к какой категории антенн относится стержневая антенна

Диэлектрическая стержневая антенна

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТЕРЖНЕВАЯ АНТЕННА

Диэлектрические стержневые антенны относятся к классу антенн поверхностных волн. Они находят применение в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Один стержень позволяет получить диаграмму направленности шириной . Для получения узких диаграмм направленности () стержневые диэлектрические антенны можно соединять в решетки.

Исходными данными для расчета основных параметров диэлектрической антенны являются: диапазон рабочих частот , ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности , мощность излучения , тип диэлектрика или величина диэлектрической проницаемости материала антенны.

Порядок расчета размеров и параметров антенны.

1. Выбирается тип диэлектрика.

В качестве материала для изготовления диэлектрического стержня используются, как правило, материалы типа полистирола и фторопласта ( ).

2. Определяются максимальный и минимальный диаметры конического стержня.

, (П6.1)

. (П6.2)

3. Определяется коэффициент замедления фазовой скорости волны в диэлектрическом стержне.

4. Находится длина стержня антенны.

Длина диэлектрического стержня выбирается исходя из заданной ширины диаграммы направленности антенны. Можно считать, что ширина диаграммы направленности определяется выражением

, (П6.3)

С другой стороны, максимальный коэффициент направленного действия антенны достигается при длине стержня, равной

. (П6.4)

Из выражения (П6.3) с учетом (П6.4) выбирается длина стержня диэлектрической антенны.

5. Рассчитывается КНД антенны

. (П6.5)

6. Рассчитывается диаграмма направленности антенны.

Расчет диаграммы направленности конической диэлектрической стержневой антенны ведется так же, как и для цилиндрической антенны среднего диаметра dср. Выражение для расчета диаграммы направленности имеет такой же вид, как и для линейной антенны бегущей волны с непрерывным распределением излучающих элементов. Характеристику направленности можно рассчитать по формуле

. (П6.6)

Если рассчитывается антенная решетка, состоящая из N элементов, то диаграмма направленности антенной системы определяется выражением

, (П6.7)

где — нормированный дифракционный множитель решетки.

Для синфазной решетки

, (П6.8)

7. Разрабатывается согласующее устройство.

Для согласования волнового сопротивления коаксиального кабеля WФ с входным сопротивлением антенны необходимо найти нужную величину действующей высоты возбудителя (штыря) hД, при которой RВХ = WФ.

Расстояние от стенки Z1, выбирается равным , где — длина волны в волноводе с волной типа Н11 при наличии диэлектрика

, (П6.9)

а волновое сопротивление круглого волновода, заполненного диэлектриком для волны Н11, равно

. (П6.10)

Действующая высота штыря может быть найдена из выражения

, (П6.11)

а его геометрическая высота из соотношения

. (П6.12)

, (П6.13)

где .

Может оказаться, что под корнем будет отрицательное число, а это означает, что волна Е01 находится в докритическом режиме и не затухает. В этом случае надо исключить возможность ее возбуждения и выбрать длину равную 0,75dмакс. При этом закритическое затухание необходимо обеспечить для следующей волны высшего типа Н21 с .

8. Рассчитывается максимальное напряжение в фидере.

При выборе коаксиального кабеля следует руководствоваться не только минимальной величиной его коэффициента затухания на максимальной рабочей частоте, но и надежностью работы с точки зрения электрического пробоя. С этой целью производится проверка кабеля по максимально допустимому напряжению.

. (П 6.14)

9. Рассчитывается КПД фидерной линии.

. (П6.15)

Значение коэффициента затухания подставляются в Нп/м, а модуль коэффициента отражения для волны НЕ11 может быть оценен по формуле

, (П6.16)

10. Рассчитывается КПД антенно-фидерного устройства.

, (П6.17)

11. Разрабатывается конструкция антенны.

Источник

Теория радиоволн: антенны

Помимо свойств радиоволн, необходимо тщательно подбирать антенны, для достижения максимальных показателей при приеме/передаче сигнала.
Давайте ближе познакомимся с различными типами антенн и их предназначением.

Антенны — преобразуют энергию высокочастотного колебания от передатчика в электромагнитную волну, способную распространяться в пространстве. Или в случае приема, производит обратное преобразование — электромагнитную волну, в ВЧ колебания.

Диаграмма направленности — графическое представление коэффициента усиления антенны, в зависимости от ориентации антенны в пространстве.

