Анализ антенны типа 'широкополосная зигзагообразная'
Введение
Антенна - устройство для излучения и приёма
радиоволн. Изобретателем антенны считается Никола Тесла. Антенна является
конвертёром электрического тока радиочастотного диапазона в электромагнитное
излучение и наоборот. Форма, размеры и конструкция антенн разнообразны и
зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения антенны. Антенны
могут изготавливаться из проводящих, или диэлектрических материалов. Излучающие
структуры могут быть изготовлены путём напыления проводящих материалов на диэлектрические
подложки.
Неотъемлемыми составными частями современных
радиотехнических средств являются антенные системы и обслуживающие их тракты
СВЧ. Назначение передающей антенны состоит в преобразовании направляемых
электромагнитных волн, распространяющихся от передатчика по линиям передачи
тракта, в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства. Приемная
антенна, напротив, преобразует падающие на нее свободные пространственные волны
в направляемые по линиям передачи волны, поступающие в приемный тракт.
К антеннам современных радиосистем предъявляют
много требований, среди которых решающее значение имеют два. Первое требование
- направленность действия, т.е. распределение электромагнитной мощности в
пространстве по определенному закону. Второе требование - излучение или
радиоприем должны сопровождаться минимальными потерями электромагнитной
мощности на нагрев проводников и диэлектриков антенны, т.е. антенна должна
иметь высокий КПД.
В данном курсовом проекте необходимо
спроектировать направленную антенну. Направленные антенны - такие антенны (или
антенные системы), которые излучают при передаче и принимают при приеме
преимущественно в каком-либо направлении. Подводимая к направленной антенне
мощность используется более рационально и при заданной мощности передатчика
можно достигнуть большей дальности связи в нужных направлениях. При приеме
направленная антенна обеспечивает уменьшение помех, так как прием происходит
лишь с одного направления.
Цель данной работы систематизирование знаний
студентов полученных при изучении дисциплины «Антенно-фидерные устройства и
распространение радиоволн». Для чего необходимо исследовать заданную антенну,
спроектировать её, а также оптимизировать.
1.Описание антенны
.1 Устройство антенны типа
«широкополосная зигзагообразная»
Зигзагообразная антенна является широкополосной.
В пределах диапазона частот, на который рассчитана антенна, она обладает
сравнительно постоянными параметрами, удовлетворительно согласуется с кабелем,
а ее коэффициент усиления изменяется незначительно. Одно из достоинств антенны
- простота изготовления в домашних условиях из подручных материалов. Впервые
зигзагообразная антенна была описана в радиолюбительской литературе
К.П.Харченко в 1961 году, а ее разновидности многократно публиковались в
последующие годы.
Рисунок 2.1 Схематическое изображение
зигзагообразной антенны
антенна схематичный радиоволна
Конструкция антенны и схема питания
Полотно зигзагообразной антенны состоит из
восьми замкнутых одинаковых проводников, которые образуют две ромбовидные
ячейки (рисунок 2.1), соединенные электрически параллельно.
Она хорошо согласуется с 75-омным коаксиальным
кабелем без использования согласующих и симметрирующих устройств в диапазоне
частот примерно с двукратным перекрытием, т.е. может обеспечить прием программ
21-39-го или 40-60-го каналов. Для улучшения направленных свойств антенны ее
располагают возле экрана рефлектора, причем полотно можно закрепить к экрану не
только с помощью диэлектрических, но и металлических стоек, соединяя их с
рамками антенны в точках нулевого потенциала.
Для формирования диаграммы направленности
антенны необходимо, чтобы излучатели были сфазированы и разнесены друг
относительно друга. Зигзагообразная антенна имеет одну пару точек питания
(а-б), к которым непосредственно подключается фидер. Благодаря такой
конструкции антенны, ее проводники возбуждаются так, что образуется
своеобразная синфазная решетка из четырех вибраторов. Антенна имеет линейную
поляризацию. Ориентация вектора напряженности электрического поля Е на рисунке
показана стрелками.
Рисунок 2.2 Схема питания зигзагообразной
антенны
Так как в точках П-П нет разрыва проводников
полотна антенны, то эти точки являются точками нулевого потенциала (нули
напряжения и максимумы тока) независимо от длины волны. Это позволяет обойтись
без специального симметрирующего устройства при питании антенны коаксиальным
кабелем. Кабель прокладывается через точку нулевого потенциала П и по двум
проводникам полотна антенны подводится к точкам ее питания (рисунок 2.2).
Здесь оплетку кабеля соединяют с одной из точек
питания антенны (той, где проложен кабель), а центральный проводник - с другой.
Принципиально оплетку кабеля в точке П тоже нужно замкнуть накоротко на полотно
антенны, однако, как показала практика, делать это не обязательно. Достаточно
подвязать кабель к полотну антенны в точке П, не нарушая его полихлорвиниловой
оболочки.
