Характеристики антенн

 

БАЛТИЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. УСТИНОВА

_____________________________________________________

Кафедра наноэлектроники  и нанофотоники (Н5)

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по предмету: «Линии передач  лучевой энергии»

 

на тему «Характеристики антенн»

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы И601

З.А.Гузев

 

Преподаватель:

профессор Д.Ю. Иванов

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

Содержание:

 

Введение……………………………………………………………………………………...3

1.Понятие антенны и фидера……………………………………………………………......4

2. Основные параметры антенн……………………………………………………………..4

2.1. Основные параметры передающих антенн....………………………………....4

2.2. Основные параметры приемных антенн…………………………………........9

3. Классификация и диапазон антенн…………………………………………………......10

3.1.Диапазонная  классификация антенн………………………………………….10

3.2.Диапазоны  антенн……………………………………………………………...10

4. Фидеры передающих и принимающих антенн………………………………………..11

4.1 Условная классификация конструкций фидеров…………………………….11

4.2 Требования, предъявляемые к фидерам и некоторые их параметры………11

 Заключение………………………………………………………………………………...13

 Использованная  литература и ссылки на источники…………………………………...14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Более 100 лет  назад в одной из лабораторий  Кронштадтской минной школы Александр Степанович Попов проводил свои эксперименты по увеличению радиуса действия первого радиоприемника. Все дальше и дальше относили приемник от передатчика, но звонок, который отмечал радиосигналы, исправно звонил. Наконец, приемник был поставлен в самую дальнюю комнату, и звонок замолк. Приемник молчал несмотря на все попытки изобретателя «оживить» его. Но однажды, когда приемник был переставлен на другой стол, возле которого шла проволока из лаборатории, где был установлен передатчик, звонок вдруг зазвонил. Александр Степанович попробовал подключить к приемнику кусок провода, и он стал работать более устойчиво. Тогда приемник с подключенным к нему проводом был вынесен в сад, но там его действие не прекратилось. Так была создана антенна – один из самых важных компонентов всех систем коммуникаций, радиовещания и телевидения.

Появление антенн ознаменовало переход человечества в новую эру – эру теле–  и радиокоммуникаций, мобильной связи и Интернета. С тех пор было создано очень много антенн разнообразных конструкций, в соответствии с их назначением. В настоящее время усовершенствование старых конструкций антенн и создание новых все еще продолжается, поскольку информационные потребности человечества возрастают, и необходимость удовлетворять их не угасает.

Сегодня, несмотря на значительный прогресс в развитии антенн телевизионного вещания, проблема индивидуального приема телевизионных передач остается актуальной. Прежде всего, она интересует сельских жителей и людей, проживающих на территориях, расположенных в зонах неуверенного приема: на местности со сложным рельефом, в отдаленных районных центрах и приграничных населенных пунктах, когда есть желание смотреть передачи соседних стран.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Определение  антенны и фидера.

 

Антенна – устройство, которое излучает подведенную к нему высокочастотную энергию в виде электромагнитных волн в окружающее пространство (передающая антенна) или принимает высокочастотную энергию свободных колебаний (приемная антенна) и превращает ее в энергию электромагнитных колебаний, поступающую по фидеру на вход приемного устройства.

 

Фидер – это линия передачи (антенный кабель), предназначенная для транспортировки сигнала, принятого антенной к приемнику. Основная задача линии передачи (фидера) – осуществление транспортировки электромагнитной энергии, принятой антенной, к приемнику с минимальными потерями. От выбора фидерной линии зависит качество приема программ телевидения и радиовещания. [1,2]

Передающая  и приемная антенны обладают свойством  взаимности, то есть одна и та же антенна может излучать или принимать электромагнитные волны, причем в обоих режимах она имеет одинаковые характеристики.

К передающим антеннам предъявляют дополнительные требования, связанные с большими подводимыми мощностями высокочастотной энергии, поэтому конструктивно приемные антенны проще передающих.

Свойства взаимности широко используются для определения  характеристик антенн, так как  некоторые параметры проще определять в режиме передачи, чем в режиме приема. Каждая антенна имеет целый ряд определенных характеристик, необходимых для оценки ее качества.

 

 

 

2.Основные  параметры антенн.

 

2.1.Основные параметры передающих антенн.

 

Рабочий диапазон частот (полоса пропускания) – это интервал частот, в котором выдержаны все основные параметры приемной антенны: согласование, коэффициент усиления, коэффициент защитного действия и др. За полосу пропускания принимается спектр частот (определяется принимаемыми телевизионными каналами), на границах которого мощность принятого сигнала уменьшается не более чем в два раза.

 

Диаграмма направленности приемной антенны характеризует зависимость электродвижущей силы (ЭДС), наведенной в антенне электромагнитным полем, от ориентации ее в пространстве. Строится она в полярной (сферической) (рис. 1) или в прямоугольной (рис. 2.) системах координат в двух характерных плоскостях (горизонтальной и вертикальной)

                   

   

                       Рис.1 Сферическая система координат.

 

                  Рис.2 Прямоугольная система координат.

 

При повороте антенны в ту или другую сторону от нулевого направления на диаграмме направленности откладываются относительные величины, получаемые путем нормировки текущего значения Е (амплитуды наведенной ЭДС) к ее максимальному значению E_макс, то есть E/E_макс. Если возвести в квадрат относительные значения ЭДС, соответствующие различным направлениям прихода сигнала, то можно построить диаграмму направленности по мощности.