Антенны

Симметричный вибратор

В простейшем случае состоит из двух токопроводящих отрезков, каждый из которых равен 1/4 длины волны.

Широко применяется для приема телевизионных передач, как самостоятельно, так и в составе комбинированных антенн.
Так, к примеру, если диапазон метровых волн телепередач проходит через отметку 200 МГц, то длина волны будет равна 1,5 м.
Каждый отрезок симметричного вибратора будет равен 0,375 метра.

Диаграмма направленности симметричного вибратора

В идеальных условиях, диаграмма направленности горизонтальной плоскости, представляет собой вытянутую восьмерку, расположенную перпендикулярно антенне. В вертикальной плоскости, диаграмма представляет собой окружность.
В реальных условиях, на горизонтальной диаграмме присутствуют четыре небольших лепестка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу.
Из диаграммы можем сделать вывод о том, как располагать антенну, для достижения максимального усиления.

В случае не правильно подобранной длины вибратора, диаграмма направленности примет следующий вид:

Основное применение, в диапазонах коротких, метровых и дециметровых волн.

Несимметричный вибратор

Или попросту штыревая антенна, представляет из себя «половину» симметричного вибратора, установленного вертикально.
В качестве длины вибратора, применяют 1, 1/2 или 1/4 длины волны.

Диаграмма направленности следующая:

Представляет собой рассеченную вдоль «восьмерку». За счет того, что вторая половина «восьмерки» поглощается землей, коэффициент направленного действия у несимметричного вибратора в два раза больше, чем у симметричного, за счет того, что вся мощность излучается в более узком направлении.
Основное применение, в диапазонах ДВ, КВ, СВ, активно устанавливаются в качестве антенн на транспорте.

Наклонная V-образная

Конструкция не жесткая, собирается путем растягивания токопроводящих элемементов на кольях.
Имеет смещение диаграммы направленности в стороны противоположную острию буквы V

Применяется для связи в КВ диапазоне. Является штатной антенной военных радиостанций.

Антенна бегущей волны

Также имеет название — антенна наклонный луч.

Представляет из себя наклонную растяжку, длина которой в несколько раз больше длины волны. Высота подвеса антенны от 1 до 5 метров, в зависимости от диапазона работы.
Диаграмма направленности имеет ярко выраженный направленный лепесток, что говорит о хорошем усилении антенны.

Широко применяется в военных радиостанциях в КВ диапазоне.
В развернутом и свернутом состоянии выглядит так:

Антенна волновой канал

Здесь: 1 — фидер, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — активный вибратор.

Антенна с параллельными вибраторами и директорами, близкими к 0,5 длины волны, расположенными вдоль линии максимального излучения. Вибратор — активный, к нему подводятся ВЧ колебания, в директорах, наводятся ВЧ токи за счет поглощения ЭМ волны. Расстояние между рифлектором и директорами подпирается таким образом, чтобы при совпадении фаз ВЧ токов образовывался эффект бегущей волны.

За счет такой конструкции, антенна имеет явную направленность:

Рамочная антенна

Применяется для приема ТВ программ дециметрового диапазона.

Как разновидность — рамочная антенна с рефлектором:

Логопериодическая антенна

Свойства усиления большинства антенн сильно меняются в зависимости от длины волны. Одной из антенн, с постоянной диаграммой направленности на разных частотах, является ЛПА.

Отношение максимальной к минимальной длине волн для таких антенн превышает 10 — это довольно высокий коэффициент.
Такой эффект достигается применением разных по длине вибраторов, закрепленных на параллельных несущих.
Диаграмма направленности следующая:

Активно применяется в сотовой связи при строительстве репитеров, используя способность антенн, принимать сигналы сразу в нескольких частотных диапазонах: 900, 1800 и 2100 МГц.

Поляризация

Поляризация — это направленность вектора электрической составляющей электромагнитной волны в пространстве.
Различают: вертикальную, горизонтальную и круговую поляризацию.

Поляризация зависит от типа антенны и ее расположения.
К примеру, вертикально расположенный несимметричный вибратор, дает вертикальную поляризацию, а горизонтально расположенный — горизонтальную.

Антенны горизонтальной поляризации дают больший эффект, т.к. природные и индустриальные помехи, имеют в основном вертикальную поляризацию.
Горизонтально поляризованные волны, отражаются от препятствий менее интенсивно, чем вертикально.
При распространении вертикально поляризованных волн, земная поверхность поглощает на 25% меньше их энергии.

