Расчет антенны

Раздел 1

Введение

Задание на курсовую работу по дисциплине "Антенны и устройства СВЧ":

Номер варианта согласно номеру зачётной книжки студента: 11

Тип проектируемой антенны согласно варианта: Широкополосный симметричный вибратор (диполь С. И. Надененко).

Данные для расчёта широкополосного симметричного вибратора:

Диапазон рабочих волн:

м

м

Излучаемая мощность:

Вт

Протяжённость радиолинии:

км

Фидер: двухпроводный.

Область применения диполя С. И. Надененко:

Диполь Надененко - антенна дипольного типа (широкополосный вибратор) предназначена для приема и передачи радиосигнала на частоте 1,5 - 30 МГц.

Область применения антенны - радиолюбительские системы радиосвязи.

Применение современных широкополосных согласующе-симметрирующих трансформаторов позволяет согласовывать диполь Надененко с коаксиальной линией в широком диапазоне частот. Так как эта антенна имеет горизонтальную поляризацию и является симметричной, то КПД ее стремится к 100%, что выгодно отличает ее от известных широкополосных вертикальных антенных систем.

Для расширения полосы пропускания дипольной антенны С. Надененко увеличил диаметр излучающих элементов полотна антенны, что приводит к снижению добротности колебательной системы и расширению полосы пропускания антенны. Входное сопротивление такой антенны колеблется от 200 до 300 ом. и для питания антенны использовалась двух проводная или четырех проводная симметричные линии . Для трансформации входного сопротивления применяется трансформатор на двух ферритовых кольцах диаметром 32мм. (до 300Вт.) и бинокулярного типа на десяти кольцах (1кВт.)

Дополнительные изменения в конструкции антенны диполь Надененко +:

Уменьшили количество проводников с шести до трех в полотне антенны, что позволяет, при сохранение прежнего объема (в электродинамическом смысле), уменьшить вес и ветровое сопротивление антенны.

Кроме этого, взамен полевого провода, применен оцинкованный канат диаметром 2.5 мм., что при сохранении прежней цены позволило увеличить прочность и долговечность антенны.

При монтаже такой антенны нужно стремиться поднять ее центр на максимальную высоту. Положение концов вибратора не столь критично к земле. Кабель питания, особенно вблизи антенны, нужно стремиться прокладывать перпендикулярно полотну антенны. Такая антенна не требует настройки и КСВ менее 2-х получается на частотах от 1,7 до 29 МГц.

Раздел 2. Облучатель антенны

Производим расчёт геометрических размеров и электрических параметров антенны:

1. Для заданной протяжённости радиолинии R определяем угол скольжения Δ0 (угол наклона ДНА над горизонтом) из графика на рисунке 1, где H - высота ионизированного слоя.

2. Вычисляем высоту подвеса над Землёй (для среднего значения рабочей длины волны):

м.

м.

3. По заданному рабочему диапазону волн находим длину плеча вибратора. Значение длины плеча должно удовлетворять неравенству:

0,25 < l <0,65

Исходя из условий удовлетворения данного неравенства выбираем длину плеча:

м.

4. Строим эскиз конструкции антенны: смотри приложение 2.

Радиус цилиндрической поверхности вибратора rц выбираем в пределах 0,25 ... 0,75 м, а число проводов n = 6 ... 8.

В данном случае:

м

Эквивалентный радиус вибратора rэ , то есть радиус вибратора, выполненного из металлического цилиндра и имеющего такое же волновое сопротивление, как и рассматриваемый вибратор, рассчитываем по формуле (где - радиус проводов, из которых выполнен вибратор):

м.

5. Определяем волновое сопротивление диполя (без учёта наведённых сопротивлений):

Ом.

6. Для трёх длин волн , , находим сопротивления излучения вибраторов RΣ и реактивные сопротивления XΡ c учётом влияния Земли.

Значения и находим из графиков на рисунках 2, 3, 4; значения находим из графиков на рисунках 5, 6, 7.

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом.

Значения находим из графика на рисунке 8, 9,10; значения находим из графика на рисунке 11,12,13:

k*l - произведение волнового числа k на длину плеча вибратора l; k=(2*Пи/лямбда), поэтому произведение k*l будет иметь размерность [радианы], которые можно перевести в градусы.

k*d - тоже самое, d - расстояние между вибратором и его зеркальным отображением (d=2H):

м.

Ом.

Ом.

Ом.

Ом.

Ом.

Ом.

Сопротивления излучения вибраторов:

Ом.

Ом.

Ом.

Реактивные сопротивления XΡ c учётом влияния Земли:

Ом.

Ом.

Ом.

7. Рассчитываем входное сопротивление диполя для трёх длин волн

, , :

Ом.

Ом.

Ом.

Полученные значения позволяют оценить рассогласование фильтра с антенной в рабочем диапазоне длин волн.

8. Выбираем фидерную линию.

Тип фидера проектируемой антенны открытый, симметричный, двухпроводный (рисунок 14). Волновое сопротивление фидера Wф выбирается по известному входному сопротивлению антенны на рабочей частоте, то есть:

Wф = Rвх (λср).

Для передающих антенн фидер выполняется из проводов диаметром 3 ... 6 мм, расстояние между проводами обычно составляет 225 ... 450 мм.

В данном случае фидер выполнен из:

провода диаметром d = 2a = 6 мм, то есть: мм.

расстояние между проводами: мм.

Волновое сопротивление двухпроводной линии определяется по формуле:

Ом.

9. Рассчитываем модуль коэффициента отражения для волн , , :

10. Рассчитываем модуль коэффициента бегущей волны на этих же длинах волн:

Согласование считается удовлетворительным, если КБВ в рабочем диапазоне не хуже 0,3 ... 0,5.

В данном случае согласование составило 0,22.

11. Рассчитываем КПД линии передачи:

В формуле:

,

где ; d - диаметр провода в см, см; λ - длина волны в метрах,

м; γ - удельная объёмная проводимость провода, для медного провода См/м;

дБ/м, так как значение α подставляется в формулу в Нп/м, то переведём α из дБ/м в Нп/м:

дБ/м = 8,69α Нп/м, значит Нп/м.

12. Определяем максимальная напряжённость электрического поля около проводов вибратора:

, где:

- мощность излучения в Ваттах; Вт; d - диаметр провода в см, м.

В/м.

Допустимой является величина порядка (6 ... 8)*105 В/м.

13. Уточняем максимально допустимую мощность, пропускаемой фидером:

м - радиус проводов фидера:

Вт.

14. Рассчитываем диаграмму направленности антенны:

ДНА принято оценивать в трёх плоскостях: для двух вертикальных (при и при ) и горизонтальной.

Диаграмму направленности в горизонтальной плоскости рассчитываем по формуле:

Диаграмму направленности в вертикальной плоскости, перпендикулярной оси вибратора при (Н-плоскость), рассчитываем по формуле:

,

где отсчёт Δ ведётся от поверхности Земли.

Для определения нулевых направлений излучения воспользуемся соотношением:

, где p = 0, 1, 2, ...

Диаграмму направленности в вертикальной плоскости, проходящей через ось вибратора при (Е-плоскость), рассчитываем по формуле:

15. Рассчитываем коэффициент направленного действия антенны D0 в направлении максимального излучения (при идеально проводящей поверхности Земли) на λср:

16. Определяем КПД антенно-фидерной системы.

КПД антенны ηа отлично от единицы в основном за счёт потерь в Земле. При хорошо развитом заземлении .

Общий КПД антенно-фидерной системы равен:

Приложение 1