21015

РАСЧЕТ Параметров антенн. Расчет характеристик и параметров антенн

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Общие сведения Реальные антенны излучают в окружающее пространство в различных направлениях неодинаково. Зависимость напряженности поля излучаемого антенной измеренная на достаточно большом но одинаковом расстоянии от антенны от углов наблюдения D и j называется характеристикой направленности. Коэффициент направленного действия показывает во сколько раз необходимо увеличить мощность излучения при замене направленной антенны ненаправленной для сохранения прежней напряженности поля в точке приема. Эффективной или действующей площадью Sэфф...

Русский

2013-08-02

99.5 KB

30 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

РАСЧЕТ Параметров антенн.

Цель работы: расчет характеристик и параметров антенн.

1.Общие сведения

Реальные антенны излучают в окружающее пространство в различных направлениях неодинаково. Зависимость напряженности поля, излучаемого антенной, измеренная на достаточно большом, но одинаковом расстоянии от антенны, от углов наблюдения D и j, называется характеристикой направленности. Графическое представление этой характеристики называют диаграммой направленности. Диаграммы направленности строят нормированными, для которых максимальное значение F(D;j)max= 1.

Коэффициентом защитного действия kзащ называют отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении, к квадрату поля в направлении, противоположном главному.

В относительных единицах:

Kзащ = E20 / E2180 = F2(00) / F2(1800)  (1)

в  децибелах:

Kзащ = 20 lg [F2(00) / F2(1800)]. (2)

На основании принципа взаимности параметры антенн в режиме приема и передачи имеют одинаковые значения.

Коэффициентом направленного действия (КНД) D в данном направлении называют отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в данном (обычно главном) направлении, к среднему (по всем направлениям) значению квадрата напряженности поля. Коэффициент направленного действия показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность излучения при замене направленной антенны ненаправленной для сохранения прежней напряженности поля в точке приема.

Эффективной или действующей площадью Sэфф приемной антенны называют эквивалентную площадь, с которой полностью поглощается энергия волны, отдаваемая в согласованную нагрузку. Эффективная площадь антенны связана с ее физической площадью раскрыва S коэффициентом использования поверхности раскрыва (КИП) v:

v = Sэфф/S (3)

Если в раскрыве поверхности поле синфазно и имеет равные амплитуды, то v=1. Для антенн с прямоугольным раскрывом, когда амплитуды поля вдоль одной из сторон раскрыва постоянны, а вдоль другой – изменяются по закону Ex = E0 sin (px/L), v = 0,8. При наличии фазовых искажений в раскрыве КИП уменьшается.

Действующей длинной приемной антенны называют коэффициент пропорциональности между максимальной ЭДС, наведенной в антенне Эа, и напряженностью поля в точке приема E:

Эа = LдЕ (4)

Сопротивлением излучения антенны RS называют коэффициент пропорциональности, связывающий мощность излучения с квадратом тока в антенне:

RS = РS/I2а.эфф (5)

Величина тока вдоль реальных антенн изменяется, поэтому сопротивление излучения относят либо к току на входе антенны RSа, либо к току в пучности RSп. Между собой эти сопротивления связанны уравнением

RSа = RSп/sin2kаL (6)

где ka – волновое число для антенны;

 L– длина плеча антенны.

Коэффициентом полезного действия передающей антенны hа называют отношение излучаемой мощности PS к подводимой Pа.

Коэффициентом усиления передающей антенны G называют отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в данном (обычно главном) направлении, к квадрату напряженности поля, созданного эталонной антенной при равенстве подводимых мощностей. Коэффициент усиления (КУ) показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность, подводимую к эталонной антенне, по сравнению с мощностью, подводимой к данной антенне для сохранения прежней напряженности поля в точке приема.

Волновым сопротивлением антенны W, как и длинной линии, называют отношение напряжения к току бегущей (падающей) волны.

Шумовая температура антенны без потерь Та0 – эта температура, до которой следовало бы нагреть сопротивление, равное активной составляющей нагрузки антенны, чтобы в нем не выделилась мощность шумов, равная мощности шумов внешних источников.

