Розрахунок електродинамічних

Розрахунок електродинамічних

Параметрів антен

методичні вказівки до використання лабораторної роботи №1

за дисципліною Антенні системи»

 

для студентів денної та заочної форми навчання за дисципліною професійної

підготовки бакалаврів за напрямом вищої освіти 6.050901 – Радіотехніка

 

 

Одеса 2012

УДК 621.392.67

 

Укладач Т.А. Цалієв

Рецензенти: зав. каф. ТЕД та СРЗ, проф. Проценко М.Б.,

доц. каф. ТЕД та СРЗ, доц. Драганов В.М.

 

Методичні вказівки до лабораторної роботи студентів по дисципліні «Пристрої НВЧ та антени» / Укл. Т.А. Цалієв. – Одеса: Вид-во ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2012. – __ с.

 

 

Метою методичних вказівок є допомога студентам при самостійному вивченні теоретичних положень дисципліни «Антени та пристрої НВЧ», виконані індивідуальних завдань та лабораторних робот.

Методичні вказівки призначені для студентів денної та заочної форм навчання інституту радіоелектроніки.

 

Методичні вказівки розглянуті та затверджені на засіданні кафедри технічної електродинаміки та систем радіозв'язку

(протокол № ____ от «» ____________ 20 р.)

 

 

Розрахунок електродинамічних параметрів антен

 

Мета роботи

 

· Поглиблене опрацювання лекційного матеріалу.

· Вивчення основних електродинамічних параметрів антен.

· Ознайомлення з практичними конструкціями антен різних типів.

· Вивчення будови і принципу дії досліджуваних антен.

· Вивчення деяких методів вимірювання параметрів антен.

· Розрахунок електродинамічних параметрів антен за їхніми геометричними характеристиками.

 

Основні означення

 

Можливість випромінювання й поширення електромагнітної енергії в просторі випливає з положення Максвелла про існування струмів зміщення, котрі можуть циркулювати у вільному просторі. Цим Максвелл приписав вільному просторові властивості провідника, а саме провідника для струмів зміщення. Струми зміщення мають властивість поширюватися у вільному просторі аналогічно до того, як струми провідності течуть провідниками.

Вільно поширювані в просторі струми зміщення, яким відповідає пов'язане з ними змінне електромагнітне поле, і є випромінена електромагнітна хвиля. Пристроями, котрі реалізовують можливість випромінювання електромагнітних хвиль, є антени.

Основними задачами антенної теорії, як відомо, є задача аналізу і задача синтезу.

Задача аналізу (якщо розглядати режим випромінювання) полягає у визначенні електромагнітного поля, створюваного даною антеною в будь-якій точці простору. Джерелами цього поля є мінливі в часі струми і заряди, розподілені по антені. Розв'язок задачі аналізу, в свою чергу, може бути зведений до розв'язання внутрішньої і зовнішньої задач антенної теорії.

Внутрішня задача антенної теорії полягає у віднайдені амплітудно-фазового розподілу струмів в елементах антени (або полів на замкнутій поверхні котра оточує антену) при відомих сторонніх джерелах (заданих і не залежних від електромагнітних полів, створюваних антеною) які живлять антену.

Зовнішня задача антенної теорії полягає у визначенні амплітудно-фазового розподілу полів в оточуючому антену просторі при відомих (заданих) розподілах струмів на елементах антени, або полів на замкнутій поверхні, яка оточує антену. При цьому визначаються параметри, котрі характеризують поле в далекій зоні антени: комплексна характеристика спрямованості, коефіцієнт спрямованої дії, коефіцієнт підсилення й ін.

Електромагнітне поле антени в далекій зоні має такі характерні риси:

§ поперечний характер, тобто складові векторів Е та Н у напрямку поширення хвилі дорівнюють нулю;

§ в околиці точці спостереження воно носить характер плоскої електромагнітної хвилі, тобто поперечні компоненти векторів Е та Н є синфазні, їхнє відношення дорівнює характеристичному опору середовища поширення;

§ залежність амплітуд полів від відстані має вигляд розбіжної сферичної хвилі;

§ кутовий розподіл амплітуд складових вектора Е (а також вектора Н) не залежить від відстані.

 

Для кожної антени залежно від типу, розмірів, довжини хвилі існує мінімальна відстань до межі далекої зони, тобто мінімальної відстані на які слабко виявляється залежність від відстані. Приймаючи, що допуски на точність при визначенні напруженості поля становлять 1 %, а при визначенні коефіцієнта підсилення - 2 %, можна дістати таке співвідношення:

 

.