Зигзагообразная антенна удобна тем, что простота
ее позволяет допускать значительные отклонения (неизбежные при ее изготовлении)
в ту или иную сторону от расчетных размеров ее элементов практически без
нарушения электрических параметров.
Антенна устанавливается так, чтобы направление
на телецентр было перпендикулярно плоскости полотна.
1.2 Основные параметры антенны
Ø Входное сопротивление антенны
(Импеданс) - комплексное сопротивление, включающее в себя реальную и мнимую
составляющие. Для оптимальной работы антенны необходимо согласование антенны с
её фидером. Питание антенны осуществляется коаксиальным кабелем с волновым
сопротивлением 75 и 50 Ом.
Ø Диаграмма направленности антенны
характеризует интенсивность излучения (приема) антенной в различных
направлениях. Направление максимального излучения называется главным лепестком
антенны. Остальные лепестки ДН антенны являются побочными. Лепесток излучения в
сторону обратную главному направлению называется задним лепестком ДН антенны.
ДН строят в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В нашем случае эта
плоскость будет горизонтальной.
Ø Коэффициент направленного действия
(КНД) антенны - показывает, во сколько раз нужно увеличить мощность излучения
антенны при переходе от направленной антенны к ненаправленной при учёте
сохранения одной и той же напряженности.
Ø Коэффициент усиления (КУ) антенны -
отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой ко входу
рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном
направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или
такой же плотности потока мощности.
Ø КСВ (коэффициент стоячей волны) -
равен отношению максимальной амплитуды напряжения в линии передачи к
минимальной амплитуде действующего там напряжения. Для оптимального приёма и
передачи должен быть не более 1,5.
Ø Диапазон частот является одной из
важнейших характеристик антенны, поскольку, как уже было отмечено, от длины
волны сигнала зависит форма и конструкция антенны. В нашем случае частотный
диапазон составляет 470-478 МГц для 21 канала. Для расчетов возьмём центральную
частоту 474 МГц.
2. Проектирование антенны
.1 Описание электронной среды
проектирования
Расчёт и оптимизация выбранной антенны
осуществляется с помощью программы MMANA-GAL.
Это программа моделирования антенн, работающая в среде Windows.
Моделировать можно любые антенны, которые можно представить как произвольный
набор тонких проводов. Расчёт проводится методом моментов.
В данной программе имеется широкий спектр
возможностей. Она позволяет:
Ø создавать и редактировать описания
антенны, как заданием координат, так и мышкой;
Ø рассматривать множество разных видов
антенн;
Ø рассчитывать диаграммы
направленности (ДН) антенн в вертикальной и горизонтальной плоскостях под
любыми вертикальными углами;
Ø одновременно сравнивать результаты
моделирования нескольких разных антенн по их ДН и всем основным
характеристикам;
Ø редактировать описание каждого
элемента антенны, включая возможность менять форму элемента без сдвига его
резонансной частоты. Это позволяет очень просто трансформировать антенны и из
«волнового канала» получить «квадраты» или «дельты»;
Ø редактировать описание каждого
провода антенны. Имеется возможность перекомпоновки антенны без перебора цифр
координат, простым перетаскиванием мышкой. Всю антенну можно нарисовать и
отредактировать одной мышкой;
Ø посчитывать комбинированные провода,
состоящие из нескольких разных диаметров. Это полезно при использовании
элементов, составленных из труб разного диаметра, например, при моделировании
«волновых каналов» или «вертикалов»;
Ø использовать удобное меню создания
многоэтажных антенн - стеков, причем в качестве элементов стека можно
использовать любую существующую или созданную ранее антенну;
Ø оптимизировать антенну, гибко
настраивая цели оптимизации: Zвх,
КСВ, усиление, отношения излучений вперед/назад F/B,
минимум вертикального угла излучения, причем очень наглядно - движками
указывается важность для вас того или иного параметра;
Ø задавать изменения при оптимизации
более 90 параметров антенны. Возможно описание совместного (зависимого)
изменения нескольких параметров;
Ø сохранять все шаги оптимизации в
виде отдельной таблицы. Это полезно для последующего просмотра и анализа;
Ø строить множество разнообразных
графиков: Zвх,
КСВ, усиления, отношения излучений вперед/назад (F/B),
включая показ зависимости ДН от частоты;
Ø автоматически рассчитывать несколько
типов согласующих устройств (СУ). Возможность включать или выключать СУ при
построении графиков;
Ø создавать файлы таблицы (формата *.csv,
просматриваемого в Excel)
для всех переменных расчетных данных: таблицы токов в каждой точке антенны,
зависимости усиления от вертикальных и горизонтальных углов, таблицы основных
параметров антенны как функций частоты, и, наконец, очень полезную таблицу
напряженности электрического и магнитного полей антенны в заданном
пространстве. Она необходима для определения соответствия антенны на требования
экологической безопасности и электромагнитной совместимости.
Таким образом, программа MMANA
может обеспечить задачу, достойную по сложности самых скоростных как
современных, так и будущих компьютеров.
