин директоров и расстояний между ними и активным вибратором. Наиболее благоприятные соотношения между амплитудами и фазами токов, способствующие максимальной концентрации электромагнитной энергии в переднем полупространстве и уменьшению бокового излучения, обычно достигаются при постепенном уменьшении длин директоров и увеличении расстояний между ними по мере их удаления в направлении от активного вибратора.

Таким образом, направленное излучение директорной антенны формируется совместным действием рефлектора (отражателя энергии) и директоров (направителей энергии).

Введение каждого нового директора улучшает направленные свойства антенны: сужает главный лепесток диаграммы направленности, увеличивает коэффициенты направленного действия (КНД) и усиления (КУ). Число директоров может быть теоретически достаточно большим, т.к. каждый предыдущий директор направляет энергию в строну последующего (отсюда название «волновой канал»). Однако, чем больше директоров имеет антенна, тем меньше сказывается на ее диаграмме направленности добавление каждого нового директора.

Например, если к трехэлементной антенне, состоящей из активного вибратора, рефлектора и директора, добавить один директор, то ее коэффициент усиления возрастет примерно с 5 до 7 дБ, т.е. на 25% по напряжению. Если же ввести один дополнительный директор в семиэлементную антенну, включающую в свой состав активный вибратор, рефлектор и пять директоров, то ее коэффициент усиления повысится незначительно – на 0,5 дБ (на 5% по напряжению). Кроме этого, возрастание числа директоров приводит к увеличению длинны антенны (l_A)_. Увеличивать эту длину свыше (7…8)•λ не целесообразно из-за сильного возрастания габаритов всей конструкции.

4.4 Выбор геометрических размером антенны.

Длину активного вибратора (2•l_B) выбирают из условия компенсации реактивной составляющей входного сопротивления. С учетом наведенных сопротивлений и укорочения волны. Она должна быть несколько меньше λ\2.

Длину рефлектора 2•l_p выбирают равной (0,5…0,6)• λ, длинны директоров 2• λ_Д – (0,35…0,45)•λ, расстояние между рефлектором и активным вибратором d_p – (0,15… 0,25)•λ, расстояние между активном вибратором и ближайшим к нему директором, а также между директорами d_Д – (0,1…0,35)•λ. Размеры элементов и расстояния между ними в долях средней длинны волны рабочего диапазона указанны также на рис.1. Однако следует иметь ввиду, что эти размеры могут служить для приближенного выбора длин вибраторов и расстояний между ними. Точные размеры антенны могут быть определены, главным образом, экспериментальным путем.

Порядок выполнения работы

1. Открыть программу работы Расчет антенн.

2. Открыть закладку Геометрия.

3. Занести в таблицу закладки «Геометрия» данные антенны «волновой канал» согласно таблицы 4.

Таблица 4

Рабочая частота	50мГц
Высота подъема	10м 20м
Условия приема	Идеальные \ реальные
Длинна рефлектора	2lp = (0,5…0,6) λ
Длинна активного вибратора (B)	2lB<2lp
Длинна директоров	(0,35…0,45) λ
Расстояние между рефлектором и активным вибратором	dp= (0,15…0,25) λ
Расстояние между активным вибратором и директором Д1, и между директорами Д2, Д3	(0,1…0,35) λ
Условия хорошего излучения антенны	lД3< lД2< lД1 dД1> dД2> dД3
Металлические секции антенны имеют диаметр	7мм
Конструкция антенны	5 элементная 4х элементная 3х элементная

4. Открыть закладку Вид и убедиться в правильности конструкции антенны.

5. Провести расчет параметров в закладке Вычисления для 5ти, 4х, 3х элементной антенны.

6. Зарисовать диаграмму направленности (ДН) для каждой антенны

7. Сравнить ДН антенн с разным числом элементов.

8. Сделать вывод по работе.

Содержание отчета

1. Внешний вид антенны с нанесенными размерами.

2. Таблицы расчетов.

3. ДН антенн с разным числом элементов.

4. Выводы.

Контрольные вопросы.

1. К какому типу антенн относится директорная антенна?

2. Как называют элементы директорной антенны?

3. Из каких соображений выбирают длину активного вибратора?

4. Какие факторы ограничивают число используемых директоров?

5. Какое наибольшее число директоров целесообразно использовать?

6. Как должны изменяться длинны директоров и расстояние между ними для достижения максимальной концентрации излучения в переднем полупространстве?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ И ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ РОМБИЧЕСКИХ АНТЕНН С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ

Цель работы:

1. Исследовать работу ромбической антенны в разных частотных диапазонах и на разной высоте.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В диапазоне декаметровых коротких волн для радиосвязи широкое распространение получили ромбические горизонтальные антенны.

Ромбические антенны представляют собой симметричные направленные диапазонные антенны бегущей волны со значительной мощностью приема и состоят из двухпроводной симметричной линии, провода которой вначале расходятся, а затем сходятся, образуя в плане фигуру ромба.

