Описание ромбических антенн, их функциональные особенности, структура и принцип действия. Определение рабочего диапазона волн. Методика нахождения оптимального угла излучения и конструктивных размеров. Этапы расчета диаграммы направленности, ее ширины.
Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) - зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне - на неизменно большом расстоянии от антенны). Важную роль в работе антенных устройств играет линия питания (фидер), которая передает энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приемнику (в режиме приема). Так как одна и та же антенна может использоваться как передающая, так и принимающая, то основное внимание уделяется изучению теории передающих антенн. Под диаграммой направленности ромбической антенны в горизонтальной плоскости понимается, как правило, диаграмма направленности антенны в плоскости максимального излучения ? = ?max (рисунок 5).
Введение
Антенны являются обязательным элементом любой системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, а также других радиотехнических систем, использующих для передачи информации свободное распространение электромагнитных волн. Существенное влияние на работу этих систем оказывает также среда, в которой происходит свободное распространение волн: атмосфера, Земля, космическое пространство.
Функции антенн в указанных системах сводятся к излучению или приему электромагнитных волн. Соответственно различают передающие и приемные антенны, подключаемые либо к передатчику, либо к приемнику с помощью фидеров (линий передачи энергии).
Передающая антенна преобразует энергию волн, поступающих по фидеру от передатчика к антенне, в энергию свободных колебаний, распространяющихся в окружающем пространстве. Передающая антенна должна не просто излучать электромагнитные волны, а обеспечивать наиболее рациональное распределение энергии в пространстве.
В связи с этим одной из основных характеристик передающих антенн является диаграмма направленности (ДН) - зависимость излучаемого поля от положения точки наблюдения (точка наблюдения должна находиться в дальней зоне - на неизменно большом расстоянии от антенны). Требования к направленности колеблются в очень широких пределах от близких к направленным (системы радиовещания и эфирного телевидения) до резко выраженной направленности в определенном направлении (дальняя космическая радиосвязь, радиолокация, радиоастрономия и т.д.). Направленность позволяет без увеличения мощности передатчика увеличить мощность поля, излучаемого в данном направлении, а также позволяет уменьшать помехи соседним радиотехническим системам, то есть способствует решению проблемы электромагнитной совместимости. Направленность можно получить только когда размеры антенны существенно превышают длину волны колебаний.
Приемная антенна улавливает энергию свободных колебаний и превращает ее в энергию волн, которая поступает по фидеру на вход приемника. Для приемных антенн диаграмма направленности (ДН) - это зависимость тока в нагрузке антенны, то есть в конечном счете в приемнике, или ЭДС наводимой на входе приемника, от направления прихода электромагнитной волны, облучающей антенну. Наличие направленных свойств у приемных антенн позволяет не только увеличивать мощность выделяемую током в нагрузке, но и существенно ослаблять прием различного рода помех, то есть повышает качество приема.
Важную роль в работе антенных устройств играет линия питания (фидер), которая передает энергию от генератора к антенне (в передающем режиме) или от антенны к приемнику (в режиме приема).
Основные требования к фидеру сводятся к его электрогерметичности (отсутствию излучения энергии из фидера) и малым тепловым потерям. В передающем режиме волновое сопротивление фидера должно быть согласовано с входным сопротивлением антенны (что обеспечивает в фидере режим бегущей волны) и с выходом передатчика (для максимальной отдачи мощности). В приемном режиме согласование входа приемника с волновым сопротивлением фидера обеспечивает в последнем режиме бегущей волны, согласование же волнового сопротивления фидера с сопротивлением нагрузки - условие максимальной отдачи мощности в нагрузку приемника.
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 определенная связь. Так как одна и та же антенна может использоваться как передающая, так и принимающая, то основное внимание уделяется изучению теории передающих антенн. 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.
Можно также классифицировать антенны по характеру излучающих элементов и делить их на антенны с линейными токами и антенны апертурные, излучающие через свой раскрыв - апертуру.
Ромбическая антенна относится к числу остронаправленных диапазонных антенн, используемых на коротких волнах.
1. Описание ромбических антенн
Создание высоконаправленных систем в коротковолновом и даже сверхвысокочастотном диапазоне возможно за счет использования ромбических антенных систем. Такие антенны относятся к числу остронаправленных и применяются для магистральной связи на коротких волнах. Схема ромбической антенны приведена на рисунке 1.
