Расчет логопериодической антенны

Расчет логопериодической антенны

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу «Антенны и устройства СВЧ»

Расчет логопериодической антенны

Содержание

Введение

Краткие теоретические сведения

Расчет геометрии антенны

Описание конструкции

Выводы

Список литературы

Введение

Передача радио- и телепрограмм осуществляется с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве со скоростью света. Антенна - это устройство, предназначенное для излучения и приема радиоволн. Для передачи сигналов телевизионного изображения и звукового сопровождения используются определенные частоты диапазона ультракоротких волн.

Высококачественный прием возможен только при условии выбора наиболее подходящего для данного района типа антенны и правильной ее установки. Кроме того индивидуальная антенно - фидерная система для приема сигнала может содержать согласующие устройства, антенные усилители, сумматоры и разветвители сигнала, неправильное применение которых также приводит к ухудшению приема.

На качество приема влияет расстояния до передатчика, рельеф местности, наличие препятствий для прохождения радиоволн, тип и кабеля и другие факторы.

В настоящее время существует множество типов антенн, такие как простые дипольные антенн (слабонаправленные антенны), антенны типа «волновой канал», зигзагообразные антенны, рамочные антенны, логопериодические антенны, синфазные решетки.

Проведя анализ исходных данных (диапазон частот, усиление), я решил провести расчет логопериодической антенны. Логопериодическая антенна относится к числу широкополосных антенн. Она хорошо согласуется с коаксиальным кабелем, обеспечивает прием сигналов в десятикратном и более диапазоне частот. Также в выборе антенны сыграли свою роль простота конструкции и дешевизна реализации.

Краткие теоретические сведения.

Логопериодическая антенна.

Существует много разновидностей логопериодических антенн, однако любая из них может быть представлена в виде системы вибраторов. Схема такой антенны представлена на рис.1.

Рис.1. Схематическое изображение логопериодической антенны

Антенна состоит из двухпроводной распределительной линии длиной L, в которую включены вибраторы различной длины. Длина плеча наибольшего вибратора l1=λмакс./4, длина плеча наименьшего вибратора lN<λмин./4. Нижние и верхние плечи соседних вибраторов присоединяются к различным проводникам двухпроводной линии, что обеспечивает однонаправленное излучение с максимумом в направлении коротких вибраторов. Кабель подключается к клеммам антенны.

Проводники (трубки) распределительной двухпроводной линии располагаются в вертикальной плоскости, а вибраторы - в горизонтальной, причем так, что любые два соседних полувибратора были направлены в противоположные стороны. Коаксиальный кабель проложен внутри нижней трубки и на входных клеммах распаян экранной оболочкой на нижнюю, а центральной жилой - на верхнюю трубку.

Размеры антенны и ее электрические характеристики определяются тремя основными параметрами: периодом логопериодической структуры τ, углом полотна 2α и длиной L.

Параметр τ определяет частотную периодичность характеристик логопериодической антенны. Каждый вибратор имеет свою резонансную частоту. На самой низкой частоте рабочего диапазона f1=fмин резонирует вибратор 1 с длиной плеча l1, на следующей, более высокой частоте f2 резонирует вибратор 2 с длиной плеча l2=τl1 и т.д., причем f1=τf2 (τ<1). Резонансные частоты любых двух элементов (вибраторов) логопериодической антенны связаны соотношением:

fn=τfn+1 (n=1,2,… N)

При изображении на логарифмической шкале резонансные частоты повторяются через одинаковые интервалы, равные постоянной величине ln(1/τ), поскольку:

ln fn+1 - ln fn= ln fn+1/fn = ln 1/τ = const.

Параметры логопериодической антенны выбираются так, чтобы внутри одного (любого) интервала частот fn+1 - fn характеристики антенны менялись незначительно. Это малое изменение свойств будет иметь место во всем рабочем диапазоне частот, поэтому антенны, построенные по указанному принципу, носят название логарифмически - периодических или логопериодических.

Расчет геометрии антенны

Точный расчет логопериодической антенны довольно сложен, но существует и простая методика расчета. Она позволяет сконструировать антенну, задавшись такими параметрами, как коэффициент направленного действия (КНД) и рабочий интервал частот.

