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

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.




 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2508. Соціальна історія українських земель у польсько-литовський період (14 – 17 ст.) 187.36 KB
  Державний устрій та суспільний лад Великого князівства Литовського та Речі Посполитої. Соціальна структура українського населення у складі Великого князівства Литовського та Польського королівства. Правова система. Особливості розвитку української культури в 14 – 17 ст.
2509. Оптика и атомная физика 10.06 MB
  Определение показателя преломления стекла с помощью микроскопа. Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона. Изучение поляризации света. Проверка закона Малюса. Определение концентрации раствора сахара поляриметром. Изучение сериальных закономерностей в спектре излучения атомарного водорода и определение постоянной Ридберга. Исследование явлений дифракции и поляризации света.
2510. Вращательные движения твердого тела и их законы 292.5 KB
  Проверка зависимости углового ускорения ε от момента силы М при постоянном моменте инерции J. Проверка зависимости момента инерции J грузов от расстояния до оси вращения.
2511. Введение в физику низкотемпературной плазмы 839.85 KB
  Основные понятия физики плазмы. Экранирование зарядов в плазме. Дебаевский радиус. Элементарные процессы в плазме. Термоядерная плазма. Критерий Лоусона. Лазерный термоядерный синтез. Движение заряженных частиц в электромагнитных полях. Магнитный момент частицы в магнитном поле.
2512. Физика в биологических обследованиях лабораторные и семинарские занятия 692.35 KB
  Изучение механических колебаний. Изучение аппарата для ультразвуковой терапии. Определение скорости звука в воздухе методом стоячих волн. Изучение физической основы аускультативного метода измерения артериального давления крови. Изучение механических моделей биологических тканей. Биоэлектрическая активность биологических объектов.
2513. Определение удельного заряда электрона магнетрона 153 KB
  Непосредственное измерение массы электрона представляет значительные трудности ввиду ее малости. Легче определить удельный заряд электрона, т.е. отношение величины заряда к массе (е / m), а по величине заряда е и удельному заряду можно найти массу m электрона. Для определения е / m могут применяться различные методы. В данной работе применен метод магнетрона.
2514. Исследование свойств плоскостного полупроводникового триода (транзистора) 609 KB
  Изучить устройство и принцип действия полупроводникового триода, Снять вольт − амперные характеристики триода; Вычислить коэффициенты усиления триода по току, напряжению и мощности.
2515. Определение волны световой волны при помощи дифракции от щели 386 KB
  Рассмотрим прохождение волны через узкую прямоугольную щель. Согласно принципу Гюйгенса каждая точка фронта волны, достигающей щели, является источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны. Поверхность, огибающая эти волны и представляющая фронт прошедшей через щель волны.
2516. Изучение колебательного контура 277.81 KB
  Колебательные процессы широко распространены в природе и технике. Примером колебаний различных физических величин являются колебания маятников, струн, мембран телефонов, звук, свет, а также переменный электрический ток, представляющий собой электрические колебания.