Расчет логопериодической антенны

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу «Антенны и устройства СВЧ»

Расчет логопериодической антенны

• Введение
• Краткие теоретические сведения
• Расчет геометрии антенны
• Описание конструкции
• Выводы
• Список литературы
• Введение
• Передача радиои 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=лмакс./4, длина плеча наименьшего вибратора lN<�лмин./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 ф, углом полотна 2б и длиной L.

Параметр ф 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=фl1 и т. д., причем f1=фf2 (ф<1). Резонансные частоты любых двух элементов (вибраторов) логопериодической антенны связаны соотношением:

fn=фfn+1 (n=1,2,… N)

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

ln fn+1 — ln fn= ln fn+1/fn = ln 1/ф = 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 ф, а расстояние (выраженное в длинах волн) между полуволновым наибольшим и соседним, меньшим, вибратором характеризуется параметром у. Параметры ф и у связаны между собой соотношением:

у = 0,25 (1 — ф) ctgб,

где б представляет собой угол между осью антенны и линией, проходящей через концы вибраторов. Выбор параметров ф и у 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 у, которому соответствует минимальное значение ф при заданном КНД антенны.

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

Выбрав параметры у и ф вычисляем угол б по формуле:

Следовательно, б=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 ф и б по графику, изображенному на рис. 1.50.1

В соответствии с графиком получаем:

Bar=1,6

Тогда:

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

Поскольку длина самого длинного вибратора равна лmax/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*ф,

dn=0.5(ln-ln+1)ctgб,

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 л/4 и на высоте 5 м соответственно.

Рис. 3. Диаграмма направленности антенны в свободном пространстве

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

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

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.

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.

4. 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.