Антенные устройства играют важную роль в современной радиосвязи, так как
основным признаком радио является наличие передатчика или приемника для
радиоволн.
Требования, предъявляемые к антенне, отличаются в зависимости от
назначения радиостанции. В случае работы радиовещательной станции,
обслуживающей определенный район, в центре которого она расположена, передающая
антенна, как правило, должна создавать равномерное излучение во все стороны, то
есть должна быть не направленной в горизонтальной плоскости. С другой стороны,
антенна, например, радиолокационной станции, должна концентрировать излучение в
малом телесном угле, должна быть остронаправленной. К приемной антенне часто
предъявляются также требование направленного действия. Пространственная
избирательность приемной антенны наряду с частотной избирательностью и
применением специальных фильтров в радиоприемнике является действенным
средством борьбы с внешними помехами, естественными и искусственными. Следовательно,
наряду с требованием эффективного излучения или приема радиоволн к антенне
предъявляется требование определенного распределения в пространстве потока
мощности излучаемых волн.
Антенны можно классифицировать по различным признакам. Характеристики
передающих и приемных антенн обладают определенной связью. Одна и та же антенна
может использоваться как передающая, так и принимающая, поэтому, основное
внимание уделяется изучению теории передающих антенн. Часто принято
классифицировать антенны по диапазонам волн. Для коротких и более длинных волн
характерным является применение антенн из проводов сравнительно небольшого
поперечного сечения (линейных проводников). Для дециметровых и более коротких
волн применяются антенны, у которых токи протекают по проводящим поверхностям,
имеющим большие размеры по сравнению с длинной волны.
Расчет конструктивных параметров антенны.
По существующим формулам вычисляем
высоту подвеса антенны:
Величина половины тупого угла
ромба:
Половина острова угла ромба:
Оптимальное значение длины стороны ромба:
.
Длина стороны ромба из
конструктивных соображений не должна быть больше 150 м. Условие выполнено.
Расчет электрических параметров.
Далее определяем волновое сопротивление
ромбической антенны:
Расстояние между расходящимися по
высоте проводами ромба у тупого угла (S) = 1.4
Волновое сопротивление равно:
Сопротивление излучения антенны
находится:
Для минимальной длины волны 
:
где волновое число k = 0,7
Для средней длины волны 
:
где волновое число k = 0,35
Для максимальной длины волны 
где k=0,175
Максимальный коэффициент усиления
рассчитывается по формуле:
Коэффициент полезного действия:
Для 
:
Для 
:
Для 
:
Коэффициент направленного
действия рассчитывается по формуле:
Для минимальной длины волны:
.
Для средней длины волны:
.
Для максимальной длины волны:
.
Коэффициент усиления G рассчитывается по формуле:
Расчет диаграмм направленности антенны.
Для
выполнения расчета диаграмм направленности в вертикальной и горизонтальной
плоскостях была использована программа Mathcad.
Расчет
диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.
Выражение
для определения диаграммы имеет следующий вид:
Графически
диаграмма направленности в вертикальной плоскости изображена на рисунках 7 (в декартовой
системе координат) и 8 (в полярной системе координат), при длине волны = 18 м.
Рисунок 1 –
Диаграммы направленности
1 – в вертикальной плоскости (декартовая система
координат), рабочая длина волны, равна 18 м
2 – в вертикальной плоскости (полярная система координат), рабочая длина волны,
равна 18 м
3 – ДН в вертикальной. плоскости при минимальной длине волны = 9 м (декартовая)
4 – ДН в вертикальной плоскости при
минимальной длине волны = 9 м (полярная)
Рисунок 2 – Диаграммы направленности
1 – вертикальная плоскость при максимальной длине волны = 36 м (декартовая)
2 – вертикальная
плоскость при максимальной длине волны = 36 м (полярная)
Расчет
диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости.
Выражение
для определения диаграммы имеет следующий вид:
Графически
диаграмма направленности в горизонтальной плоскости изображена на рисунках 9 (в
декартовой системе координат) и 10 (в полярной системе координат).
Рисунок 3 – Диаграммы направленности
1 – горизонтальная плоскость при
рабочей длине волны = 18 м (декартовая)
2 – горизонтальная плоскость при рабочей
длине волны = 18 м (декартовая)
3 – горизонтальная плоскость при минимальной
длине волны = 9 м (декартовая)
4 – горизонтальная плоскость при минимально длине волны = 9 м (полярная)
Рисунок 4 – Диаграммы направленности
1 – горизонтальная плоскость при максимальной длине волны = 36 м
(декартовая)
2 – горизонтальная плоскость при максимальной длине волны = 36 м
(декартовая)
Для
двойной ромбической антенны диаграмма направленности в горизонтальной плоскости
рассчитывается по формуле:
.
