Антенно-фидерные устройства

«КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КамчатГТУ»)

ФАКУЛЬТЕТ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ контрольная работа антенно-фидерные устройства Выполнила студентка 4 курса группы РЭТ 09

Будзейко И.Н.

Руководитель: Моргулев А.И.

Петропавловск-Камчатский, 2013 год Содержание Введение

1. Назначение антенно-фидерного устройства

2. Основные электрические параметры антенн Заключение Список литературы Введение

«Хорошая антенна — лучший усилитель высокой частоты»

Радиосвязь между двумя пунктами, расположенными на поверхности Земли осуществляется пространственными и поверхностными волнами.

В настоящее время в радиотехнике используются частоты от 1,5?104 до 3?1011 Гц. Радиоволны с учетом особенностей их распространения делятся на пять диапазонов, а диапазон ультракоротких волн дополнительно делится на пять поддиапазонов.

Международным консультативным комитетом радиосвязи (МККР) утверждено следующее распределение радиоволн на диапазоны (таблица 1.)

Таблица 1. Диапазоны радиоволн

Ультракороткие волны (УКВ) отличаются от более длинных волн многими признаками и свойствами. Так, например, они распространяются преимущественно прямолинейно и почти не огибают природных и искусственных преград (гор, высоких строений), встречающихся на их пути. На распространение ультракоротких волн, в особенности дециметровых, сантиметровых и миллиметровых, существенное влияние оказывают рельеф местности, различные препятствия, а также метеорологические условия. Сантиметровые и миллиметровые волны сильно поглощаются атмосферными осадками (дождем, снегом) и газами атмосферы (кислородом, водяным паром), что приводит к быстрому ослаблению напряженности поля.

В настоящее время в диапазоне УКВ организовано как телевизионное вещание, так и высококачественное радиовещание, а также системы радиосвязи.

Для увеличения дальности передач на УКВ антенны поднимают над землей как можно выше.

В процессе организации связи, звукового и телевизионного вещания широко применяются радиосредства, обеспечивающие излучение и прием радиоволн.

Простейшая структурная схема линии радиосвязи приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема радиоканала Элементами схемы являются: радиопередатчик, фидер передающей антенны, передающая антенна, приемная антенна, фидер приемной антенны и радиоприемник.

Исходный (первичный) сигнал электросвязи C (t), отображающий передаваемое сообщение, поступает на вход радиопередатчика. В радиопередатчике происходит его преобразование в радиочастотный сигнал S (t). Этот сигнал по специальной электрической цепи, называемой фидером, подводится к передающей антенне — устройству, предназначенному для радиоизлучения.

Антенны можно классифицировать по различным признакам. На первый взгляд может показаться удобным разделить все антенны по характеру их использования на две группы: передающие и приемные. Однако между свойствами передающих и приемных антенн существует вполне определенная связь, следовательно, не имеет смысла изучать эти антенны раздельно. Можно также отметить, что на многих радиостанциях одна и та же антенна одновременно служит как для передачи, так и для приема.

Часто принято классифицировать антенны по диапазонам волн. Для коротких и более длинных волн характерным является применение антенн из проводов сравнительно небольшого поперечного сечения (линейных проводников). Для дециметровых и более коротких волн применяются антенны, у которых токи протекают по проводящим поверхностям, имеющим большие размеры по сравнению с длиной волны.

1. Назначение антенно-фидерного устройства Антенно-фидерные устройства (АФУ) — предназначаются для передачи сигналов в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических системах, использующих для передачи информации свободное распространение радиоволн.

Хотя антенна и фидер и являются самостоятельными элементами, их характеристики сильно взаимосвязаны и их часто рассматривают как единое целое — антенно-фидерное устройство (АФУ).

Функции антенн в указанных системах сводятся к излучению или приему электромагнитных волн. Соответственно различают передающие и приемные антенны, подключаемые либо к передатчику, либо к приёмнику. Подключение осуществляется обычно не непосредственно, а с помощью линий передачи энергии — фидеров.

Фидер-линия передачи электромагнитных волн от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приёмнику (в режиме приёма).

Во многих случаях практического использования радиотехнической аппаратуры антенна оказывается удаленной от передатчика или приемника на некоторое расстояние. На коротких и метровых волнах это расстояние часто оказывается значительным по сравнению с длиной волны. В таких случаях антенна соединяется с передатчиком или приемником посредством фидерной системы, состоящей из фидерной линии и переходного устройства между антенной и фидером.

Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров:

— двух или многопроводные воздушные фидеры

— волноводы прямоугольного, круглого или эллиптического сечений

— линии с поверхностной волной.

Антенна — устройство для излучения и приема радиоволн, она является преобразователем электрического тока радиочастотного диапазона в электромагнитное излучение, и наоборот.