 

Кутовий розподіл амплітуд складових електромагнітного поля в далекій зоні антени може бути схарактеризовано комплексними функціями

 

та ,

 

називаними амплітудними характеристиками спрямованості для відповідних компонентів поля.

Графічне зображення цих функцій називають діаграмами спрямованості (ДС). Оскільки це функції двох кутових координат ( і ), то в просторі ДС являє собою певну замкнену поверхню. На практиці зазвичай цікавляться не просторовою ДС, а її перетинами.

Як площини для таких перетинів зазвичай обирають дві взаємно перпендикулярні площини. лінія перетинання яких збігаються з напрямком головного максимуму ДС. Одну з цих площин зазвичай сполучають з вектором Е и називають Е – площиною, інша площина збігається з вектором Н и називається Н– площиною. Перетин просторової ДС Е – площиною називається ДС в Е – площині, а перетин Н – площиною – ДС у Н – площині.

Окрім амплітудних ДС, обговорених вище, часто розглядають ДС за потужні, котра показує залежність випромінюваної потужності від напрямку в просторі:

 

,

 

де - модуль складової вектора Пойнтинга в напрямку максимального випромінювання.

Коефіцієнт спрямованої дії є мірою концентрації електромагнітної енергії, випромінюваної антеною в просторі. Коефіцієнт спрямованої дії (КСД) показує. у скільки разів потужність, випромінювана антеною в даному напрямку, віднесена до одиниці тілесного кута, більше за потужність випромінювання абсолютно ненаправленої антени, віднесеної до одиниці тілесного кута, за умови рівності повних потужностей, випромінюваних обома антенами:

 

,

 

тут - потужність, випромінена антеною в напрямку, зумовленому кутами й віднесена до одиниці тілесного кута; - повна потужність, випромінена антеною.

Коефіцієнт корисної дії (ККД)антени дорівнює відношенню потужності, випроміненої в простір , до потужності , яка підводиться до антени:

.

 

Коефіцієнт підсилення показує, у скільки разів потужність, випромінювана антеною в даному напрямку, віднесена до одиниці тілесного кута, більше за потужність випромінювання абсолютно ненаправленої антени з ККД порівнюваним 1, віднесеної до одиниці тілесного кута, за умови рівності потужностей, яки підводяться до обох антен. З цього випливає, що

 

.

 

Зазвичай під КСД і коефіцієнтом підсилення (КП) розуміють їхнє максимальне значення:

 

;

.

 

Діюча висота антени дорівнює довжині прямолінійного проводу з рівномірним розподілом амплітуди струму, котрий створює в максимумі ДС таку саму напруженість поля, як і розглядувана антена в максимумі своєї ДС.

Для антен з випромінюючим розкриттям (апертурою) поняття діючої висоти втрачає сенс, тому вводять поняття діючої площі антени.

Діюча (ефективна) площа антени – це площа апертури певної антени з рівномірним та синфазним розподілом полю в апертурі, що створює в максимумі ДС таку ж напруженість поля що й розглядувана антена в максимумі своєї ДС, за умови рівності потужностей, яки підводяться до антен і ККД.

Коефіцієнт використання площі антени (КВП) є відношення ефективної площі антени до геометричної площі її розкриття:

 

.

 

Рівень бічних пелюсток характеристики спрямованості - це відношення напруженості поля в напрямку максимуму якісь бічної пелюстки до напруженості поля в напрямку головного максимуму, визначуваних у точках далекої зони, що перебувають на тій самій відстані від антени:

 

.

 

Потужність , випромінену антеною, визначають, як потужність, що проходить через замкнену поверхню, котра оточує антену й усюди примикає до її поверхні. Її зазвичай подають у вигляді двох доданків:

 

,

де - активна потужність випромінювання, часто називана просто потужністю випромінювання, - так звана реактивна потужність випромінювання. Зміст останнього терміна полягає в тому, що ця потужність пов'язана з реактивними полями в ближній зоні антени і визначає реактивну частину вхідного опору антени. Повна потужність ,яка підводиться до входу погодженої з живлячою лінією антени, може бути подана у вигляді суми:

 

(1)

де - потужність втрат.

