Міністерство освіти і науки України
Національний технічний університет України
«Київський Політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Радіотехнічний факультет
Кафедра теоретичних основ радіотехніки
РОЗРАХУНКОВО - ГРАФІЧНА РОБОТА
з дисципліни “Антени”
Варіант 11
Виконав: ст. 3-го курсу РТФ
гр. РС-91
Степанищенко Євген
Вадимович
Викладач: Купрій Олександр
Михайлович
Київ – 2021
ЗМІСТ
Антена Удо-Ягі (хвильовий канал)…………………………………………3
2. Антена «Логоперіодична вібраторна»……………..……………………….6
3. Рупорна антена……………………………………………………………….8
4. Антена «Однозеркальна періодична»……………………………………..10
5. Список літератури…………………………………………………………..12
Антена Удо-Ягі (хвильовий канал)
Пристрій та принцип дії
рис. 1 Антена хвильовий канал, схема
Антена складається з розташованих на траверсі (на рис. позначений Т) активного (A) та ряду пасивних вібраторів-рефлекторів (R), розташованих щодо напряму випромінювання за активним вібратором, та директорів (D), розташованих перед активним вібратором. Найчастіше застосовується один рефлектор, а ось директорів може бути від нуля до десятків. Активний вібратор має довжину близько 0.5λ, рефлектор довжину трохи більшу за 0.5λ, директори мають довжину, меншу за 0.5λ. Відстань від активного вібратора до рефлектора і першого директора становлять близько 0.25λ.
Випромінювання антени можна розглядати як суму випромінювань всіх складових її вібраторів. Струм, наведений випромінюванням активного вібратора в рефлекторі, наводить у ньому напругу. Для рефлектора, опір якого носить індуктивний характер за рахунок довжини, більшої 0,5 λ, відстає напруга по фазі від напруги в активному вібраторі на 270 градусів. В результаті випромінювання активного вібратора та рефлектора у напрямку рефлектора складається у протифазі, а у напрямку активного вібратора - у фазі, що призводить до посилення випромінювання у напрямку активного вібратора
приблизно вдвічі. Аналогічно рефлектору працюють директори, проте через
3
ємнісний характер їхнього опору (що визначається їхньою меншою довжиною) випромінювання посилюється у напрямку директорів. Кожен додатковий рефлектор або директор дають збільшення посилення, але меншу, ніж попередній рефлектор і директор, причому для рефлектора ефект ослаблення дії додаткових елементів набагато більш виражений, тому більше одного рефлектора застосовують досить рідко.
Характеристики
Триелементний хвильовий канал має посилення близько 5-6 dBd, шестиелементний - близько 9 dBd, десятиелементний - близько 11 dB. Для довгих (більше 15 елементів) антени можна вважати, що посилення збільшується приблизно на 2.2 dB на кожне подвоєння довжини антени. Антена має гарну спрямовану дію. Антена досить проста, має відносно невелику масу, за рахунок відсутності суцільних поверхонь забезпечується мала парусність.
Використання
рис. 2 Антена хвильовий канал
Масове використання хвильовий канал отримав лише за часів Другої світової війни. Завдяки примітивності та спрямованій дії антена успішно застосовувалася у радарах ППО. У цивільних цілях Ягі-Уда широко поширена в телебаченні, приймальному та передавальному радіомовленні, а також інших системах зв'язку.
4
Така популярність обумовлена простотою конструкції, потужним посиленням сигналу, хороша спрямованість прийому-передачі сигналу, а також невеликі розміри та невелика вага. Антена Яги здатна працювати як з короткими діапазонами, так і на високих частотах.
Недоліки антени
Хвильовий канал має лише один істотний недолік – складність налаштування. Це стосується всіх варіацій Ягі-Уда, в яких передбачено більше трьох директорів. Навіть дві антени зібрані по одному кресленню, практично можуть працювати по-різному, і кожну з них доведеться підлаштовувати під прийом або передачу сигналу індивідуально.
Історія
Антена хвильовий канал була винайдена в 1926 р. Сінтаро Удо у співпраці з Хідэцугу Ягі, з університету Тохоку, розташованого в Сендай в Японії. Яги опублікував перший опис антени англійською, у зв'язку з чим вона стала асоціюватися з його ім'ям. Яги, втім, завжди згадував принципово важливу роль Удо у винаході антени, у зв'язку з чим правильною назвою має бути «антена Уда-Яги».
