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

56373. Створення умов для розвитку ключових компетентностей учнів через впровадження інноваційних освітніх та інформаційно- комп'ютерних технологій в навчально-виховний процес 384 KB
  Використання презентацій на уроці при викладанні нового матеріалу: Наперед створена презентація заміняє класну дошку при пояснюванні нового матеріалу а також зосереджують увагу учнів на будь яких ілюстраціях даних висновках тощо.
56374. Does television play a positive or negative role in modern society? 71 KB
  During the lesson you’ll be able to deepen and widen your knowledge about the most famous invention of the 20th century. You will work in small groups and than share your researched information with each other. The second part of the lesson will be dedicated to a Talk Show...
56375. Є. Гуцало «Перебите крило» 64 KB
  Однією із головних задач сучасної школи є виховання відповідальної особистості, яка здатна до самоосвіти й саморозвитку, вміє творчо застосовувати набуті знання
56376. Чи може бути свобода основою моральності? 66.5 KB
  Мета. Навчити учнів обґрунтовувати поняття свободи як основи моральності висловлювати своє розуміння свободи пояснювати що означає свобода вибору дії волі; формувати вміння наводити приклади узгодження власних інтересів із суспільними...
56378. Теоретические основы трудового воспитания дошкольников 62 KB
  Отличие труда взрослых и детей. Виды труда дошкольников. Формы организации труда. Понимая огромную роль труда в воспитании подрастающего поколения в своих работах часто затрагивали эту тему.
56379. Виды труда дошкольников 175 KB
  Труд детей в детском саду многообразен. Труд в природе предусматривает участие детей в уходе за растениями и животными выращивание растений в уголке природы на огороде в цветнике.
56380. Литературный процесс в США на рубеже 19-20 вв. 15.99 KB
  Развитие литературы США в последней трети XIX века и в первые десятилетия XX века характеризуется ускоренными темпами и быстрой сменой литературных направлений и тенденций.