Параметры антенн между собой связаны соотношениями:

D = 120 F2(D;j)max / RS (7)

здесь F(D;j)max – максимальное значение ненормированной характеристики направленности:

D = 4pSэфф / l2;                                                                     (8)

                              D’[Дб] = 10 lg D;                                                                      (9)

Sэфф = Dl2/4p;                                                                       (10)

Sэфф = 30pL2д/RS;  (11)

                                                                                             (12)                               

                                                                                                         (13)

hа = RS / (RS + Rп) (14)

Коэффициент усиления антенн в различных частотных диапазонах определяют относительно различных эталонных антенн. В диапазонах гектометровых и километровых волн коэффициент усиления определяют относительно короткой по сравнению с длинной волны несимметричной антенны, расположенной непосредственно над идеально проводящей землей, для Dэ=1,5. В этом случае

G = Dhа/1.5 (15)

В диапазонах метровых и декаметровых волн КУ определяют относительно симметричного полуволнового вибратора:

G = Dhа/1.64 (16)

В диапазоне СВЧ коэффициент усиления определяют относительно ненаправленного излучателя:

G = Dhа (17)

Коэффициент усиления часто выражают в децибелах:

G [Дб]  = 10 lg G (18)

Волновое сопротивление линии и антенны, Ом,

W= (19)

где L1 и C1 – соответственно погонные индуктивность, Г/м, и емкость, Ф/м;

W = 3333/C’1 (20)

Здесь С’1 – погонная емкость, пФ/м (1 пФ = 10-12 Ф).

Шумовая температура антенны с учетом КПД фидера и антенны

Та = [Т0аhа+Т(1-hа)]hф+Т(1-hф) (21)

Здесь Т – температура среды, окружающей антенну и фидер, в градусах К; Та0 – шумовая температура антенны без потерь, в градусах К.

Приближенно КНД можно определить по ширине диаграммы направленности в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

D @ 33 000 / j00,5 D00,5 (22)

где j00,5 и D00,5 – ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности (0,707 по полю) соответственно в Е - и Н- плоскостях, выраженных в градусах.

Пример 1. Антенна  имеет сопротивление излучения 515 Ом, ненормированное значение множителя характеристики направленности 13,5. Определить КНД антенны.

Решение. Используя  (7), имеем D = 120 F2(D;j)max / RS = 120*13.52/515 = 42.5.

Пример 2. Антенна  на частоте 11.5 МГц имеет эффективную площадь 890 м2. Определить КНД антенны.

Решение.

Длина волны l = с / f  = 3*108/11.5*106 = 26 м.

Коэффициент направленного действия (8)

D = 4pS / l2 = 4*3.14*890/262 = 165.

Пример 3. Симметричный волновой вибратор (l = 0.5l) имеет сопротивление излучения 200 Ом, D = 2.4. Определить действующую длину антенны при работе на волне 20 м.

Решение.

Используя (12), имеем

Lд=(20/3,14)=12,7м

Пример 4. Входное сопротивление антенны 20 - i 75 Ом, сопротивление потерь 3

Ом. Определить КПД антенны.

Решение.

Используя (14), имеем

hа = RS / (RS + Rп) = 20/(20+3) = 0.87.

Пример 5. Шумовая температура антенны без потерь 20 К, hа = 0.95, hа = 0.85. Определить шумовую температуру антенны  с учетом потерь при температуре окружающей среды 270 С.

Решение.

Температура окружающей среды по шкале Кельвина

Т = 27+273 = 300 К.

Шумовая температура антенны с учетом потерь (6.21)

Та = [Т0аhа+Т(1-hа)]hф+Т(1-hф) = [20*0.95+300(1-0.95)]0.85+300(1-0.85) = 74 К.

Пример 6. Двухпроводная линия имеет погонную индуктивность 16.66 нГ/м и погонную емкость 6.66 пФ/м. Определить волновое сопротивление линии.

Решение.

Использовать (19).

   Пример 7. Погонная  емкость антенны 7.4. пФ/м. Определить волновое сопротивление антенны.

Решение.

Используя (20), имеем

W = 3333/C’1 = 3333/7.4 = 450 Ом.

2. Варианты индивидуальных заданий

ЗАДАНИЕ 1:

Из трех параметров антенны: сопротивление излучения R, значение ненормированной характеристики направленности F и КНД – известны два. Определить третий параметр.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

R,Ом

520

1120

х

2200

4360

500

1000

х

4000

490

F( )

12,3

23,5

47

х

х

11,2

21,3

50

х

14

D

х

х

116

156

310

х

х

120

300

х

ЗАДАНИЕ 2:

Определить эффективную площадь антенны по заданным частоте и КНД.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

f, МГц

16,66

13,63

3785

6000

8000

15,1

12,47

4500

7000

5731

D, дБ

18,46

20

40

43,53

45,55

18,3

21

42

41

42

ЗАДАНИЕ 3:

Известны: эффективная площадь антенны и сопротивление излучения. Определить действующую длину антенны.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Sэфф, м2

900

1800

3600

900

7200

10800

950

990

1500

4000

R, Ом

514

1117

2300

518

4400

6700

520

550

1200

2500

  

ЗАДАНИЕ 4:

Известны: входное сопротивление и сопротивление потерь, отнесенное к входу антенны. Определить КПД антенны.