IMG_1e15fa70-d2fd-41c4-8fe4-7b412a1b1f76
Рисунок 1
Ромбическая антенна представляет собой систему из четырех горизонтальных проводов длины l, изогнутых в форме ромба на опорах на высоте H. С одной стороны провода ромбической антенны соединяются двухпроводным фидером, идущим к передатчику или приемнику, с другой - антенна замыкается на сопротивление, равное волновому. По этой причине в антенне устанавливается режим бегущей волны, и ее входное сопротивление близко к волновому в широком диапазоне волн. Провод с бегущей волной тока создает излучение, максимум которого направлен под углом к оси провода (рисунок 2). Этот угол тем меньше, чем длиннее провод.
IMG_926089b9-dd9d-473b-bc82-fb3fbfca6670
Рисунок 2 - Излучение провода с бегущей волной тока
При надлежащем выборе длины стороны ромба l по сравнению с рабочей длиной волны ?0 и углов ? и Ф (рисунок 3) поля излучения всех сторон ромба складываются вдоль большой диагонали ромбической антенны в направлении бегущей волны. Таким образом, направление главного излучения антенны в горизонтальной плоскости совпадает с большой диагональю ромба. Это даст значительный прирост коэффициента усиления.
IMG_a4db7cef-cf5e-4a91-8f20-7984013778db
Рисунок 3 - Схема формирования диаграммы направленности ромбической антенны
Направление максимума излучения антенны в вертикальной плоскости ?max зависит как от размеров ромба, так и от высоты подвеса над землей H. С уменьшением рабочей длины волны главный лепесток диаграммы направленности в вертикальной плоскости «прижимается» к земле (рисунок 4).
IMG_d49c248b-9670-4140-978d-059e33f3c97b
Рисунок 4 - Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости
Под диаграммой направленности ромбической антенны в горизонтальной плоскости понимается, как правило, диаграмма направленности антенны в плоскости максимального излучения ? = ?max (рисунок 5).
IMG_be356716-4fa8-496b-9d6f-8b05f3282d08
Рисунок 5 - Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости
При подключении к вершине ромба, противоположной точкам питания, нагрузочного сопротивления величиной Rн и мощностью, равной половине мощности передатчика, достигается подавление заднего лепестка диаграммы направленности.
Расстояние между проводами вдоль ромбической антенны меняется. Изза этого волновое сопротивление увеличивается от ~ 600 Ом у острых углов до ~ 1000 Ом у тупых, что вызывает дополнительные отражения и нарушает режим бегущей волны. Чтобы сделать изменение волнового сопротивления менее существенным, каждую сторону ромба выполняют из двух проводов, расходящихся по мере приближения к тупому углу РА (рисунок 1).
Ромбическая антенна сохраняет направленные свойства в широком диапазоне волн. Границами используемого диапазона волн ?min и ?max являются те волны, на которых коэффициент усиления антенны падает до 0,5 от максимального значения Gmax, соответствующего центральной длине волны ?0.
Ромбические антенны просты по конструкции, работают в широком диапазоне частот, не требуют никаких настроек и регулировок. Погрешность в выборе размеров или высоты подвеса в 5-10% не приведет к заметному изменению основных параметров. Эти антенны могут работать на небольшой высоте от земли. Для их установки необходимы 4 точки крепления, причем необязательно равновысокие и необязательно расположенные в углах правильного ромба. Еще одно важное обстоятельство: ромбическая антенна питается двухпроводной линией произвольной длины. Из существенных недостатков можно выделить следующие: высокий уровень боковых лепестков, низкий КПД и большая площадь, занимаемая антенной.
Обозначаются условно ромбические антенны следующим образом:
IMG_1771b83a-65f1-415d-9976-f49ace330d6a
где РГ означает «ромб горизонтальный»;
Ф - половина тупого угла ромба;
l/?0 - относительная длина стороны ромба;
H/?0 - относительная высота подвеса антенны
2. Определение рабочего диапазона волн
Диапазон волн, используемый в ночное время, определяется кривыми 3 и 2, а в дневное время - кривыми 1 и 2 (рисунок 6).
IMG_bc50ca8d-05c4-4121-99e0-3c9a6af27e23
Рисунок 6 - График для определения рабочего диапазона волн
С помощью графика для заданного значения протяженности магистральной линии связи r = 2100 км определим диапазон длин волн: ? = 40…75 м.
Найдем оптимальную длину волны для обеспечения связи в заданное время суток, по формуле:
IMG_80eca671-e670-4e4b-b9a9-abf3f0ddbdff
Подставив требуемые значения длин волн, получим:
IMG_123641ca-336a-4284-ad1a-54042c5f682e
3. Нахождение оптимального угла излучения
Найдем оптимальный угол излучения антенны ?0, используя длину магистральной линии связи r = 2100 км и высоту отражающего слоя
IMG_8cb9d391-db4f-441a-a8f9-b20751a13832 с помощью рисунка 7.