Рисунок 5 – Диаграммы направленности
1 – двойная ромбическая антенна в декартовой системе координат при
рабочей длине волны = 18 м
2 – двойная ромбическая антенна в полярной системе координат при рабочей
длине волны = 18 м
3 – двойная ромбическая антенна в декартовой системе координат при
минимальной длине волны = 9 м
4 – двойная ромбическая антенна в полярной системе координат при
минимальной длине волны = 9 м
|
|
Рисунок 6 – Диаграммы направленности
1 – двойная ромбическая антенна в декартовой системе координат при
максимальной длине волны = 36 м
2 – двойная ромбическая антенна в полярной системе координат при
максимальной длине волны = 36 м
Диаграмма
направленности в вертикальной плоскости у двойной ромбической антенны такая же,
как у одиночной ромбической антенны. В горизонтальной плоскости у этих антенн
уровень бокового излучения существенно уменьшается за счет интерференции полей,
создаваемых обоими ромбами.
Расчет
ширины диаграммы направленности:
Ширину
диаграмм направленности по нулевому излучению в вертикальной 2D0
плоскости можно рассчитать по формуле:
Ширина диаграммы направленности по нулевому излучению в
вертикальной плоскости равна:
Ширину
диаграмм направленности по нулевому излучению в горизонтальной 2j0 плоскости можно рассчитать по
формуле:
Расчет линии нагрузки и подбор фидера.
Нагрузка
выполнена в виде двухпроводной линии с волновым сопротивлением, равным
волновому сопротивлению ромбической антенны. Поглощающая линия выполняется из
фехралевого провода диаметром 2мм. Длина поглощающей линии и погонное
сопротивление определены для максимальной длины волны рабочего диапазона.
Длина
линии:
Здесь
—
погонное сопротивление; r – радиус провода линии, мм; μ – относительная
магнитная проницаемость провода; p – удельное сопротивление провода,
Ом·м; λmax – максимальная длина волны рабочего диапазона.
Для
фехраля:
μ=80
Подбор
фидера:
Для фидера была выбрана двухпроводная
коаксиальная линия, состоящая из двух коаксиальных проводов диаметром d=0.5 мм расположенных друг от друга на расстоянии h. Так как требуется согласовать фидер с волновым
сопротивлением антенны, то входное сопротивление фидера равно волновому
сопротивлению антенны.
h можно найти из
формулы:
h=91 см.
Приведенные диаграммы
направленности, а также другие расчеты и измерения показывают, что характерным
для ромбической антенны является наличие в ее диаграмме значительных боковых
лепестков. В этом отношении она уступает остронаправленным настроенным антеннам.
Ромбическая антенна обладает
большими достоинствами, к которым относятся: значительная диапазонность;
легкость согласования с двухпроводным фидером, имеющим волновое сопротивление
около 740 Ом и, как следствие, легкость настройки выходной ступени передатчика;
простота конструкции и эксплуатации.
Рассмотренная антенна обладает
недостатками связанные со значительными боковыми лепестками, однако они
компенсируются усложнением конструкции. А именно добавлением еще одной
ромбической антенны поверх исходной с небольшим смещением по горизонтали.
Полученная двойная ромбическая антенна, обладает гораздо меньшими боковыми
лепестками в азимутальной плоскости, в сравнении с обычной. Данный вывод
подтверждают графики. Анализ показал, что данная антенна сохраняет свои
направленные свойства в широком диапазоне длин волн.
Антенна обладает следующими
параметрами: коэффициент направленного действия для минимальной длины волны
равен 77,1; для средней длины волны равен 82,3; для максимальной длины волны
равен 91. Ширина ДН в вертикальной плоскости равна 26 градусов, а в горизонтальной
плоскости равна 24 градусов. Работает в диапазоне частот 30 : 300 МГц.
По указанным причинам ромбические
антенны находят широкое применение в коротковолновых стационарных радиоцентрах
как для передачи, так и для приема.
Список литературы.
1.
Айзенберг Г. З. и др.
Коротковолновые антенны. – М.: Радио и связь, 1985
2.
Чернышов В. П. Распространение
радиоволн и антенно-фидерные устройства. Задачи и упражнения. – М.: Радио и
связь, 1982.
3.
Уколова Г.Г. Антенно-фидерные
устройства: Метод. указания.- Владивосток, 2004.
4.
Кочержевский Г.Н. и др.
Антенно-фидерные устройства. – М.: Радио и связь, 1989. – 351с.
5.
Кочержевский Г. Н.
Антенно-фидерные устройства. – М.: Связь, 1972. -472 с.
6.
Фрадин А. З. Антенно-фидерные
устройства.- М.; Связь, 1977. – 440 с.
7.
Азенберг Г. З. и др. Антенны УКВ.
Ч. 1,2. –М.: Связь, 1977. – 288 с.
8.
Л. В. Бондаренко – Антенны и
фидеры: учебно-методическое пособие