2.2 Расчет антенны
Из приведенной в программе библиотеки антенн
выбираем антенну ZZ-NEW.
Её вид показан на рисунке 2.
Рис.2. Вид антенны, взятой для проектирования
Рассчитаем антенну на необходимую частоту 474
МГц:
Рис.
При этом получается следующая диаграмма
направленности:
Рис.3. Неоптимизированная диаграмма
направленности
Рис.4. Неоптимизированная 3D
диаграмма направленности
Вывод: как видно из рис. 3 и 4 диаграмма
направленности не излучает энергию в нужном направлении и имеет не достаточно
хороший КСВ. Таким образом, необходимо оптимизировать антенну.
2.3 Оптимизация антенны
Оптимизируем антенну в свободном пространстве.
Очевидно, что диаграмма направленности имеет неправильную форму, так как уже
известно, из теоретических данных, что диаграмма направленности этой антенны
имеет только один главный передний лепесток, а задний практически отсутствует.
Проведём масштабирование антенны от стандартной
частоты, на которую она рассчитана - 145 МГц к требуемой частоте 474 МГц.
Рис.
В результате получим:
Рис.
Вывод: как видно по диаграмме направленности,
концентрация излучения направлена вдоль положительной оси х, а диаграмма
направленности прижата к Земле в вертикальной плоскости. Проведём оптимизацию
антенны по частоте для поиска максимального отношения F/B
и КСВ.
После чего получим:
Рис.6. Диаграмма направленности на
оптимизированной частоте
Для получения такой же диаграммы направленности
на требуемой частоте ещё раз масштабируем антенну и получим:
Рис.7. Диаграмма направленности после
оптимизации по частоте и повторного масштабирования
Вывод: на данном этапе оптимизации мы получили
требуемую диаграмму направленности и достаточно высокий КНД, равный 8,95 дБи.
КСВ уменьшился на 0,2.
Теперь, посмотрим, каково влияние Земли на
характеристики антенны:
Рис.
Рис.8. Диаграмма направленности оптимизированной
антенны с учетом Земной поверхности (на высоте 1,55 м)
Вывод: меняя высоту подвеса антенны, выяснилось,
что высота подвеса практически не влияет на изменение КСВ и усиление. КСВ
меняется на 0,01, усиление на 1 Дб.
Проверим, как эта антенна работает в заданном
диапазоне частот.
Рис.9. График зависимости КСВ от частоты
Рис.
Рис.10. График зависимости усиления от частоты,
вперед/назад от частоты
Смотря на итоговые графики зависимости
коэффициента усиления от частоты, КСВ от частоты и диаграмму направленности,
можно сказать, что зигзагообразная антенна хорошо работает в заданном диапазоне
частот, КСВ меняется от 1,1 до 1,17, коэффициент усиления практически
постоянен, диаграмма направленности практически от частоты не меняется.
Вывод: диаграмма направленности антенны с учетом
влияния Земли приобретает «изрезанный характер». Однако в нужном нам
направлении концентрируется максимум энергии. Устанавливать такую антенну можно
как на маленьких, так и на больших высотах (от 1 до 20 метров). Причем высота
антенны практически не влияет на диаграмму направленности. КСВ антенны равен
1,1, что удовлетворяет условию оптимального приема сигнала. Активное
сопротивление антенны составляет 75 Ом, реактивное сопротивление небольшое
4,184 Ом, что говорит о согласованности антенны со стандартным питающим
коаксиальным кабелем, сопротивление которого также равно 75 Ом. Антенна имеет
хорошие показатели усиления, так КНД с учетом влияния Земли составляет 14,6
дБи. Излучение антенны в нужном направлении на 18,39 дБ больше чем в обратном,
ширина ДН составляет 75 градусов.
Заключение
В курсовом проекте была поставлена задача
спроектировать и оптимизировать широкополосную зигзагообразную антенну ДМВ
диапазона, работающую в диапазоне частот 470-478 МГц (21 канал) и
удовлетворяющую данным параметрам.
В итоге оптимизированная антенна имеет следующие
характеристики:
· рабочая частота антенны 0,474 ГГц;
· коэффициент усиления Ку=14,6;
· коэффициент стоячих волн КСВ=1,1;
· отношение излучений вперёд/назад F/B=18,39
дБ;
· активное сопротивление антенны R=50
Ом;
· высота установки антенны h=1…20
м.
Устанавливать такую антенну можно как на
маленьких так и на больших высотах.
Полученная антенна имеет хорошие параметры, что
говорит о уверенной связи в пределах заданной полосы частот.
Антенна была рассчитана и спроектирована в
электронной среде MMANA-GAL.
Список
использованной литературы
. Гончаренко
И.В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA-GAL.-М.:РадиоСофт,
2002.-80 с.
. Гончаренко
И.В. Антенны КВ и УКВ. Часть II.
Основы и практика.- М.:РадиоСофт, 2007.-288 с.
. Интернет
ресурс/
#"800946.files/image019.gif">
Рис.
1.