Вивчити конструктивні особливості.

Визначити тип і можливу область застосування антени.

Визначити робочий діапазон частот.

Розрахувати коефіцієнт спрямованої дії.

Визначити приблизний коефіцієнт підсилення.

4.6. Обчислити ширину головної пелюстки ДС в Е – площині.

4.7. Обчислити ширину головної пелюстки ДС у Н – площині.

Визначити характер поляризації поля антени.

Побудувати ДС і визначити рівень бічних пелюсток.

5 Ключові питання

 

Дайте означення амплітудної характеристики спрямованості антени.

У чому полягає відмінність характеристики спрямованості й діаграми спрямованості?

Які параметри характеризують діаграму спрямованості?

Дайте означення коефіцієнта спрямованої дії антени.

У чому складається відмінність коефіцієнта спрямованої дії й коефіцієнта підсилення антени?

5.6. Поясніть поняття "коефіцієнт корисної дії антени.

Який характер має випроменене антеною електромагнітне поле в далекій зоні?

Що розуміють під робочою смугою частот антени?

Які параметри визначають смугу робочих частот антени?

Поясніть зміст складових повного вхідного опору антени.

Які конструктивні параметри визначають КСД дзеркальної антени?

Які конструктивні параметри визначають КП вібраторної антени?

Які конструктивні параметри визначають КП діелектричної стрижневої антени?

Які конструктивні параметри визначають КСД хвилеводно-щілинної решітки?

Які конструктивні параметри визначають КП спіральної антени?

Які параметри визначають ККД дзеркальної антени?

Який параметр антени визначає її узгодження з живлячою лінією?

Як визначити ширину частотного діапазону стандартного хвилеводу?

 

Зміст протоколу

 

Опис антени з указівкою можливої області застосування.

Ескіз конструкції антени з указівкою характерних розмірів у довжинах хвиль.

Формули для розрахунку характеристик антени.

Результати, графіки і таблиці розрахунків.

Висновки.

 

Расчет электродинамических параметров антенн

 

 

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: