Моделирование антенны без согласующего устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование антенны без согласующего устройства

Цель работы: научиться выполнять расчет технических характеристик антенн без согласующего устройства в программе MMANA.

Считается, что коэффициент усиления (КУ) антенны совпадает с коэффициентом направленного действия (КНД) антенны, т.е. полагается: КУ = КНД, КПД = 1.

Задание:

1) Выполнить расчет следующих технических параметров и характеристик антенны (А) на рабочей частоте f_Р в программе MMANA:

- всех размеров антенны;

- входного сопротивления: ZВХ = R + jX (R (Ом) - активная часть входного сопротив-ления, jX (Ом) - реактивная часть);

- коэффициента стоячей волны КСВ;

- усиления по отношению к изотропному излучателю Ga ( dBi) (так как Ga =

КНД * КПД, поэтому при КПД = 1: Ga = КНД - коэффициент направленного действия антенны);

- Elev (гр) (зенитный угол, под которым расположен максимум излучения антенны);

- диаграммы направленности (ДН) антенны; - других.

2) Во всем частотном диапазоне Дf = (fmin , fmax) провести расчет активной части R (Ом) входного сопротивления антенны в зависимости от частоты f и построить график.

3) Во всем частотном диапазоне Дf = (fmin , fmax) провести расчет реактивной части X (Ом) входного сопротивления в зависимости от частоты f и построить график Х(f).

4) Во всем частотном диапазоне Дf = (fmin , fmax) провести расчет КСВ антенны в зави-симости от частоты f и построить график КСВ(f) для той части частотной области, в кото-рой КСВ ? 3.

5) Во всем частотном диапазоне Дf = (fmin , fmax) провести расчет КНД антенны (КНД = Ga при КПД = 1) в зависимости от частоты f и построить график КНД(f). антенна направленность частота устройство

6) Во всем частотном диапазоне Дf = (fmin , fmax) провести расчет Elev антенны в зави-симости от частоты f и построить график Elev(f).

7) Построить диаграммы направленности (ДН) антенны для средней и крайних частот (fср, fmin, fmax ) и охарактеризовать меру изменяемости ДН в зависимости от частоты.

8) Для рабочей частоты fР рассчитать изменение Elev антенны в зависимости от высоты h антенны над землей и построить график Elev(h).

Исходные данные:

Выбрал антенну из файла C:\MMANA-GAL_Basic\ANT\Short\Curved\ Curved dipole.maa

1) Тип и размеры антенны:

Антенна дипольная изогнутая.

Состоит из 3-х проводов одного диаметра d = 0,8 мм:

а) 1-ый провод длиной 5,2 м.

б) 2-ой и 3-ий провода длиной 2,75 м.

2) Рабочая частота - 14,05 МГц.

3) Полный частотный диапазон Дf = (fmin , fmax): Дf = 0,3 МГц.

Произведём расчёт размеров проводов нашей антенны

Для начала нужно вычислить длину волны сигнала, который будет принимать наша антенна. Если частота удалённой станции равна f, то длину волны можно вычислить по следующей формуле л = 300 / f (МГц). Теперь вычислим длину полуволнового вибратора с учётом коэффициента укорочения. Диаметр трубок диполя 0,8 мм = 0,0008 м. Частота f = 14,05 МГц соответствует длине волны: л = 300 / 14,05 (МГц) = 21,35 м. Отсюда получаем соотношение л/d = 21,35/0,0008 = 26700. Этот коэффициент соответствует примерно 0,99. Таким образом, требуемая длина вибратора равна: (л/2)*k = (21,35 / 2) * 0,99 = 10,57 м. Общая длина проводов нашей антенны: 5,2 + (2 * 2,75) = 10,7 м. Разница ? 13см… Если рассчитывать диполь без учета укорочения, тогда получается: 21,35 / 2 = 10,675 м должна быть длина нашего диполя. 5 см разницы - это уже ближе! 5 см, думаю, учитываются вычислениями связанными с учётом криволинейности нашей антенны.