Японські військові вперше дізналися про антену після битви при Сінгапурі, коли до них потрапили записки англійського інженера радара, який згадував «антену яги». Японські офіцери розвідки не зрозуміли в цьому контексті, що Яги це ім'я. Незважаючи на те, що антена була винайдена в Японії, вона залишалася невідомою більшості японських розробників радарів протягом великої частини воєнного періоду через суперечності між флотом і армією. Антену горизонтальної поляризації можна побачити під лівим крилом літаків, що базуються на авіаносцях Grumman F4F, F6F, TBF Avenger. Антену вертикальної поляризації можна побачити на носовому обтічнику багатьох винищувачів Другої світової війни.
5
Антена «Логоперіодична вібраторна»
Пристрій та принцип дії
рис. 3 Схематичне зображення логоперіодичної антени
Антена складається з двопровідної розподільної лінії довжиною L, до якої включені вібратори різної довжини. Довжина плеча найбільшого вібратора l1=λмакс./4, довжина плеча найменшого вібратора lN<λмін./4. Нижні та верхні плечі сусідніх вібраторів приєднуються до різних провідників двопровідної лінії, що забезпечує односпрямоване випромінювання з максимумом у напрямку коротких вібраторів. Кабель підключається до клем антени.
Провідники (трубки) розподільної двопровідної лінії розташовуються у вертикальній площині, а вібратори – у горизонтальній, причому так, що будь-які два сусідні напіввібратори були направлені у протилежні сторони. Коаксіальний кабель прокладено всередині нижньої трубки та на вхідних клемах розпаяний екранною оболонкою на нижню, а центральною житловою – на верхню трубку.
Логоперіодична антена для цифрового ТВ у своїй будові має:
- стрижні у кількості 2 штук, на які прикріплюються вібратори. Їх роблять пустотілими для того, щоб усередину пустити кабель.
6
Заводиться через нижній стрижень, петлею йде зверху і завершується короткозамкнутою перемичкою. Це необхідно робити для узгодження та симетрування, тому що додатковий контур в антені застосовувати не потрібно.
- Вібратори – це прикріплені перпендикулярно стрижням провідники різної довжини, приєднані за допомогою переполюсування точок живлення.
рис. 4 Логоперіодична антена
Важливими властивостями антени є:
- Знаменник геометричної прогресії, що вказує на швидкість зменшення довгих вібраторів від основи стрижня до його кінця. Чим менший показник, тим ефективніше вважатимуться антену. На жаль, для збільшення цього показника збільшується розмір та маса пристрою.
- Кут у основі трикутника, який утворюють зібрані вібратори. Що менше він виходить, то краще працює антена. Але знову ж таки, це збільшує довжину антени, підвищуючи ризики нестійкості та деформації.
Використання
Винахід відноситься до антени і може бути використане в системах радіомоніторингу, радіопеленгації, радіолокації, а також у вимірювальній техніці і, зокрема, як широкосмугової антени у високошвидкісних системах передачі інформації.
7
Історія
У 50-х роках минулого століття США почалося масове поширення ефірного телебачення. Передавальні вежі росли як гриби, кількість каналів збільшувалася, був прийнятий американський стандарт кольорового телебачення NTSC. В результаті назріла потреба у широкосмугових антенах. Відповіддю на вимоги ринку стала поява логоперіодичної антени, розробленої інженерами Іллінойського університету Дуайтом Ісбеллом та Раймондом Духамеле. Вони запатентували принцип її роботи в 1958 році - пізніше він став основою багатьох модифікацій антени.
Рупорна антена
Пристрій та принцип дії
Рупорна антена - металева конструкція, що складається з хвилеводу змінного (розширюється) перерізу з відкритим випромінюючим кінцем. Як правило, рупорну антену збуджують хвилеводом, приєднаним до вузького кінця рупора. За формою рупору розрізняють E-секторіальні, H-секторіальні, пірамідальні та конічні рупорні антени.
Рупорні вимірювальні антени обертаються навколо власної осі, розташованої перпендикулярно до площини. До виходу приладу приєднується спеціальний детектор із посиленням. Якщо сигнали слабкі, у детекторі формується квадратична вольтамперна характеристика.
Рупорні антени дуже широкосмугові і дуже добре узгоджуються з лінією живлення - фактично, смуга антени визначається властивостями збуджуючого хвилеводу. Для цих антен характерний малий рівень задніх пелюсток діаграми спрямованості (до -40 dB) через те, що мало затікання ВЧ-струмів на тіньовий бік рупора. Рупорні антени з невеликим посиленням прості конструктивно,
8
але досягнення великого (>25 dB) посилення вимагають застосування пристроїв (лінз або дзеркал), що вирівнюють фазу хвилі, в розкриві рупора. Без таких пристроїв антену доводиться робити непрактично довгою.
