ID: 21015

Название работы: РАСЧЕТ Параметров антенн. Расчет характеристик и параметров антенн

Категория: Лабораторная работа

Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Описание: 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...

Язык: Русский

Дата добавления: 2013-08-02

Размер файла: 99.5 KB

Работу скачали: 32 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.