Требования, предъявляемые к антенне, различны в зависимости от назначения радиостанции. Так, например, в случае работы радиовещательной станции, обслуживающей определенный район, в центре которого она расположена, передающая антенна, как правило, должна создавать равномерное излучение во все стороны, т. е. должна быть не направленной в горизонтальной плоскости. С другой стороны, антенна, например, радиолокационной станции, должна концентрировать излучение в малом телесном угле, т. е. должна быть остронаправленной. К приемной антенне часто предъявляется также требование направленного действия, т. е. требование более эффективного, приема волн, приходящих с определенных направлений. Пространственная избирательность приемной антенны наряду с частотной избирательностью и применением специальных фильтров в радиоприемнике является действенным средством борьбы с внешними помехами, естественными и искусственными. Таким образом, наряду с требованием эффективного излучения или приема радиоволн к антенне предъявляется требование определенного распределения в пространстве потока мощности излучаемых волн.

Антенны часто классифицируются по диапазонам волн. Для коротких и более длинных волн характерным является применение антенн из проводов сравнительно небольшого поперечного сечения (линейных проводников). Для дециметровых и более коротких волн применяются антенны, у которых токи протекают по проводящим поверхностям, имеющим большие размеры по сравнению с длиной волны.

Все антенны удобно разделить на две большие группы:

— линейные антенны;

— апертурные антенны;

— антенные решетки, элементами которых являются либо линейные, либо апертурные излучатели.

Линейная антенна — тонкий металлический провод, в котором возбужден переменный электрический ток, или узкая щель в металлическом экране, между краями которой приложено переменное электрическое напряжение. Линейными антеннами называются любые излучающие системы малого (по сравнению с длиной) поперечного размера и с переменными токами, текущими вдоль оси системы. У линейных антенн размер поперечного сечения много меньше длины волны.

Характерным для линейных антенн является то, что распределение тока вдоль их оси мало зависит от конфигурации провода. Поэтому к линейным антеннам относятся не только прямолинейные антенны, но также искривленные, изогнутые и свернутые провода и щели, если их поперечные размеры много меньше продольных и меньше длины волны, такие как:

— симметричные и несимметричные вибраторы и антенны,

— рамочные антенны,

— проволочные антенны бегущей волны (в том числе спиральные),

— тонкие щелевые антенны стоящих и бегущих волн.

Апертурные антенны — у них можно определить некоторую ограниченную воображаемую поверхность, через которую проходит весь поток излучаемой (принимаемой) электромагнитной энергии — апертуру или раскрыв, часто представляемый в виде плоскости. Размеры раскрыва обычно много больше длины волны. Примеры:

— пирамидальная рупорная антенна,

— зеркальная параболическая антенна,

— линзовые антенны,

— открытые излучающие концы волноводов.

Антенная решетка — антенна, состоящая из нескольких однотипных излучателей, определенным образом расположенных в пространстве и возбуждаемых одним генератором иди несколькими когерентными генераторами. Здесь удается получить как требуемое пространственное распределение излучаемой энергии, так и нужное управление та времени этим распределением. Типичная антенная решетка — директорная антенна УКВ — линейная решетка из полуволновых симметричных вибраторов.

Симметричный вибратор (диполь Герца))

Симметричный вибратор (рис.2) выполнен в виде тонкого проводника (электрический вибратор) или узкой длинной щели, прорезанной в металлическом экране (щелевой вибратор).

Рис. 2 Симметричный вибратор Вибраторы, в зависимости от длины плеча, бывают полуволновые и волновые; т. е. при длине плеча l, равной половине принимаемой (передаваемой) волны лполуволновой, при l= лволновой вибратор.

Сопротивление излучения полуволнового вибратора равно 73? Ом. Его кпд весьма высок (более 90%).

Вследствие своей большей протяженности волновой вибратор несколько эффективнее, чем полуволновый, и имеет большее усиление.

Так как вибратор представляет собой проводник, открытый на концах, то его можно рассматривать как открытый колебательный контур. Его резонансная частота определяется индуктивностью и емкостью вибратора, зависящей от его геометрических размеров.

Почти все антенны коротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов представляют собой комбинации из полуволновых вибраторов.

Если фидер подключен к вибратору в его середине, такой излучатель носит название симметричного.

Полуволновые вибраторы могут быть соединены в виде шлейфа, при этом образуется петлевой вибратор (рис.3). Разновидностью простого петлевого вибратора является двойной петлевой вибратор (рис.4). Полоса пропускания петлевых вибраторов больше, чем у простого вибратора.

Рис. 3 Петлевой вибратор Рис. 4 Двойной петлевой вибратор

2. Основные электрические параметры антенн Каждая антенна как пассивное линейное устройство может работать:

— в режиме передачи;

— в режиме приема.

В обоих режимах антенна характеризуется направленными, поляризационными свойствами и входным сопротивлением.

К основным характеристикам и параметрам, описывающим эти свойства, относятся:

— полоса пропускания;

— входное сопротивление;

— диаграмма направленности (ДН);

— коэффициент направленного действия (КНД);

— коэффициент усиления антенны (КУ);

— коэффициент полезного действия антенны (КПД);

Полоса пропускания

— диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) антенны достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.

Это диапазон частот, при которых антенна работает эффективно, обычно область центральной (резонансной) частоты. Зависит от типа антенны, ее геометрии.

Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот — это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы.

Рис. 5 АЧХ антенны.