При прохождении ионосферы, происходит вращение плоскости поляризации, как следствие, на приемной стороне не совпадает вектор поляризации и КПД приемной части падает. Для решения проблемы, применяют круговую поляризацию.

Все эти факторы факторы следует учитывать при расчете радиолиний с максимальной эффективностью.

Источник

Виды антенн. Характеристики антенн.

Антенны представляют собой конструкцию из токопроводящих элементов, размеры и конфигурация которых определяют эффективность преобразования радиосигналов в электрические. Для обеспечения эффективного излучения и приема в широком диапазоне используемых радиочастот создано большое количество видов и типов антенн, классификация которых представлена на рис. 3.9.

Назначение передающих и приемных антенны ясно из их наименований. По своим основным электрическим параметрам они не отличаются. Многие из них в зависимости от схемы подключения (к передатчику или приемнику) могут использоваться как передающие или приемные. Однако если к передающей антенне подводится большая мощность, то в ней принимаются специальные меры по предотвращению пробоя между элементами антенны, находящихся под более высоким напряжением.

Эффективность антенн зависит от согласования размеров элементов антенны с длинами излучаемых или принимаемых волн. Минимальная длина согласованной с длиной волны электромагнитного колебания штыревой антенны близка к L/4, гдеL- длина рабочей волны. Размеры и конструкция антенн отличаются как для различных диапазонов частот, так и внутри диапазонов.

Если для стационарных антенн требование к геометрическим размерам антенны может быть достаточно просто выполнено для коротких и ультракоротких волн, то для антенн, устанавливаемых на мобильных средствах, оно неприемлемо. Например, рациональная длина антенны для обеспечения связи на частоте 30 МГц составляет 2.5 м, что неудобно для пользователя. Поэтому применяют укороченные антенны, но при этом уменьшается их эффективность.

По конструкции антенны разделяются на проволочные (вибраторные), рупорные, параболические, рамочные, спиральные, антенные решетки и различные их комбинации.

Возможности антенн как приемных, так и передающих определяются следующими характеристиками:

· коэффициентом полезного действия;

· коэффициентом направленного действия;

Диаграмма направленности представляет собой графическое изображение уровня излучаемого и принимаемого сигнала от угла поворота антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Диаграммы изображаются в прямоугольных и полярных координатах (см. рис. 3.10).

Диаграммы направленности могут иметь разнообразный и изрезанный характер, определяемый механической конструкцией и электрическими параметрами. Лепесток диаграммы направленности с максимумом мощности излучаемого или принимаемого электромагнитного поля называется главным или основным лепестком, остальные боковыми и задними. Соотношение между величинами мощности основного лепестка по сравнению с остальными характеризует направленные свойства антенны. Ширина главного лепестка диаграммы измеряется углом между прямыми, проведенными из начала полярных координат до значений диаграммы, соответствующих половине максимальной мощности излучения или 0.7 напряжения электрического сигнала приемной антенны. Чем уже ширина диаграммы направленности антенны, тем выше ее коэффициент направленного действия.

Коэффициент направленного действия (КНД) определяет величину энергетического выигрыша, который обеспечивает направленная антенна по сравнению с ненаправленной.

Потери электрической энергии в антенне оцениваются коэффициентом полезного действия (КПД), равного отношению мощности сигнала на выходе реальной антенны к мощности сигнала идеальной антенны без потерь.

Произведение этих двух коэффициентов определяет коэффициент усиления антенны (КУ).

Полоса частот, в пределах которых сохраняются заданные технические характеристики антенны, называется полосой ее пропускания.

Создание антенн с высоким коэффициентом усиления и широкой полосой пропускания представляет основную проблему в области конструирования антенн. Чем выше КУ, тем труднее обеспечить широкополосность антенны. В зависимости от полосы пропускания антенны разделяются на узкополосные, широкополосные, диапазонные и широкодиапазонные.

Узкополосные антенны обеспечивают прием сигналов в диапазоне 10% от основной частоты. У широкополосных антенн эта величина увеличивается до (10-50)%, у диапазонных антенн коэффициент перекрытия (отношение верхней частоты полосы пропускания антенны к нижней) составляет 1.5-4, а у широкодиапазонных антенн это отношение достигает значений в интервале 4-20 и более.