Вхідний опір антени характеризує антену як навантаження для джерела електромагнітних коливань чи для живлячої лінії. Для дротових антен, коли удається ввести поняття струму і напруги в місці з'єднання (вході) антени з живлячою лінією, під вхідним опором розуміють відношення напруги до струму на вході антени:

 

.

Якщо віднести кожен доданок у (1) до квадрата діючого значення струму на вході, можна достати:

 

.

 

При цьому використані наступні позначення:

- повний вхідний опір антени;

- опір випромінювання антени;

- опір втрат антени;

- реактивний опір антени.

Опір випромінювання антени є важливим параметром антени, який характеризує її випромінюючі можливості. Зокрема, коефіцієнт корисної дії антени може бути виражений у такий спосіб:

 

,

 

відкіля видно, що чим більше опір випромінювання антени за незмінного опору втрат, тим вище її ККД.

Робоча смуга частот антени визначається найбільш важливим для даного радіоелектронного засобу параметром антени, значення якого за зміни частоти може виходити за задані границі. У межах робочої смуги частот параметри антени (характеристика спрямованості, КСД, КП, ККД, поляризаційні властивості, вхідний опір тощо) задовольняють заданим технічним вимогам. У багатьох випадках ширина робочої смуги частот антени визначається найбільш вузькосмуговим елементом (система живлення, погоджувальні й симетрувальні пристрої, випромінювач тощо).

 

Домашнє завдання

Ознайомитися з конструкціями дзеркальних, хвилеводно-щілинних, діелектричних, спіральних та вібраторних антен. Вивчити основні параметри антен і підготувати відповіді на ключові запитання.

 

Лабораторне завдання

 

Для заданої викладачем антени:

Зміст протоколу

 

Висновки.

 

Цель работы

 

1.1. Углубленная проработка лекционного материала

1.2. Изучение основных электродинамических параметров антенн.

1.3. Ознакомление с практическими конструкциями антенн различных типов

1.4. Изучение устройства и принципа действия исследуемых антенн.

1.5. Иззучение некоторых методов измерения параметров антенн

1.6. Расчет электродинамических параметров антенн по их геометрическим характеристикам

 

2 Основные определения

 

 

Возможность излучения и распространения электромагнитной энергии в пространстве следует из положения Максвелла о существовании токов смещения, которые могут циркулировать в свободном пространстве. Тем самым Максвелл приписал свободному пространству свойства проводника, а именно - проводника для токов смещения. Токи смещения имеют свойство распространяться в свободном пространстве аналогично тому, как токи проводимости текут по проводникам. Свободно распростаняющиеся в пространстве токи смещения, которым соответствует связанное с ними переменное электромагнитное поле и есть излученная электромагнитная волна. Устройствами, реализующими возможность излучения электромагнитных волн являются антенны.

Основными задачами антенной теории, как известно, являются задача анализа и задача синтеза.

Задача анализа (если рассматривать режим излучения) состоит в определении электромагнитного поля, создаваемого данной антенной в любой точке пространства. Источниками этого поля являются меняющиеся во времени токи и заряды, распределенные по антенне. Решение задачи анализа в свою очередь может быть сведено к решению внутренней и внешней задач антенной теории.

Внутренняя задача антенной теории состоит в нахождении амлитудно-фазового распределения токов в элементах антенны (либо полей на замкнутой поверхности окружающекй антенну) при известных сторонних источниках (заданных и не зависящих от электромагнитных полей, создаваемых антенной) питающих антенну.

Внешняя задача антенной теории состоит в определении амплитудно фазового распределения полей в окружающем антенну пространстве при известных (заданных) распределениях токов на элементах антенны (либо либо полей на замкнутой поверхности окружающекй антенну).

При этом определяются параметры, характеризующие поле в дальней зоне антенны: комлексная характеристика направленности, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления и др.

Электромагнитное поле антенны в дальней зоне обладает следующими характерными особенностями:

· оно имеет поперчный характер, т.е. составляющие векторов Е и Н в направлении распространения волны равны нулю;

· в окрестности точки наблюдения оно носит характер плоской электромагнитной волны, т.е. поперечные компоненты векторов Е и Н синфазны и их отношение равно характеристическому сопротивлению среды распространения;

· зависимость амплитуд полей от расстояния имеет вид расходящейся сферической волны;

· угловое распределение амплитуд составляющих вектора Е (а также вектора Н) не зависит от расстояния

 

Для каждой антенны в зависимости от типа, размеров, длины волны существует минимальное расстояние до границы дальней зоны, т.е. минимального расстояния на котором слабо проявляется зависимость от расстояния. Принимая, что допуски на точность при определении напряженности поля составляют 1%, а при определении коэффициента усиления - 2%, можно получить следующее соотношение:

 

 

Угловое распределение амплитуд составляющих векторов электромагнитного поля в дальней зоне антенны может быть охарактеризовано комплексными функциями

 

и ,

 

называемых амплитудными характеристиками направленности для соответствующих компонент поля.