Ширина полосы (рис. 5.) обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний от максимальной снижается в корень из двух раз или мощность снижается в 2 раза. Этот уровень приблизительно соответствует -3 дБ. Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в герцах).

Неравномерность АЧХ характеризует степень ее отклонения от прямой, параллельной оси частот, выражается в децибелах.

Входное сопротивление антенны.

Антенна является источником сигнала, который характеризуется электродвижущей силой (ЭДС) и внутренним сопротивлением, которое называется входным сопротивлением антенны.

Величину входного сопротивления антенны необходимо знать для того, чтобы правильно согласовать антенну с фидером и приемником (передатчиком): только при этом условии на вход поступает наибольшая мощность. При правильном согласовании входное сопротивление антенны должно равняться входному сопротивлению фидера, которое, в свою очередь, должно быть равно входному сопротивлению приемника (передатчика). Входное сопротивление (импеданс) антенны редко когда бывает равным волновому сопротивлению фидерной линии. Для согласования применяют согласующие устройства.

Входное сопротивление антенны также зависит от объектов, находящихся вблизи антенны и влияющих на распределение поля в пространстве, что необходимо учитывать при установке антенны.

Зависимость входного сопротивления антенны от частоты носит название частотной характеристики: чем меньше меняется входное сопротивление антенны при изменении частоты, тем, шире полоса ее пропускания.

Диаграмма направленности приемной антенны.

— это график, который характеризует зависимость ЭДС, наведенной в антенне электромагнитным полем, от ориентации ее в пространстве.

Диаграмма направленности антенны дает графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны в заданной плоскости. Строится диаграмма направленности в полярной, сферической (рис. 4) или в прямоугольной системах координат в двух характерных плоскостях (горизонтальной и вертикальной).

При повороте антенны в ту или другую сторону от нулевого направления на диаграмме откладываются величины, соответствующие отношению Е/Емах. Если возвести в квадрат относительные значения ЭДС, соответствующие различным направлениям поступления сигнала, то можно построить диаграмму направленности по мощности (рис.7).

Рис. 7. Пример диаграммы направленности антенны в полярной системе координат антенна диапазон радиоволна фидерный Основным параметром диаграммы направленности является угол раствора (ширина) главного лепестка, в пределах которого мощность спадает до уровня 0,5 от максимальной.

Лепесток, соответствующий максимальному сигналу или нулевому направлению, называют основным или главным, остальные — боковыми или задними (в зависимости от расположения по отношению к главному лепестку).

По ширине главного лепестка судят о направленных свойствах антенны. Чем эта ширина меньше, тем больше направленность антенны.

Форма диаграммы направленности зависит от типа и конструкции антенны. Например, диаграмма направленности полуволнового вибратора в горизонтальной плоскости, напоминает восьмерку, а в вертикальной — круг.

В ряде случаев диаграмма строится в двух взаимно перпендикулярных Е и Н плоскостях. Полярная диаграмма показывает направление, в котором концентрируется энергия соответствующей составляющей. Пример полярной диаграммы направленности в Е-плоскости показан на рис. 8. По радиусу отложено значение амплитуды излучаемого поля, нормированное к значению амплитуды в главном максимуме.

Рис. 8 Пример отображения полярной диаграммы направленности в Еплоскости Коэффициент направленного действия антенны.

—это число, показывающее во сколько раз мощность, поступающая на вход приемника при приеме на направленную антенну, больше мощности, которую можно получить при приеме на ненаправленную антенну (при той же напряженности поля).

Свойства направленности антенны характеризуются диаграммой направленности, рассмотренной выше (рис.5).

Коэффициент усиления антенны

— отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой к входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности.

Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны (выходную мощность передатчика) при замене данной антенны идеальной ненаправленной антенной, чтобы значение плотности потока мощности излучаемого антенной электромагнитного поля в точке наблюдения не изменилось. При этом предполагается, что коэффициент полезного действия (КПД) ненаправленной антенны равен единице.

Коэффициент усиления антенны является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ).

Коэффициент полезного действия антенны

— это параметр, который характеризует потери мощности в антенне и представляет собой отношение мощности излучения к мощности, которая подводится к антенне от передатчика.

Мощность, теряемая в антенне, состоит из потерь в земле, проводах антенны, изоляторах, применяемых для подвески полотна антенны, в канатах, поддерживающих антенну. Основные потери энергии — потери в земле.

В силу принципа обратимости антенн коэффициент полезного действия приемной антенны оценивается тем КПД, который она будет иметь при использовании ее в качестве передающей.

Так как мощность принимаемых радиоволн очень мала, то КПД приемной антенны может быть невысоким, но не менее 10—15%.

Заключение

При создании данной работы мной были изучены:

— назначение антенно-фидерных устройств;

— диапазон радиоволн, используемый в радиотехнике;

— виды антенн;

— основные параметры антенн.

Список литературы

Г. А. Ерохин, О. В. Чернов, Н. Д. Козырев, В. Д. Кочержевский «Антеннофидерные устройства и распространение радиоволн»;

В.Ф. Власов «Курс радиотехники" — Москва1962