Исследование широкополосной вибраторной антенны, расположенной над решетчатым экраном

Оглавление

Введение

1. Анализ технического задания

2. Описание конструкции антенны

3. Обработка результатов исследования антенны

4. Исследование влияния длины второго вибратора на согласование

Заключение

Библиографический список

Введение

На данный момент антенны широко используются почти во всех областях техники и радиоэлектронных средств. При этом от антенны на практике требуется, чтобы они излучали или принимали сигнал в достаточно широкой полосы частот, особенно это заметно в радиолокации, радионавигации и в устройствах специального назначения. Это достигается при высокой степени согласования антенны с фидером и круговой диаграмме направленности антенны в горизонтальной плоскости.

Симметричная вибраторная антенна, построенная из симметричных вибраторов, т.е. легких, хорошо обтекаемых потоком воздуха, удобных при монтаже, обеспечивает широкий рабочий диапазон частот. Симметричные вибраторы представляют собой достаточно тонкие проводники, недорогие в производстве и удобные при конструировании.

Таким образом, исследование широкополосной вибраторной антенны является важной радиотехнической задачей, которая решается в данной курсовой работе.

широкополостная вибраторная антенна диапазон

1. Анализ технического задания

Согласно техническому заданию необходимо смоделировать широкополосную симметричную вибраторную антенну, расположенную перед решетчатым экраном.

Высота экрана 2,4 м, ширина 4 м, диаметр горизонтальных трубок 20 мм, диаметр вертикальных трубок 60 мм. Антенна расположена в плоскости, параллельной экрану на расстоянии ¼ длины волны на средней частоте рабочего диапазона. Точка запитки антенны находится напротив центра экрана. Антенна с экраном расположены над плоскостью Земли на высоте 3,3 м (считая от точки запитки).

Данную антенну необходимо согласовать в номинальном рабочем диапазоне частот 100…108 МГц при волновом сопротивлении фидера 75 Ом. Согласование принято считать удачным при значениях коэффициента стоячей волны (КСВ) меньше 1,2 в номинальном диапазоне частот.

На практике при распространении волны от источника к нагрузке присутствует явление отражения волны. Отраженная волна возвращается обратно к источнику, что может вызывать помехи и ухудшение работы приборов. Одной из главных задач конструктора является избавление от данного эффекта. Это обеспечивается при коэффициенте отражения , равном нулю. При этом КСВ, рассчитываемый по формуле (1), оказывается равен 1.

Чем ближе КСВ к 1, тем меньше энергии отражается от нагрузки. Для этого требуется, чтобы входное сопротивление нагрузки (антенны) было равно сопротивлению линии передачи (фидера). Если вся излученная энергия поглощается нагрузкой, говорят, что нагрузка согласована с линией передачи. Оптимальным уровнем согласования в данной работе считается уровень, когда КСВ меньше 1,2.

2. Описание конструкции антенны

На рисунке 1 изображена широкополосная симметричная вибраторная антенна, которая состоит из первого вибратора 1, второго вибратора 2, короткозамыкателей 3, симметрирующего устройства 4, фидера 5, соединителя радиочастотного 6.

Рисунок 1 - Широкополосная симметричная вибраторная антенна

Антенна возбуждается в зазоре между первым 7 и вторым 8 плечами первого вибратора 1, расположенном симметрично относительно оси симметрии антенны. Длина зазора не превышает одной пятидесятой длины волны. Поэтому неравномерностью в распределении тока на центральном проводнике кабеля в пределах зазора практически пренебречь. Следовательно, несимметричный коаксиальный кабель введен в область возбуждения антенны таким образом, что он не нарушает ни физической, ни электрической симметрии антенны.

В качестве исходного варианта геометрии возьмем значения, приведенные на стр.64 в [1]:

) длины первого и второго вибраторов  мм;

) радиус проводников первого и второго вибраторов и короткозамыкателей  мм;

) расстояние между вибраторами  мм;

) расстояние между короткозамыкателями  мм;

) длина симметрирующего устройства  мм;

) расстояние между проводниками симметрирующего устройства  мм;

) радиус проводников симметрирующего устройства  мм.

На рисунке 2 изображена смоделированная антенна с рефлектором в программе MMANA-GAL.

Рисунок 2 - Модель антенны с рефлектором, где о - источник, х - нагрузка

Для того, чтобы антенна была согласована во всем диапазоне частот, были изменены геометрические параметры антенны:  и  уменьшены до 1200 мм,  - до 9,5 мм,  увеличен до 60 мм,  - до 370 мм,  - до 50 мм. Емкость нагрузки составляет 7,02 пФ.