     

1

2

3

4

5

6

7

8

Za, Ом

12-i20

90+i40

43-i20

10-i90

75+i60

11-i20

80+i42

82+i30

Rп, Ом

2,5

5

5

11,1

6,5

2

5,1

6,5

 

ЗАДАНИЕ 5:

Известны: шумовая температура антенны без потерь Т0а, КПД антенны и волновода (фидера), температура среды, окружающей антенну и волновод. Определить шумовую температуру антенны с учетом потерь.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Т0а, К

25

25

35

30

40

30

22

24

33

39

КПДа

0,9

0,95

0,85

0,9

0,85

0,95

0,9

0,95

0,97

0,85

КПДф

0,8

0,8

0,75

0,8

0,8

0,76

0,85

0,85

0,86

0,85

Т0, С

27

30

0

22

25

30

45

0

27

30

ЗАДАНИЕ 6:

Антенна имеет площадь раскрыва 7,5м, известны частота и эффективная площадь. Определить КИП и КНД антенны.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

f, ГГц

4

5

6

7

8

9

10

4,1

5,1

6,2

Sэфф, м2

5

4,75

4,5

4,25

4

3,75

3,5

5,2

6

5,1

ЗАДАНИЕ 7:

Определить волновое сопротивление антенны по заданной величине погонной емкости.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

С, пФ/м

15

12

10

7

8

9

5

44,5

4

6

Содержание отчета:

1. Цель занятия.

2. Основные соотношения.

3. Выполнение индивидуальных заданий.

4. Выводы по результатам выполнения индивидуальных заданий.

Контрольные вопросы

1. Основные характеристики и параметры антенн.

2. Вывод формулы расчета поля симметричного вибратора.

3. В чем сущность принципа обратимости антенн?

4. В чем сходство и различие в определении КНД и КУ?

5. В чем сходство и различие в определении Wв и Zа?

6. Дайте определение эффективной площади антенны.

7. Чем определяется действующая длина приемной и передающей антенн?

8. Дайте определение сопротивления излучения антенн.




 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

57654. It’s your planet! 63 KB
  I am very glad to see you! I hope that everybody is in order. Look at the pictures and try to guess the topic of our lesson. Yes, exactly – it is “It’s our planet”. I suppose this topic will be interesting for you, because nature is our home and our duty is to respect its rights.
57655. Політична система Великої Британії 60.5 KB
  Good morning boys and girls, collogues and guests! Today we got together to discuss the problem: “British political system and the role of Queen Elizabeth II and the Parliament.”
57656. MY FUTURE PROFESSION 56.5 KB
  Teacher: Good morning, children! I am glad to see you! Pupils: Good morning, teacher! We are glad to see you too! Teacher: today we shall talk about professions and your future professions.
57657. Урок-пояснення нового матеріалу в початку вивчення розділу «США» 40 KB
  The USA – The official name of America is the USA or the US (cлайд 1). It was discovered by Christopher Columbus (cлайд 2). The country consists of 50 states (слайд 3). The capital of the USA is Washington (слайд 4). People speak English in America, so people from America and the UK can understand each other.
57658. Му School. At School 34.5 KB
  There are fifty two pupils form. The pupils play in the playground before classes. Some of them wear their school uniform: a white blouse or a shirt and a blue skirt or trousers. Before lessons they sing one or two songs.
57659. MY LAST VISIT TO THE SHOP 144.5 KB
  Practical: to practice pupils’ speech on the topic “Doing Shopping”; to revise vocabulary on the topic and urge pupils to use these words in their speech; to develop pupils’ speaking, reading, listening and writing skills on the topic...
57660. Sport. Kinds of Sports 43.5 KB
  Objectives: to develop students listening, reading, speaking and grammar skills; to revise and enrich students vocabulary on the topic; to practise group work; to motivate students to communicate with each other.
57661. Спорт у світі 85 KB
  Babe Didrikson Zaharias was one of the most extraordinary athletes of all time. She was a champion in basketball and golf. She also swam, boxed, played baseball and many other sports. In 1950, she was named the greatest woman athlete of the first hail of the 20th century.
57662. Відповідальність людей перед природою 32.5 KB
  Teacher: Look at the blackboard, please (слайд 1). Let`s read these quotations of famous people about nature. How do you understand them? Do you agree? What`s your opinion?