Антенно-фидерные устройства

Антенно-фидерные устройства

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Задача №1: Симметричный вибратор

Задача №2: Диско-конусная антенна

Задача №3: Четвертьволновый штырь

Список литературы

Введение

Расширение круга задач, решаемых современной радиоэлектроникой, а также их усложнение, стимулировало в последнее десятилетие интенсивное развитие теории и техники антенн. Основные области использования радиоэлектроники - связь, телевидение, радиолокация, радиоуправление, радиоастрономия, а также системы определения государственной принадлежности, инструментальной посадки, радиоэлектронного противодействия и другие невозможные без применения антенн с различными характеристиками. В процессе развития антенн они усложнялись, появлялись принципиально новые их классы, расширялись выполняемые функции, и антенны зачастую превращались из простых взаимных устройств в сложные динамические системы, содержащие в большинстве случаев сотни, тысячи различных элементов.

Конструктивно антенны в процессе развития также существенно видоизменялись. Наряду с проволочными вибраторными антеннами, созданными на первых этапах развития, широко распространены антенны бегущей волны, фазированные антенные решетки (ФАР), активные ФАР, антенны с обработкой сигнала и другие. Разработаны щелевые, импедансные, диэлектрические, ферритовые, печатные и другие типы конструктивного исполнения антенн.

Целью этой курсовой роботы является изучение устройства, основных характеристик и параметров ряда конструкций антенн, применяемых в железнодорожных радиостанциях.

Задача №1: Симметричный вибратор

Симметричный вибратор представляет собой прямолинейный проводник, у которого в симметричных (относительно середины) точках токи равны по величине и имеют одинаковое направление в пространстве. На рис.1. показан пример распределения тока, характерного для симметричного вибратора. Здесь в симметричных точках Z и -Z выполняется условие Iz=I-z. Стрелки на рисунке показывают, что токи в указанных симметричных точках имеют одинаковое направление. Естественно, что это направление показано для некоторого момента времени.

Рис.1

На рис. 2. показаны диаграммы направленности симметричных вибраторов с разным соотношением L/l. Указанные фигуры представляют собой диаграммы направленности в плоскости, проходящей через ось вибратора. Пространственные диаграммы направленности представляют собой поверхности тел вращения, образуемых при вращении каждой кривой вокруг оси вибратора.

Рис. 2

Рассмотрение рис.3.2. показывает, что пока полная длина вибратора (2L) не превосходит длины волны (или точнее 1,25l), максимум диаграммы излучения получается в направлениях, перпендикулярных оси вибратора. При 2L<=l в диаграммах отсутствуют боковые лепестки. Когда L становится большим, чем l, в диаграмме появляются боковые лепестки, а уже при 2L=3/2l направления максимума диаграммы излучения получаются не в направлениях, перпендикулярных к оси вибратора, а под углом к ней, примерно равным 400. При значительном увеличении отношения l/L максимум диаграммы прижимается к оси провода. Излучение вдоль оси вибраторов отсутствует при любых длинах.На практике часто используются антенны, состоящие из большого числа идентичных вибраторов - многовибраторные антенны. Многовибраторная антенна представляет собой так называемую решетку излучателей. Решетки же из вибраторов (многоэтажная синфазная антенна и антенна "волновой канал") являются достаточно простыми. Существует большое разнообразие симметричных и несимметричных вибраторов и способов их питания.

Во всех случаях к вибраторам предъявляются требования: возможная простота конструкции и эксплуатации, высокий КПД, относительно широкая полоса пропускаемых частот, высокие пробивные электрические напряжения (для передающих антенн), устойчивый режим работы во времени).

Исходные данные:

e = 1,2 м

Сопротивление излучения рассчитываем по формуле:

где

, откуда

Нормированная диаграмма направленности антенны рассчитывается по формуле:

Где ,

- угол, отсчитываемый от оси вибратора.

Диаграмма направленности вибратора:

Задача №2: Диско-конусная антенна

Такая антенна является широкополосной и применяется в железнодорожных радиостанциях метровых и дециметровых диапазонов радиоволн. Диаметр питающего кабеля, включенного между конусом и диском, определяет диаметр площадки при вершине конуса. Чаще всего кабель проходит внутри трубы определенного диаметра.