IMG_b92fe255-8ab5-4fc6-aae2-7bfd4c10c1a1
Рисунок 7 - График для определения угла излучения ?0
На графике изображены 3 линии показывающие разную высоту отражающего слоя
IMG_b5b6ccd6-aece-4924-a955-40b025f4ed81 : линия 1 соответствует hotp = 250 км, линия 2 - hotp = 300 км, а линия 3 - hotp = 400 км.
По условию задачи при высоте отражающего слоя hotp = 300 км и длине магистральной линии связи r = 2100 км, оптимальный угол излучения антенны ?0 = 6о.
4. Определение конструктивных размеров
Рассчитаем размеры ромбической антенны, которые показаны на рисунке 8, исходя из найденных значений ?<0 и ?0.>
IMG_de7365fe-e961-4b20-8e62-0bceeba68d89
Рисунок 8 - Эскиз ромбической антенны
Здесь приняты следующие обозначения: 1 - питающий фидер, 2 - сторона ромбической антенны, 3 - поглощающая линия.
Наиболее осторожно нужно выбирать угол раскрыва ромбической антенны Ф, так как эта величина наиболее ощутимо задает диаграмму направленности и эффективный диапазон частот. Вычислим оптимальное значение половины тупого угла ромба.
IMG_34b85e96-889c-4bc0-b15f-d3810a6e3d5a
Половина острого угла ромба равна:
IMG_e790d7b0-c8a2-446d-ba25-072e1ffff5f0
Определим оптимальное значение длины стороны ромба.
IMG_be134f8f-2126-4bd5-8c5c-7d959d734fa6
Длина стороны ромба из конструктивных соображений не должна быть больше 150 м. Поскольку расчетная волна оказалась больше, то ее нужно уменьшить до 150 м. Для этого изменим тупой угол Ф антенны, который вычисляется по формуле:
IMG_0b45b93e-4708-4104-b166-94fa2b69407f
Тогда половина острого угла ромба будет равна:
IMG_51bcab5c-4a1a-4bc8-9471-4dde6512abf5
Пересчитаем оптимальное значение длины стороны ромба.
IMG_a6b07704-58f5-48df-a90a-123c9336765c
Рассчитаем высоту подвеса ромбической антенны над землей.
IMG_3cbd4527-0e19-4ad6-9751-e55a15a1f73d
5. Расчет значений
Нахождение значений для длины волны lmin
Определим значения КПД HA, коэффициента направленного действия D и коэффициента усиления G для значений длины волны lmin по следующим формулам:
IMG_6a371973-3da5-40e6-9384-65490a734a30
IMG_74e98a04-691b-447d-b7b9-afb61ed17f3d
IMG_a8acc0bd-520d-4636-b15d-d6d929d2e109
где
IMG_e2330867-a28e-4e37-b9db-3f399cdf5889 волновое сопротивление ромбической антенны;
RS - сопротивление излучения;
IMG_007293fc-6f83-436a-86bb-d6d159c8954b
- действующая высота ромбической антенны;
k - волновое число.
Определим волновое сопротивление ромбической антенны
IMG_884303b6-e1de-43a1-b38d-930d2608034e по формуле:
IMG_4f6fdf02-a2a7-4236-877d-de83aa1fe675
где d - диаметр проводов (0,003…0,004 м);
S = (0,02…0,03) L - расстояние между расходящимися проводами ромба у тупого угла.
? - относительная магнитная проницаемость (для частот КВ диапазона у фехраля ? = 80).
Длина поглощающей линии определяется из условия:
IMG_05c6b63a-a6e4-4541-9864-178102ff3841
Волновое сопротивление поглощающей линии должно быть равно волновому сопротивлению ромба
IMG_cacd5bda-3308-40b9-83f1-a52493c46e23
Следовательно, длина поглощающей линии равна:
IMG_8e154798-cc8b-4e7a-b6c6-fd7fe803499f Расстояние между проводами двухпроводного поглощающего фидера определяется по формуле:
IMG_610a0fc7-c6b7-40b3-8ba2-2d16eaa17c7f
Поглощающая линия подвешивается на стойках с изоляторами под антенным полотном ромбической антенны.