Длины вибраторов логопериодической антенны и расстояния между ними должны изменяться в геометрической прогрессии со знаменателем τ, а расстояние (выраженное в длинах волн) между полуволновым наибольшим и соседним, меньшим, вибратором характеризуется параметром σ. Параметры τ и σ связаны между собой соотношением:

σ = 0,25 (1 - τ) ctgα,

где α представляет собой угол между осью антенны и линией, проходящей через концы вибраторов. Выбор параметров τ и σ носит компромиссный характер и влияет на число вибраторов и размеры антенны (на ее длину L между наименьшим и наибольшим вибраторами). Рекомендуется выбирать указанные параметры в соответствии со значением КНД по графику, изображенному на рис. 1.491

На этом графике под оптимальным подразумевается значение σ, которому соответствует минимальное значение τ при заданном КНД антенны.

В соответствии с этим, в нашем случае при КНД=10, σ=0,17 τ=0,917. Следует отметить, что число вибраторов антенны N зависит, в основном, от значения τ, а ее размеры возрастают с увеличением σ. Кроме того, оптимальному значению σ соответствует минимуму коэффициента стоячей волны (КСВ), а при больших значениях σ диаграмма направленности становится многолепестковой.

Выбрав параметры σ и τ вычисляем угол α по формуле:

Следовательно, α=70

Для определения ориентировочной длины антенны L и числа вибраторов N находят ширину «активной» области антенны Bs, под которой понимают зону, где находится резонансный вибратор с двумя другими, примыкающими к нему, из соотношения:

Bs= B*Bar,

где B = fmax/fmin - заданный коэффициент перекрытия рабочего интервала частот, а Bar - коэффициент, характеризующий ширину «активной» области. Коэффициент Bar рекомендуется выбирать, исходя из τ и α по графику, изображенному на рис. 1.50.1

В соответствии с графиком получаем:

Bar=1,6

Тогда:

) Графики приведены в учебнике «Телевизионные антенны» под ред. Синдеева Ю.Г.

Поскольку длина самого длинного вибратора равна λmax/2, то длину антенны можно определить по формуле:

Необходимое число вибраторов можно найти из соотношения:

После этого рассчитываем длину вибраторов и расстояние между ними, начиная с самого длинного, равного половине максимальной длины волны рабочего интервала частот, по формулам:

ln+1=ln*τ,

dn=0.5(ln-ln+1)ctgα,

где dn - расстояние между двумя вибраторами с номерами n и n+1.

Описание конструкции

Расчет геометрии антенны производился с помощью программы MMANA.

Ниже на рис.2 приводится вид антенны после поведенной оптимизации.

логопериодическая антенна

Рис.2. Общий вид антенны

Размеры антенны:

На рис.3,4,5 представлены диаграммы направленности антенны, рассчитанные в свободном пространстве, на высоте λ/4 и на высоте 5м соответственно.

Рис.3. Диаграмма направленности антенны в свободном пространстве

Рис.4. Диаграмма направленности антенны на высоте λ/4.

Рис.5. Диаграмма направленности антенны на высоте 5м.

Далее покажем, что как ведут себя КСВ, усиление и Z в заданном диапазоне частот:

Рис.6. Графики зависимости усиления и коэффициента F/B от изменения частоты в заданном диапазоне частот

Рис.7. График зависимости КСВ от изменения частоты в заданном диапазоне частот

Рис.8. График зависимости активного и реактивного сопротивления от изменения частоты в заданном диапазоне частот

По этим графикам можно сказать, что в заданном диапазоне частот мы добились необходимого усиления (14дБ), а КСВ не превышает отметки в 2.6.

Список литературы.

1.  Синдеев Ю.Г. Телевизионные антенны. Серия «Учебники, учебные пособия». Ростов-на-Дону, изд-во «Феникс», 1998. - 192 с.

2.  Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Всё о программе MMANA. - М.:ИП РадиоСофт, Журнал «Радио», 2002. - 80 с.

3.       Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. - М.: «Энергия», 1975. - 528 с.

.        Тихонов А.Н., Дмитриев В.И. Метод расчёта распределения тока в системе линейных вибраторов и диаграммы направленности этой системы // Вычислительные методы и программирование. - М.:МГУ, 1968. Вып.10, с.3-8.