Дискоконусная антенна представляет собой вертикальный вибратор, который охватывает широкую полосу частот благодаря своей особой форме. Как и любой вертикальный вибратор, она, являясь круговым горизонтальным излучателем, характеризуется круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости  и диаграммой полуволнового вибратора в виде восьмерки в вертикальной плоскости .

Дискоконусная антенна состоит из металлического конуса с диском на вершине. Ее относят к антеннам с верхним питанием, которые снабжены концевой емкостью в виде диска и конусообразным внешним проводником.

В своем исходном виде дискоконусные антенны применяются только в дециметровом диапазоне. Такая антенна является широкополосной и применяется в железнодорожных радиостанциях метровых и дециметровых диапазонов радиоволн. В дециметровом и метровом диапазонах дискоконусная антенна представляет жесткую конструкцию, где образующие выполнены в виде медных трубок определенного диаметра.

В диапазонах коротких волн используются преимущественно «скелетные» формы, когда металлические поверхности заменяются фигурами из металлических прутков, полос, трубок или проводов (рис. 3).

Тем самым обеспечивается существенное снижение веса и ветрового сопротивления антенны, а также затрат на ее изготовление без заметного ущерба для электрических свойств.

вибратор четвертьволновый штырь радиостанция

Рис.3 Дискоконусная антенна и ее разновидности: а - однородная; б - скелетная; в - смешанная

Для установления дальних радиосвязей в диапазонах 144- 146 Мгц и особенно на 420-425 Мгц необходимо сконцентрировать излучение электромагнитной энергии в виде узкого луча и направить его возможно ближе к горизонту. При этом также необходимо иметь возможность устанавливать радиосвязи с корреспондентами, находящимися в различных направлениях от радиостанции при неподвижной антенне. Для такого случая антенна должна иметь в вертикальной плоскости диаграмму направленности в виде вытянутой восьмерки, а в горизонтальной - в виде окружности. Подобную диаграмму можно получить при исполнении биконической антенны (рис. 2), представляющей собой два металлических конуса, к одному из которых присоединена средняя жила кабеля, а к другому - его оплетка. Недостатком такой антенны является необходимость симметричного возбуждения.

иc. 4

Широкополосная биконическая дискоконусная антенна (рис. 3), в которой роль верхнего конуса выполняет диск, не требует симметричного возбуждения.

При выбранных размерах антенны работу желательно вести в области наиболее низких рабочих частот, так как при повышении рабочей частоты угол между направлением максимального излучения и горизонтом увеличивается. Питание антенны производится кабелем с волновым сопротивлением порядка 60- 70 ом без согласующих устройств. Диск изолируется от конуса, который может быть заземлен. Для работы в диапазоне 38-40 Мгц конус и диск выполняются из штырей диаметром 3 - 5 мм. Максимальное расстояние между штырями не должно превышать 0,05L.

Puc. 5

Исходные данные:

Привести, кроме схематической конструкции, также диаграмму направленности дискоконусной антенны в плоскости оси антенны и в плоскости, перпендикулярной оси.

Приближенный расчет основных размеров такой антенны произвести последующим формулам.

1.      По заданной максимальной волне диапазона определяем длину образующей конуса:

2.      диаметр питающего кабеля, включенного между конусом и диском, определяет диаметр площадки при вершине конуса. Чаще всего кабель проходит внутри трубы определенного диаметра.

3.      По выбранному значению угла  и найденному значению l, определяем диаметр основания конуса:

Где  - диаметр площадки при вершине конуса.

Тогда

. Определяем диаметр диска:

. Зазор между диском и вершиной конуса равен:

На рис. 5. приведены диаграммы направленности для угла раскрытия 35°,60°,90°.

Рис. 6

Задача №3: Четвертьволновый штырь

Распространение тока и напряжения вдоль четвертьволнового штыря. Основным источником потерь у таких антенн являются токи в земле. Поэтому применяют противовесы (заземление) в виде пучка проводов закопанных в землю на глубину 20-40 см. Причем, чем меньше сопротивление заземления, тем больше КПД антенны.