Перевагою логоперіодичної антени є її надширокополосність. При правильному виборі розмірів антени вдається у десятикратному діапазоні хвиль набувати майже постійні характеристики спрямованості при коефіцієнті стоячої хвилі менше 1,5-1,7.
Недоліком логоперіодичної антени є порівняно низьке значення її коефіцієнта посилення, оскільки активна область включає лише невелику частину всіх вібраторів антени (зазвичай від трьох до п'яти).
Використання
Рупорна антена використовується як окремий прилад та як антена для вимірювальних пристроїв, супутників та іншої техніки. Ступінь випромінювання залежить від розкриття рупора антени. Він визначається розмірами його поверхонь. Використовується цей прилад як опромінювач. Якщо конструкцію пристрою поєднують з відбивачем, його називають рупорно-парабалічним. Агрегати з посиленням часто використовують щодо вимірювань. Застосовують антену як дзеркальний або променевий опромінювач.
9
Антена «Однозеркальна періодична»
Пристрій та принцип дії
Однозеркальними антенами називають антени, у яких поле у розкриві формується внаслідок відображення електромагнітної хвилі від металевої поверхні спеціального рефлектора (дзеркала). Джерелом електромагнітної хвилі зазвичай служить якась невелика елементарна антена, звана в цьому випадку опромінювачем дзеркала або просто опромінювачем. Дзеркало та опромінювач є основними елементами дзеркальної антени
Розглянемо принцип впливу дзеркальної антени. Електромагнітна хвиля, випромінювана опромінювачем, досягнувши провідної поверхні дзеркала, збуджує на ній струми, які створюють вторинне поле, яке зазвичай називається полем відбитої хвилі. Для того, щоб на дзеркало потрапляла основна частина випромінюваної електромагнітної енергії, опромінювач повинен випромінювати тільки в одну півсферу в напрямку дзеркала і не випромінювати в іншу напівсферу. Такі випромінювачі називають односпрямованими.
У розкриві антени відбита хвиля зазвичай має плоский фронт для отримання гострої діаграми спрямованості чи фронт, гарантуючий отримання діаграми спеціальної форми. На великих (порівняно з довжиною хвилі та діаметром дзеркала)відстанях від антени хвиля
рис. 5 Однозеркальна антена
10
відповідно до законів випромінювання стає сферичною. Комплексна амплітуда напруженості електричного поля цієї хвилі описується виразом, де – нормована діаграма спрямованості, сформована дзеркалом.
Використання
Параболічні антени використовуються як антени з великим посиленням для наступних видів зв'язку: радіорелейний зв'язок між прилеглими містами, бездротовий зв'язок WAN/LAN ліній зв'язку для передачі даних, для супутникового зв'язку та зв'язку між космічними апаратами. Вони також застосовуються для радіотелескопів.
Параболічні антени також використовуються в якості радіолокаційних антен, що управляють кораблями, літаками та керованими ракетами. З появою домашніх супутникових телевізійних приймачів параболічні антени стали особливістю ландшафтів сучасних міст.
Історія
11
Параболічна антена була винайдена німецьким фізиком Генріхом Герцем у 1887 році. Герц використовував циліндричні параболічні рефлектори для іскрового збудження дипольних антен під час експериментів.
Антена мала розмір апертури завширшки 1,2 метра і використовувалася на частоті близько 450 МГц. Відбивач був зроблений із цинкової листової сталі. З двома такими антенами, одна з яких була передавальною, а інша - приймальною, Герц успішно продемонстрував існування електромагнітних хвиль, які 22 роками раніше були передбачені Максвеллом.
Список використаної літератури:
1. Распространение радиоволн антенно-фидерные устройства В. П. Чернышев, Д. И. Шейнман «Связь», 1973
2. Д.М. Сазонов “Антенны и устройства СВЧ” 1988
3. Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов “Антены” 1975
4. Марков Г. Т., Сазонов Д. М., Антени/Антени. Підручник для студентів радіотехнічних спеціальностей вишів. Видання 2-е, доповнене М., “Енергія”, 1975 - 523 с
5. И.П. Заикин, А.В. Тоцкий, С.К. Абрамов, В.В. Лукин. Проектирование антенных устройств СВЧ / Под ред. А. А. Куликовского.. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2005. — С. 47. — 107 с.
6.Шифрин Я.С. Антенны. — ВИРТА им. Гоборова Л.А., 1976. — С. 239-241. — 408 с.
7. Онлайн довідник «Вікіпедія».
12