3. Обработка результатов исследования антенны

При найденных оптимальных размерах антенны обеспечивается необходимый уровень КСВ, что демонстрирует график на рисунке 3, где штрихпунктирной линией обозначен уровень КСВ 1,2.

Рисунок 3 - Зависимость КСВ от частоты

Реальный рабочий диапазон частот, в котором КСВ находится ниже 1,2, составляет 98,1…112,2 МГц.

На рисунке 4 изображены диаграммы направленности в плоскости Е и Н на средней частоте номинального диапазона 104 МГц.

Рисунок 4 - Диаграммы направленности (Total) на частоте 104 МГц

На рисунке 5 представлены зависимости активного и реактивного сопротивления от частоты.

Рисунок 5 - Зависимость сопротивления от частоты, где 1 - активное сопротивление, 2 - реактивное сопротивление

4. Исследование влияния длины второго вибратора на согласование

Уровень согласования изменяется в зависимости от размеров антенны. Необходимо рассчитать несколько вариантов геометрии, при которых длина второго вибратора изменяется в пределах  от номинального значения 1200 мм. В таблице 1 приведены варианты длин вибратора.

Таблица 1 - Варианты длин второго вибратора

На рисунках 6, 7, 8 изображены соответственно графики зависимости действительной части входного сопротивления, мнимой части входного сопротивления, КСВ от частоты (штрихпунктирной линией обозначен уровень КСВ 1,2).

Рисунок 6 - Зависимость действительной части входного сопротивления от частоты при разных длинах второго вибратора

Рисунок 7 - Зависимость мнимой части входного сопротивления от частоты при разных длинах второго вибратора

Рисунок 8 - Зависимость КСВ от частоты при разных длинах второго вибратора

Диаграммы направленности на средней частоте 104 МГц для различных длин второго вибратора представлены на рисунках 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16.

Рисунок 9 - Диаграммы направленности (Total) при длине второго вибратора 960 мм (-20% от номинала)

Рисунок 10 - Диаграммы направленности (Total) при длине второго вибратора 1020 мм (-15% от номинала)

Рисунок 11 - Диаграммы направленности (Total) при длине второго вибратора 1080 мм (-10% от номинала)

Рисунок 12 - Диаграммы направленности (Total) при длине второго вибратора 1140 мм (-5% от номинала)

Рисунок 13 - Диаграммы направленности (Total) при длине второго вибратора 1260 мм (+5% от номинала)

Рисунок 14 - Диаграммы направленности (Total) при длине второго вибратора 1320 мм (+10% от номинала)

Рисунок 15 - Диаграммы направленности (Total) при длине второго вибратора 1380 мм (+15% от номинала)

Рисунок 16 - Диаграммы направленности (Total) при длине второго вибратора 1440 мм (+20% от номинала)

Таким образом, можно заметить, что согласование антенны обеспечивается при отклонении размера второго вибратора на величину +5%. При данном значении реальная полоса рабочих частот составляет 99…111 МГц.

Заключение

Результатом написания курсовой работы является полученная информация о согласовании антенны с фидером и влиянии одного из параметров на согласование.

Допустимое отклонение длины второго вибратора от номинального значения, при котором сохраняется заданная полоса рабочих частот антенны, составляет 0…+5% (1200…1260 мм). При дальнейшем увеличении происходит резкое ухудшение согласования во всем диапазоне рабочих частот. Отклонения длины второго вибратора в отрицательную область сразу резко ухудшают согласование антенны.

На низких частотах длина второго вибратора незначительно изменяет входное сопротивление. При увеличении длины второго вибратора действительная часть и модуль мнимой части входного сопротивления возрастают. КСВ возрастает на частотах ниже 100 МГц, при этом при увеличении длины второго вибратора КСВ еще больше увеличивается.

На средних частотах происходит перемена характера изменения входного сопротивления, поэтому не представляется возможным сделать однозначный вывод о влиянии длины второго вибратора на сопротивление. КСВ на средних при отклонениях длины второго вибратора от номинального значения увеличивается.

На высоких частотах при увеличении длины второго вибратора действительная часть входного сопротивления уменьшается, модуль реактивного увеличивается. КСВ при положительных отклонениях от номинального значения длины второго вибратора КСВ резко увеличивается, при отрицательных отклонениях - почти не изменяется.

Библиографический список

1. Войтович, Н.И. Широкополосные вибраторные антенны: учебное пособие / Н.И. Войтович, А.В. Ершов. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. - 105 с.

. СТО ЮУрГУ 04-2008 Стандарт организации. Курсовое и дипломное проектирование. Общие требования к содержанию и оформлению / Т.И. Парубочая, Н.В. Сырейщикова, В.И. Гузеев, Л.В. Винокурова. - Изд-во ЮУрГУ, 2008. - 56 с.