Сопротивление излучения антенны связано с действующей высотой следующим образом:

R=1600 (

Входное сопротивление несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковых токах питания у первого напряжение питания в два раза меньше (рис.2).

Многих интересует, как влияет высота подъема штыря на его диаграмму направленности и зависит ли его сопротивление от высоты подвеса. В преддверии всего этого я познакомлю вас с важнейшим результатом (6). Он заключается в том, что распределение токов в штыре не зависит от высоты подвеса при наличии идеальной земли- системы противовесов.

Это очень важный результат. Практически это означает, что на какой бы высоте штырь вместе со своей системой “земли” ни находился, его сопротивление будет постоянным.

Но это частный случай более общего решения. Общий результат решения показывает, что если штырь настроен в резонанс, то его нижний конец можно заземлить. При этом его можно питать в любой точке.

На результатах этого важного вывода и созданы штыревые антенны (флаг-антенны, мачты-антенны), нижний конец которых соединен с “землей” и которые питаются через гамма-согласование или каким-либо другим способом, более удобным в данном случае.

Диаграммы направленности l /4-штыря приведены на рис.17. Из этого рисунка видно, что чем больше поднимается антенна, тем более пологий угол излучения к горизонту. Это объясняется тем, что происходит сложение излученной штырем волны и волны, отраженной от земли. Естественно, что если почва обладает плохими проводящими свойствами, то диаграмма направленности будет близка к диаграмме направленности штыря над землей.

Поднимать антенну на высоту более длины волны не имеет смысла, так как при этом уже не происходит уменьшения угла излучения, а только начинают дробиться верхние боковые лепестки. При поднятии на высоту штырей длиной более l /4 результат будет такой же. На рис.17 приведены диаграммы направленности штырей разной длины, размещенных над идеально проводящей землей (5). Следует запомнить еще одну интересную особенность штырей, высота которых равна l и более. Такие антенны в профессиональной связи используются как антифединговые (4). Для радиолюбителей это означает, что такая антенна будет принимать без проблем сигнал, приходящий с замираниями на l /4-штырь или четвертьволновой диполь.

Для успешной работы штыревая антенна должна быть согласована с линией питания и настроена в резонанс с излучаемым ей сигналом. Несмотря на все кажущееся многообразие согласующих устройств и штырей их можно разбить на три группы.

·   
штырь согласованный, электрическая длина которого равна l /4 (рис.19а)

·              штырь с электрической длиной больше l /4 (рис.19б) (эту “лишнюю” длину убирают с помощью емкости);

·              штырь с электрической длиной меньше l /4 (рис.19в) (“недостающую” длину добавляют катушкой индуктивности).

Для практики необходимо помнить, что конденсатор и катушка должны иметь максимально возможную добротность, а также, желательно, чтобы ТКЕ и ТКИ были как можно лучше. Обычно емкость укорачивающего конденсатора может быть в пределах 100 пФ на 28-18 и более на НЧ-диапазонах. Параметры удлиняющей катушки - единицы мкГн - до 21 МГц, десятки - до 3,5 МГц. Точно определить теоретическое их значение трудно, так как в этом случае происходит влияние коэффициента укорочения вибратора, торцевых емкостей на землю и массы других параметров. Вследствие этого согласующие реактивности часто подбирают экспериментально. Однако желающие могут воспользоваться работами (3,7,8) для определения точного теоретического значения удлиняющих и укорачивающих реактивностей.

В заключение следует отметить, что подобная практика согласования применима и к штырям длиной, кратной l /4.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1)    Фрадин А. З. «Антенно-фидерные устройства», Связь - М., 1977

2)      Михеев А. И. «Каналообразующие устройства. Часть 2», Хабаровск, ДВГУПС, 1995

)        Марков Г. Т., Сазонов Д. М. «Антенны», Энергия - М., 1975

4)    Г.З. Айзенберг. Коротковолновые антенны. М. Радио и связь, 1985.

5)      Г.И. Атабеков и др. Теоретические основы электротехники. М. 1979.