Графическое изображение этих функций называют диаграммами направленности (ДН). Поскольку это функции двух угловых координат ( и ), то в пространстве ДН представляет собой некоторую замкнутую поверхность. На практике обычно интересуются не пространственной ДН а ее сечениями.

В качестве плоскостей для таких сечений обычно выбирают две взаимно перпендикулярные плоскости линия пересечения которых совпадают с направлением главного максимума ДН. Одну из этих плоскостей обычно совмещают с вектором Е и называют Е – плоскостью, другая плоскость совпадает с вектором Н и называется Н– плоскостью. Сечение пространственной ДН Е-плоскостью называется ДН в Е – плоскости, а сечение Н – плоскостью – ДН в Н –плоскости.

Помимо амплитудных ДН, обсужденных выше, часто рассматривают ДН по мощности, которая показывает зависимость излучаемой мощности от направления в пространстве:

 

 

где – модуль компоненты вектора Пойнтинга в направлении максимального излучения.

Коэффициент направленного действия D является мерой концентрации электромагнитной энергии излучаемой антенной в пространстве. Коэффициент направленного действия (КНД) показывает во сколько раз мощность, излучаемая антенной в данном направлении, отнесенная к единице телесного угла, больше мощности излучения абсолютно ненаправленной антенны, отнесенной к единице телесного угла, при условии равенства полных мощностей, излучаемых обеими антеннами:

 

;

здесь - мощность, излученная антенной в направлении, определяемом углами и отнесенная к единице телесного угла, - полная мощность, излученная антенной.

Коэффициент полезного действия (КПД)антенны равен отношению мощности, излученной в пространство , к мощности , подводимой к антенне

.

 

Коэффициент усиления G показывает во сколько раз мощность, излучаемая антенной в данном направлении, отнесенная к единице телесного угла, больше мощности излучения абсолютно ненаправленной антенны с КПД равным 1, отнесенной к единице телесного угла, при условии равенства мощностей, подводимых к обеим антеннам. Из этого следует, что

 

 

Обычно под КНД и коэффициентом усиления (КУ) понимают их максимальное значение

 

 

Действующая высота антенны равна длине прямолинейного провода с равномерным распределением амплитуды тока, который создает в максимуме ДН такую же напряженность поля, как и рассматриваемая антенна в максимуме своей ДН.

Для антенн с излучающим раскрывом (апертурой) понятие действующей высоты теряет смысл, поэтому вводят понятие действующей площади антенны.

Действующая (эффективная) площадь антенны – это площадь раскрыва некоторой антенны с равномерным и синфазным распределением поля в раскрыве, которая создает в максимуме ДН такую же напряженность поля, что и рассматриваемая антенна в максимуме своей ДН, при условии равенства подводимых к антеннам мощностей и КПД.

Коэффициент использования площади антенны (КИП) есть отношение эффективной площади антенны к геометрической площади ее раскрыва:

 

Уровень боковых лепестков характеристики направленности - это отношение напряженности поля в направлении максимума какого-либо бокового лепестка к напряженности поля в направлении главного максимума определяемых в точках дальней зоны, находящихся на одном и том же расстоянии от антенны:

 

 

 

Мощность , излученную антенной, определяют, как мощность, проходящую через замкнутую поверхность, окружающую антенну и всюду примыкающую к ее поверхности. Ее обычно представляют в виде двух слагаемых:

 

где - активная мощность излучения, часто называемая просто мощностью излучения, - так называемая реактивная мощность излучения. Смысл последнего термина состоит в том, что эта мощность связана с реактивными полями в ближней зоне антенны и определяет реактивную часть входного сопротивления антенны. Полная мощность ,подводимая ко входу согласованной с питающей линией антенны может быть представлена в виде суммы:

 

(1)

где - мощность потерь.