Простейшим типом ромбических антенн является приемная горизонтальная одинарная ромбическая антенна. (Рис. 10).

Рис. 10

Для ромбических антенн приняты следующие условные обозначения:

- полное обозначение одинарного горизонтального ромба;

- полное обозначение двойного горизонтального ромба

где РГ – ромб горизонтальный одинарный;

РГД – ромб горизонтальный двойной;

2Ф – тупой угол ромба в градусах;

Ф – половина тупого угла;

; ,

где l – сторона ромба в метрах;

Н – средняя высота подвеса полотка;

λ₀ – оптимальная рабочая волна.

Антенна состоит из системы проводов, расположенных таким образом, чтобы поля их складывались. При этом длина каждого провод должна быть в несколько раз больше длины волны. Ромбическая антенна представляет собой именно такую систему.

Режим бегущей волны в ромбической антенне достигается подключением в одной из острых углов ромба сопротивления (R) между проводами, равного волновому сопротивлению ромба. Это сопротивление называется поглощающим (нагрузочным). Расположение проводов в виде ромба обеспечивает совпадение направлений их максимального излучения (Рис. 11).

Рис. 11. Диаграмма направленности ромбической антенны в горизонтальной плоскости

Направление максимального приема ромбической антенны совпадает! с большой диагональю ромба. Прием будет со стороны поглощающего* сопротивления, так как в этом направлении энергия, принимаемая каждым проводом, суммируется с энергией других проводов ромба, принимаемой; также в данном направлении. Во всех других направлениях энер­гия, принимаемая отдельными проводами, частично взаимно компенсируется.

Диаграмма направленности ромбической антенны имеет, кроме основного максимума приема, побочные лепестки, которые характеризуют способность ее принимать с других направлений.

В вертикальной плоскости ромбическая антенна также обладает; направленными свойствами

На рис. 12 приведена серия диаграмм направленности одинарной ромбической антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях для различных отношений принимаемой волны λ к оптимальной волне λ₀ антенны.

Оптимальной волной λ₀ антенны называется волна, для которой подбираются оптимальные размеры антенны. При работе па оптимальной волне антенна дает наиболее высокие качественные показатели, близкие к максимальным. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости на оптимальной волне имеет наименьшее количество боковых лепестков, ширина главного лепестка близка к минимальному значению, следовательно, коэффициент направленного действия близок к максимальному значению.

B направлении главного максимума ромбическая антенна обладает свойствами значительного усиления по отношению к ненаправленной антенне.

Недостатками приемных одинарных горизонтальных ромбических антенн являются:

— плохая, изобилующая побочными лепестками, характеристика направленности;

— низкий коэффициент полезного действия;

— значительная территория, занимаемая антенной (порядка 100X X 200 м и более), что требует использования на приемных центрах более длинных фидерных линий от приемных устройств до антенны,

Рис. 12. Диаграмма направленности ромбической антенны типа РГ 1 в горизонтальной плоскости (а) и вертикальной плоскости (б)

Порядок выполнения работы

1. Открыть программу «расчет антенн»

2. Открыть закладку «Геометрия»

3. Занести в таблицу (закладка «Геометрия») данные ромбической антенны согласно табл. 5.

Таблица 5

Сторона ромба в литрах	3, 5, 10
Средняя высота подвеса полотна антенны (м)	10, 20, 50
Рабочая частота (МГц)	14, 21
Расположение источника	в одном из острых углов
Тип земли	идеальный

4. Открыть закладку «Вид». Проверить вид антенны согласно закладке «Геометрия»

5. Открыть закладку «Вычисления». Установить необходимые данные и провести вычисления.

6. Открыть закладку «Диаграмма направленности». Провести сравнение ДН для разных параметров антенны.

7. Сделать вывод по работе ромбической антенны.

Содержание отчета

1. Таблица закладки «Геометрия»

2. Внешний вид антенны из закладки «Вид»

3. ДН антенны при разных параметрах рабочей частоты и высоты подъема.

4. Вывод по работе антенны.

Контрольные вопросы

1. К какому типу антенн относятся ромбические антенны?

2. Как обозначаются ромбические антенны?

3. Из чего состоит ромбическая антенна?

4. Для чего в антенну включено поглощающее сопротивление?

5. В каком направлении будет осуществляться максимальный прием в антенне?

6. Что характеризуют побочные лепестки на ДН антенны?

7. Какими показателями характеризуется качество работы ромбической антенны?

Библиографический список

Основная

1 Нефедов Е.И. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебник / Е. И. Нефедов. - М.: Academia, 2006. 320 с.

Дополнительная

2 Ерохин Г.А. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебник / Г.А. Ерохин и др., - 3-е изд., - М.: Горячая линия - Телеком, 2007.

3 Козырев Н.Д. Антенны космической связи: Учеб. пособие / Н.Д. Козырев – М.: Радио и связь, 1990.

25