Рис. 1 График укорочения диполя

Рис.2

Выберем высоту расположения антенны над землёй, изменяя значение высоты и добиваясь максимального значения КНД. Наибольший КНД = 8,26 получился при высоте антенны над землей 12 м.

Рис. 3

Входное сопротивление Z_ВХ = R + jX, где R (Ом) - активная часть входного сопротив-ления, jX (Ом) - реактивная часть, при разных высотах расположения антенны изменяется следующим образом:

Коэффициент стоячей волны самым меньшим (1,22) оказался на высоте 16 м, при максимальном же усилении (на высоте 12 м) КСВ оказался самым большим. При этом не факт, что бОльший КСВ может ухудшить характеристики антенны.

Elev(гр) - зенитный угол с максимумом излучения антенны (видно на ДН) с максимумом усиления Ga (на высоте 12 м), «бъёт» под углом 26,4'. Рассмотрим ДН при различных высотах подвеса антенны.

Рис. 4 Высота 5 м

Рис. 5 Высота 10 м

Рис. 6 Высота 12 м

Рис. 7 Высота 15 м

Рис. 8 Высота 16 м

Из диаграмм направленности видно, что на высоте 5 м всё излучение антенны направлено вверх, на высоте 16 м основная часть излучения идет также вверх и небольшая с максимумом в этом направлении под углом 20'. Самое лучшее излучение происходит на высотах 10 и 12 м, различие состоит в том, что на высоте 10 м излучение распространяется под широким углом. Для различных применений антенны подходит свой из последних двух описанных вариантов.

Для расчёта активной части R (Ом) входного сопротивления антенны, реактивной части X (Ом) входного сопротивления, КСВ, КНД, Elev антенны в зависимости от частоты f выберем высоту антенны 10 м, сделаем замеры на различных частотах и построим график.

Таблица 2. Зависимость различных характеристик антенны от частоты

Рис. 9 Зависимость активной части R (Ом) входного сопротивления от частоты

Рис. 10 Зависимость реактивной части jX (Ом) входного сопротивления от частоты

Рис. 11 Зависимость КНД (коэффициента направленного действия) от частоты

Рис. 11 Зависимость зенитного угла, под которым расположен максимум излучения антенны от частоты

Для построения графика зависимости КСВ от частоты, нужно, чтоб значения КСВ не превышали 3, в прошлых замерах эти значения при Дf = 4 МГц доходили до 43. Уменьшим Дf = 1 МГц, произведём измерения, запишем в таблицу 3, и по найденным значениям построим график.

Таблица 3.

Рис. 12 Зависимость КСВ от частоты

Построим диаграммы направленности (ДН) антенны для средней и крайних частот (fср, fmin, fmax ) и охарактеризуем меру изменяемости ДН в зависимости от частоты. Частоты возьмём из последних измерений (при обработке данных КСВ), такие, чтобы при fmin, fmax КСВ не превышало 3.

Рис. 13 ДН при частоте 13.75 МГц

Рис. 14 ДН при частоте 14.05 МГц

Рис. 15 ДН при частоте 14.65 МГц

Из рисунков диаграмм видно, что излучение разбивается на 2 лепестка. Угол максимума излучения во всех случаях находится в пределах 32'. Разница в 3-х случаях состоит в том, что на частоте 14.65 МГц излучение более узконаправлено по сравнению с остальными 2-мя вариантами и бОльшая часть энергии ЭМВ уходит в пространство под более узким углом. Но при этом КСВ достигает значения 2.9. Влияние КСВ можно уменьшить различными способами согласования антенны.

Для рабочей частоты f_Р = 14,05 МГц рассчитаем изменение Elev антенны в зависимости от высоты h антенны над землей, запишем данные в таблицу 4 и построим график.

Таблица 4.

Рис.15 Зависимость максимального угла излучения антенны от высоты подвеса.

На высоте 15 м угол излучения резко уходит вверх, излучение распространяется по 3-ём лепесткам. На высоте 10 м излучение 2-х лепестковое и на высоте 11 м начинает появляться 3-ий лепесток, излучающий энергию ЭМВ вверх.

Размещено на Allbest.ru