Лепесток, соответствующий  максимальному сигналу или нулевому направлению, называют основным или главным, остальные – боковыми или задними (в зависимости от расположения по отношению к главному лепестку) (рис. 1, 2).Для удобства сравнения диаграмм направленности разных антенн их обычно нормируют, для чего максимальную величину ЭДС принимают за единицу. [2]

Основным параметром диаграммы направленности является угол раствора (ширина) главного лепестка, в пределах которого ЭДС, наведенная в антенне электромагнитным полем, спадает до уровня 0,707, или мощность, спадающая до уровня 0,5 от максимальной. По ширине главного лепестка судят о направленных свойствах антенны. Чем эта ширина меньше, тем больше направленность антенны.

Форма диаграммы  направленности зависит от типа и  конструкции антенны. Так, например, диаграмма направленности полуволнового вибратора в горизонтальной плоскости напоминает восьмерку, а в вертикальной – круг. Антенна «волновой канал» в своей диаграмме направленности имеет ярко выраженный главный лепесток, а с увеличением числа директоров в антенне главный и боковые лепестки сужаются, при этом улучшаются направленные свойства антенны.

Коэффициент направленного  действия (КНД) характеризует направленные свойства антенн и представляет собой число, показывающее, во сколько раз мощность сигнала, принятая антенной, больше мощности, которую примет эталонная антенна (полуволновой вибратор). КНД зависит от ширины диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Приближенная формула имеет вид:

 

       D ≈ 41200⋅k² /H⋅V,                                                                 (1)

 

где k – коэффициент, равный 1°;

     Н – ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, град.;

      V – ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости, град.

 
На практике часто требуется оценить  КНД по отношению не к ненаправленной, а к дипольной антенне. В этом случае значение КНД, вычисленное по указанной формуле, должно быть уменьшено в 1,64 раза. Для расчета КНД в децибелах берут 10 десятичных логарифмов значения КНД (X(дБ) = 10lgX) и для расчета по отношению к диполю уменьшают полученное значение на 2,15 дБ.

КНД связан с  коэффициентом усиления по мощности Gp соотношением:

 

                                                                G_p = D⋅η,                                                                      (2)

 

где η – коэффициент полезного действия (КПД) антенны.

 
На метровых и дециметровых волнах КПД для приемных антенн близок к единице – около 0,95.

Коэффициенты  усиления антенны показывает, насколько уровень наводимого в ней сигнала превышает уровень сигнала на эталонной антенне. В качестве эталонной антенны принимают полуволновой вибратор или изотропную антенну (полностью ненаправленная антенна, имеющая пространственную диаграмму направленности в виде сферы). Реально таких антенн нет, но она является удобным эталоном, с помощью которого можно сравнивать параметры существующих антенн. Коэффициент усиления полуволнового вибратора относительно изотропной антенны равен 2,15 дБ (в 1,28 раза по напряжению или в 1,64 раза по мощности). Следовательно, если возникнет необходимость пересчитать коэффициент усиления антенны по напряжению или по мощности относительно изотропной антенны, то необходимо разделить известную величину на 1,28 или 1,64, в результате чего получим коэффициент усиления относительно полуволнового вибратора. Если G антенны указан в децибелах относительно изотропной антенны, то для пересчета его относительно полуволнового вибратора необходимо вычесть 2,15 дБ.

Например, если относительно изотропной антенны G = 6,5 дБ, то относительно полуволнового вибратора G = 6,5–2,15 = 4,35 дБ.

При сравнении  антенн следует обращать внимание на то, как вычисляется коэффициент  усиления: по напряжению или по мощности:

 

                                                   G_р = P_o/P_e = 10⋅lg(P_o/P_e),                                                     (3)

 

                                                    G_u = U_o⋅U_e = 20⋅lg(U_o⋅U_e),                                                     (4)

 

где P_o – мощность, принятая антенной;

     P_e – мощность, принятая эталонной антенной; 

       U_o – напряжение на антенне;

     U_e – напряжение на эталонной антенне.

 

Среднее значение коэффициента усиления антенны в  рабочей полосе частот – это среднее  арифметическое значение коэффициентов  усиления в децибелах, измеренных на средних частотах каждого из каналов, входящих в рабочую полосу частот, а также на крайних частотах этой полосы.

Неравномерность коэффициента усиления – это отношение максимального коэффициента усиления к минимальному в полосе частот принимаемых каналов.

Коэффициент защитного действия (КЗД) определяет помехозащищённость антенны – это отношение напряжения, получаемого от антенны на согласованной нагрузке при приеме с заднего или бокового направления, к напряжению на той же нагрузке при приеме с главного направления.

Помехозащищенность в децибелах определяют по формуле:

 

    КЗД = 20·lg(E_зад./E_глав.),                                                          (5)

 

В зарубежных источниках помехозащищенность выражают переднезадним отношением (ПЗО), которое характеризует меру направленности антенны для углов 0° и 180°. ПЗО представляет собой отношение напряжений, возникающих на входе антенны при облучении ее с этих направлений:

 

                                                  ПЗО = U_о°/U₁₈₀°,                                                                      (6)

 

Для одной и  той же антенны величины КЗД и  ПЗО по модулю равны (величина КЗД  отрицательная). Встречается определение помехозащищенности как уровень боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направленности – это отношение ЭДС при приеме со стороны максимума наибольшего бокового лепестка к ЭДС при приеме со стороны максимума основного лепестка. Уровень боковых лепестков представляют в относительных единицах или процентах.