Входное сопротивление антенны характеризует антенну, как нагрузку для источника электромагнитных колебаний или для питающей линии. Для проволочных антенн, когда удается ввести понятие тока и напряжения в месте соединения (входе) антенны с питающей линией, под входным сопротивлением понимают отношение напряжения к току на входе антенны:

 

.

 

Ели отнести каждое слагаемое в (1) к квадрату действующего значения тока на входе, то можно получить

 

.

 

При этом использованы следующие обозначения:

- полное входное сопротивление антенны;

- сопротивление излучения антенны;

- сопротивление потерь антенны;

- реактивное сопротивление антенны.

Сопротивление излучения антенны является важным параметром антенны, характеризующим ее излучающие способности. В частности, коэффициент полезного действия антенны может быть выражен следующим образом:

,

 

откуда видно, что чем больше сопротивление излучения антенны при неизменном сопротивлении потерь, тем выше ее КПД.

Рабочая полоса частот антенны определяется наиболее важным для данного радиоэлектронного средства параметром антенны, значение которого при изменении частоты может выходить из заданных пределов. В пределах рабочей полосы частот параметры антенны (характеристика направленности, КНД, КУ, КПД, поляризационные свойства, входное сопротивление и др.) удовлетворяют заданным техническим требованиям. Во многих случаях ширина рабочая полоса частот антенны определяется наиболее узкополосным элементом (система питания и согласующе-симметрирующие устройства, облучатель т.п.)

 

3 Домашнее задание

Ознакомиться с конструкциями зеркальных, волноводно-щелевых, диэлектрических, спиральных и вибраторных антенн. Изучить основные параметры антенн и подготовить ответы на ключевые вопросы.

 

4 Лабораторное задание

 

Для антенны, заданной преподавателем:

Содержание протокола

 

6.1. Описание антенны с указанием возможной области применения

6.2. Эскиз конструкции антенны с указанием характерных размеров в длинах волн

6.3. Формулы для расчета характеристик антенны

6.4. Результаты, графики и таблицы расчетов

6.5. Выводы

 

Список литературы

 

7.1. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и связь, 1989. - 352 с.

7.2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.Ж Высшая школа,1988. - 432 с.

7.3. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ ч.1 М.: Связь. 1977, - 384 с.

7.4. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ ч.2 М.: Связь. 1977, - 288 с.

7.5. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройствМ.-Л.:Энергия. 1966. -648 с.

7.6. Антенны и устойства СВЧ. Расчет и пректирование антенных решеток и их излучающих элекментов.Под ред. Проф. Воскресенского Д.И. Учебное пособие для вузов. М: Сов. Радио.1972. - 320 с.

7.7. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. М.: Энергия, 1973, - 440 с.

7.8. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов связи. М.: Связь,1977. - 440 с.

7.9. Хмель В.Ф., Чаплин А.Ф., Шумлянский И.И. Антенны и устройства СВЧ. Сборник задач. Учебное пособие –2 е изд. - Киев, Виша школа, 1990 – 232 с.

7.10. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерения параметров антенно-фидерных устройств. Изд. 2-е. М.: Связь, 1972, - 352 с.

 

Розрахунок електродинамічних

Параметрів антен

методичні вказівки до використання лабораторної роботи №1

за дисципліною Антенні системи»

 

для студентів денної та заочної форми навчання за дисципліною професійної

підготовки бакалаврів за напрямом вищої освіти 6.050901 – Радіотехніка

 

 

Одеса 2012

УДК 621.392.67

 

Укладач Т.А. Цалієв

Рецензенти: зав. каф. ТЕД та СРЗ, проф. Проценко М.Б.,

доц. каф. ТЕД та СРЗ, доц. Драганов В.М.

 

Методичні вказівки до лабораторної роботи студентів по дисципліні «Пристрої НВЧ та антени» / Укл. Т.А. Цалієв. – Одеса: Вид-во ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2012. – __ с.

 

 

Метою методичних вказівок є допомога студентам при самостійному вивченні теоретичних положень дисципліни «Антени та пристрої НВЧ», виконані індивідуальних завдань та лабораторних робот.

Методичні вказівки призначені для студентів денної та заочної форм навчання інституту радіоелектроніки.

 

Методичні вказівки розглянуті та затверджені на засіданні кафедри технічної електродинаміки та систем радіозв'язку

(протокол № ____ от «» ____________ 20 р.)