6. Расчет диаграммы направленности
Характеристика направленности антенны в горизонтальной плоскости f(?) рассчитывается по формуле:
IMG_dc556ec2-364e-4a89-bcc5-6a8c3e8fab62
где ? - текущий угол, отсчитываемый от большой диагонали ромба в горизонтальной плоскости.
Выполним построение нормированной диаграммы направленности в декартовой системе координат (рисунок 9).
IMG_01d798c0-546e-4f51-8b27-4e9e8a8a47e2
Рисунок 9
IMG_0a1c986b-be79-4c7b-b025-678727f503ed Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости
На рисунке 9 видно, что на горизонтальной диаграмме направленности главный лепесток расположен непосредственно на оси ординат, то есть под углом в ноль градусов. Это связано с тем, что в этом направлении происходит основное излучение антенны и соответственно главный лепесток на рисунке 9 является проекцией излучаемого поля на горизонтальную плоскость.
Для наглядности изобразим диаграмму направленности в полярной системе координат (рисунок 10).
IMG_f90f92aa-ada8-421f-aa15-7f5e629f6550
Рисунок 10
IMG_e35e6c0d-7ac8-4564-93a8-76d3291f47a4 Диаграмма направленности f(?) в полярной системе координат
Выражение для определения диаграммы направленности в вертикальной плоскости имеет следующий вид:
IMG_71c22d62-200e-41db-87c1-e9f3c9679521
где ? - текущий угол, отсчитываемый от большой диагонали ромба в вертикальной плоскости.
Покажем на рисунке 11 зависимость f(D):
IMG_280054e7-9f48-459a-b854-531e387f939a
Рисунок 11
IMG_22d9ee76-7a7b-4d39-b4d2-046d215d59c6 Диаграмма направленности в вертикальной плоскости
На рисунке 11 видно, что в вертикальной плоскости находятся два главных лепестка.
Для большей точности характеристики направленности были рассчитаны в программе Mathcad 15 с шагом 10 в диапазоне углов -1800…1800 в горизонтальной плоскости и -900…900 в вертикальной плоскости.
Для наглядности изобразим диаграмму направленности в полярной системе координат (рисунок 12).
По рисунку 12 можно определить, что два главных лепестка находятся под углом 24,50 и 155,5<0.>
IMG_c8da7ab5-04f0-4358-9eee-6543586eb9f0
Рисунок 12
IMG_e504c047-3a60-4fa8-ae80-2ee2b49572f0 Диаграмма направленности f(?) в полярной системе координат антенна излучение ромбический
7. Расчет ширины диаграммы направленности
Ширину диаграмм направленности по нулевому излучению в вертикальной 2D0 плоскости можно рассчитать по формуле:
IMG_859fe490-1e62-4314-8a5d-0980a00db26f
Подставив значения, получим следующее:
IMG_e7025653-d57c-42f5-94d7-14cdbfccdde0
Следовательно, ширина диаграммы направленности по нулевому излучению в вертикальной плоскости равна:
IMG_53b0e5d0-88b1-430a-9a48-861afa06a90e Ширину диаграмм направленности по нулевому излучению в горизонтальной 2j0 плоскости можно рассчитать по формуле:
IMG_dfd309e3-5c51-4917-90d3-76af0cc12757
Заключение
Ромбическая антенна наиболее выгодная из всех широкополосных проволочных антенн с точки зрения высоких энергетических показателей. Вместе с тем, сама антенна не требует скрупулезности и точности при ее постройке. Погрешность в выборе размеров или высоты подвеса в 5-10% не приведет к заметному изменению основных параметров. Важно что эти антенны могут работать и на небольшой высоте от земли. Для их установки необходимы 4 точки крепления, причем необязательно равновысокие и необязательно расположенные в углах правильного ромба. Еще одно важное обстоятельство: ромбическая антенна питается двухпроводной линией произвольной длины. Наиболее главное достоинство - широкополосность.
Приведенные диаграммы направленности, а также другие расчеты и измерения показывают, что характерным для ромбической антенны является наличие в ее диаграмме значительных боковых лепестков. В этом отношении она уступает остронаправленным настроенным антеннам, например многовибраторным синфазным.
Ромбические антенны находят широкое применение в коротковолновых стационарных радиоцентрах как для передачи, так и для приема.
Список литературы
1. Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны / Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М., Клигер Г.А., Курашов А.Г. /Под ред. Г.З. Айзенберга. - М.: Радио и связь, 1985. - 530 с.
2. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства: Учебник - М.: Советское Радио, 1974. - 536 с.
3. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства: Учебник. - М.: Радио и связь, 1981. - 471 с.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
