Рамкові антени з покращеними властивостями

1.3 Рамкові антени з покращеними властивостями

 

Для покращення властивостей рамкових антен використовуються рамки з магнітним осердям, екрановані рамки і системи з двох рознесених рамок.

Рамки з магнітним осердям називають магнітними антенами. Мають у порівнянні з рамками без осердя важливу перевагу: завдяки властивості осердя концентрувати магнітний потік діюча довжина рамки зростає в μ_о разів (μ_о – магнітна проникність осердя). Вона залежить від форми осердя і відносної магнітної проникності матеріалу μ. Дл виготовлення осердь широко застосовуються ферити, що мають малі втрати і велику величину μ. Ц едозволяє отримати прийнятні значення діючої довжини за допомогою малогабаритних рамкових антен. На рисунку 1.3.1 зображена рамка з магнітним осердям, що вбудовується в радіомовний приймач.

Рисунок 1.3.1 – Рамка з магнітним осердям, яка вбудовується в радіомовний приймач

Екрановані рамки у порівнянні з неекранованими мають перевагу: у них усунуто антений ефект (вплив синфазних струмів). В таких рамках виникають тільки протифазні струми. На рисунку 1.3.2 зображена екранована рамка.

Рисунок 1.3.2 – Екранована рамка

 

Часто для боротьби з так званими поляризаційними помилками використовуються системи з двох рознесених рамок із спільною віссю (рисунок 1.3.3 а) або компланарні (рисунок 1.3.3 б).

Рисунок 1.3.3 – Системи з двох рознесених рамок

1.4 Параметри рамкових антен

 

До основних параметрів рамки відносять:

1.  Амплітудне значення електрорушійної сили, яка наводиться вертикально поляризованою хвилею у рамці, що має N витків [1]:

, (1.4.1)

де  − хвильове число;

N − кількість витків, що має рамка;

S − площа рамки;

E_м − амплітуда напруженості електричного поля, яке падає на

рамку;

θ − кут падіння електромагнітної хвилі до площини рамки відносно нормалі.

Максимальне значення ε_м буде при θ=90^о

.

2. Вхідний опір – це відношення напруги напруги до струму на вході антени. Реактивна складова вхідного опору має індуктивний характер, і для налагодження рамки у резонанс використовують високодобротні конденсатори.

3. Діючою довжиною деякої антени є довжина такого прямолінійного випромінювача з рівноамплітудним розподілом струму, рівним струму в деякому перерізі даної антени, який створює в напрямку максимального випромінювання таку ж напруженість поля, що й дана антена [1]:

. (1.4.2)

4.  Опір випромінювання [1]:

 (1.4.3)

тобто

.

Мала рамкова антена має , а хвильова ,

тому її опір випромінювання R_Σ дуже малий, і її можна використовувати на довгих та середніх хвилях, як приймальні антени.

Хвильові рамки застосовуються у діапазоні УКХ як приймально-передавальні антени тому, що опір випромінювання резонансних рамкових антен більший, ніж у малої рамкової антени.

~ .

5. Коефіцієнтом спрямованої дії називається величина, яка показує, в скільки разів потужність випромінювання ізотропної антени повинна бути більше потужності випромінювання антени, що розглядається, щоб в напрямку спостереження поля від обох антен були однакові [1]:

\

. (1.4.4)

КСД характеризує здатність антени концентрувати енергію в заданому напрямку. КСД рамкової антени становить приблизно π/2.

6. Ефективна площа антени – площа, від якої приймальна антена приймає енергію падаючої хвилі [1]:

 (1.4.5)

2. РОЗРАХУНОК ДІАГРАМИ СПРЯМОВАНОСТІ

Геометричні розміри рамкової антени: 3,18x3,18 м; частота сигналу: 30 МГц.

Моделювання та розрахунок параметрів ДС проводились за допомогою програми MMANA-GAL.

На Рисунку 6.1 зображено діаграму спрямованості та параметри антени, що знаходиться у вільному просторі.

Рисунок 2.1 – ДС та параметри антени (у вільному просторі)

Рисунок 2.2 відображає дану ДС у тривимірному просторі.

Рисунок 2.2 – Тривимірна ДС антени (у вільному просторі)

При використанні антени на висоті 10 метрів від ідеальної землі її ДС і параметри змінюються. Щодо ДС, то з’являються вже 4 пелюстки. Це характеризує кращі направлені властивості антени, тобто більшу її спрямованість.

Значно зріс коефіцієнт підсилення – з 3,86 до 8,12 дБ, трохи зменшилися значення резистивного і реактивного опорів з 250,151 до 216,320 і з 122,686 до 92,350 Ом відповідно. Також відбулося і зменшився (покращення) КСХ з 6,2 до 5,2.

Рисунок 2.3 – ДС та параметри антени, розміщеної на відстані 10 м від ідеальної землі

Рисунок 2.4 відображає дану ДС у тривимірному просторі.

Рисунок 2.4 – Тривимірна ДС антени,розміщеної на відстані 10 м від ідеальної землі

При розміщенні антени на відстані 20 м від ідеальної землі її ДС проявляє ще більші направлені властивості, з’являються додаткові пелюстки. А параметри антени змінюються незначно. Коефіцієнт підсилення змінився з 8,12 до 8,92. Резистивний і реактивний опори незначно зросли з 216,320 на 233,687 і з 92,350 на 105,900 відповідно. КСХ збільшився з 5,2 до 5,7.

Рисунок 2.5 – ДС та параметри антени, розміщеної на відстані 20 м від ідеальної землі

Рисунок 2.6 відображає дану ДС у тривимірному просторі.

Рисунок 2.6 – Тривимірна ДС та параметри антени, розміщеної на відстані 20 м від ідеальної землі

3. ОПТИМІЗАЦІЯ ГЕОМЕТРИЧНИХ РОЗМІРІВ ПРИЙМАЛЬНОЇ ХВИЛЕВОЇ РАМКОВОЇ АНТЕНИ

Оптимізація проводилася для антени, що розташована на відстані 10 м від ідеальної землі. Оптимізація проводилася за коефіцієнтом підсилення і коефіцієнтом стоячої хвилі (G_a вибирався максимальним, КСХ – мінімальним).

Результати оптимізації наведені у таблиці 2.1.

Таблиця 2.1

Оптимізація геометричних розмірів антени

В результаті оптимізації ми отримали резистивну складову опору антени приблизно в півтора рази мнешу, також дуже зменшилась і реактивна складова (з 92,35 до 0,404 Ом). Позитивним є і зменшення КСХ з 5,15 до 2,85 (в 1,8 рази). Коефіцієнт підсилення майже не змінився.

Внаслідок оптимізації змінилися геометричні розміри антени. А точніше вони стали дещо меншими (площа рамки зменшилася в 1,16 разів).

У таблиці 2.2 наведені геометричні розміри оптимізованої антени.

Таблиця 7.2

Геометричні розміри оптимізованої антени

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

 

1. Антенны и устройства СВЧ, Н. Т. Бова, Г. Б. Резников, Киев, “Вища школа”, 1982.

2. Антенно-фидерные устройства, А. З. Фрадин, “Связь”, 1977.

3. Зміни до методичного посібника по курсовому і дипломному проектуванню згідно ДСТУ 3008-95.

4. www.google.com.ua.

5. Конспект лекцій з дисципліни “Пристрої НВЧ та антени”.