Совокупность однотипных антенн, расположенных определенным образом в пространстве, образуют антенную решетку. Сигнал антенной решетки соответствует сумме сигналов от отдельных антенн. Различают линейные (одномерные) и плоские (двухмерные) антенные решетки. Антенные решетки, у которых можно регулировать фазы сигналов отдельных антенн, называют фазированными антенными решетками. Путем изменения фаз суммируемых сигналов можно менять диаграмму направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях и производить быстрый поиск сигнала по пространству и ориентацию антенны на источник излучения.

Телевизионная комнатная антенна дециметрового диапазона в виде рамки.

· Симметричный вибратор (диполь) [14]

· Разрезной вибратор [15]

· Шунтовой вибратор [16]

· Петлевой вибратор («Петлевой вибратор Пистолькорса», шлейф-вибратор) [17]

· Диполь Надененко [18]

· Уголковая вибраторная антенна [19]

· Антенна «Inverted V» [20]

· «Коаксиальная» антенна [21]

· Несимметричный вибратор [23]

· Антенна «Ground Plane» [24]

· Укороченная штыревая антенна [25]

· Коллинеарная антенна [26]

· J-образная антенна [27] [28]

· Антенна зенитного излучения

· Диэлектрическая резонаторная антенна [29] [30]

· Вертикальная антенна верхнего питания

· Антенна Александерсена [31]

· Директорная антенна [32]

· Волновой канал (антенна Уда-Яги)

· Антенна СГД (синфазная горизонтальная диапазонная) [33]

· Щелевой вибратор [34]

· Пазовая антенна [35]

· Апертурная антенна [36]

· Открытый конец металлического волновода

· Прямофокусная зеркальная антенна

· Офсетная зеркальная антенна [37]

· Антенна Кассегрена [38]

· Антенна Грегори [39]

· Антенны со специальной формой диаграммы направленности

· Антенна с косекансной диаграммой направленности [40]

· Антенна бегущей волны

· Спиральная антенна [42]

· Диэлектрическая стержневая антенна

· Антенна вытекающей волны

· V-образная антенна [43]

· Ромбическая антенна [44]

· Антенна Бевереджа [45]

· V-образная антенна (вертикальная) [46]

· λ-образная антенна [47]

· Антенны БС, БЕ и БИ [48]

· Слабонаправленные антенны диапазона СВЧ

· Полосковая антенна (патч-антенна)

· Микрополосковая печатная антенна [49]

· Антенна PIFA [50] [51]

· Сингулярная антенна [52]

· Антенны на принципе электродинамического подобия

· Излучатель типа «бабочка»

· Логопериодическая антенна [54]

· Вибраторная логопериодическая антенна

· Спиральная логопериодическая антенна

· Фрактальная антенна [55] [56] [57]

· Антенная решетка [58]

· Фазированная антенная решётка (ФАР)

· Цифровая ФАР [57] [59]

· Многолучевая антенная решетка

· Рамочная антенна [61]

· Двухрамочная антенна [62]

· Антенна Вулленвебера [64]

· Антенна с обработкой сигнала

· Антенна с синтезированной апертурой [65]

· Радиооптическая антенная решетка [66]

· Антенны с линейными размерами [67]

· Антенны для преобразования энергии электромагнитной волны в электрическую энергию и для средств RFID

· Ректенна = антенна + выпрямитель

· Наноантенна — антенна для резонансного преобразования излучения оптического диапазона в электрическую энергию [68] [69]

· Псевдо-антенны (антенны с мифическими техническими характеристиками)

· EH-антенна (шутливо называемая «НЕ-антенна» из-за ошибочного обоснования механизма работы) [70] [71]

Рис. 3. Диаграмма направленности антенны

— способность радиоволн преломляться и отражаться рис.4.

Рис. 4. Отражение радиоволн

При прохождении границ физических сред радиоволны претерпевают отражение и преломление.

— эффект Доплера (рис.5)

Если между источником радиоизлучения и приемником есть взаимное изменения расстояния то частота принимаемых колебаний будет отличаться от частоты излучаемых колебаний. Эту разницу называют доплеровским сдвигом частот, и он пропорционален радиальной составляющей скорости изменения расстояния, которая равна проекции вектора скорости на направление излучения.

(Изменение частоты (f) при движении ВС)

r(t)

Рис. 5. Эффект Доплера

Если = 0, то f_прм = f_изл, при 0 f_прм ≠ f_изл.

Дата добавления: 2019-07-26 ; просмотров: 11623 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник