Дискоконусная антенна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Аппаратура радиосвязи обеспечивает группе руководства полетами двухстороннюю симплексную радиосвязь с самолетами, находящимися в зоне действия диспетчерского радиолокатора, по трем независимым каналам в УКВ и ДЦВ диапазонах. Кроме того, эта аппаратура обеспечивает работу трех независимых каналов автоматического радиопеленгатора АРП -11.

Аппаратура радиосвязи включает три радиостанции типа Р- 863. Ра-диостанции, работающие с АРП в режиме приема, работают от антенны АРП через предварительные высокочастотные усилители, а в режиме передачи - на дискоконусную антенну.

Радиостанция, работающая только на радиосвязь, нагружена на дискоконусную антенну.

В этой курсовой работе мы рассмотрим и спроектируем дискоконус-ную антенну, которая должна обеспечить диапазон рабочих частот 100…149,75 МГЦ (МВ, УКВ); 220…399,75 МГц (ДМВ).

1. Анализ уровня технических решений конструкций и электрических параметров подобных устройств

Дискоконусная антенна, представляет собой вертикально поляризованный излучатель с горизонтальной круговой диаграммой направленности, во многом аналогичной диаграмме вертикального вибратора. частота дискоконусный антенна

Главное преимущество дискоконусной антенны заключается в большой ширине полосы частот, в пределах которой ее можно питать по коаксиальному кабелю при соответствующих симметрии и импедансе.

Она сравнительно проста по своему устройству и нечувствительна к отклонениям от номинальных размеров. Поэтому такие антенны широко используются в коммерческом вещании, главным образом в диапазонах дециметровых и метровых волн.

Дискоконусная антенна состоит из металлического конуса с диском на вершине. Ее относят к антеннам с верхним питание, которые снабжены концевой емкостью в виде диска и конусообразным внешним проводником.

В своем исходном виде дискоконусные антенны применяются только в дециметровом диапазоне.

В диапазонах коротких волн используются преимущественно «скелетные» формы, когда металлические поверхности заменяются фигурами из металлических прутков, полос, трубок или проводов (рис. 1).

Тем самым обеспечивается существенное снижение веса и ветрового сопротивления антенны, а также затрат на ее изготовление без заметного ущерба для электрических свойств.

В антеннах промышленного производства на диск и конус идет как минимум по шесть, чаще по восемь, а в особых случаях и по двенадцать стержней. Существуют варианты из тонкого провода или проволочной сетки, а также смешанные формы из сплошного диска и пруткового конуса.

Рисунок 1. Дискоконусная антенна и ее разновидности: а - однородная; б - скелетная; в - смешанная.

Принципиальная схема антенны представлена на рис.2. Коаксиальный кабель питания проложен внутри конуса к его вершине. Там экран припаивается к конусу, так что последний служит продолжением экрана. Внутренняя жила кабеля припаивается к центру диска, изолированного от конуса.

Рисунок.2 Принципиальная схема дискоконусной антенны

Дискоконусная антенна представляет собой вертикальный вибратор, который охватывает широкую полосу частот благодаря своей особой форме. Как и любой вертикальный вибратор, она, являясь круговым горизонтальным излучателем, характеризуется круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и всем знакомой диаграммой полуволнового вибратора в виде восьмерки в вертикальной плоскости . Последняя, впрочем, может быть в той или иной степени искажена в зависимости от рабочей частоты. Выше нижней частоты границы, на которую рассчитана антенна, КСВ в 50-омном коаксиальном кабеле не превышает 2 во всей частотной области с отношением пределов 1:10. Отсюда ясно, почему эту антенну широко ко используют для коммерческого вещания, где требуется часто менять рабочие частоты или охватывать значительную частотную область. Важнейшей из характеристик дискоконусной антенны оказалась нижняя предельная частота . Ее можно определить как наименьшую рабочую частоту, на которой величина КСВ в 50-омном коаксиальном кабеле не превышает 3. На частотах ниже КСВ быстро растет, а выше -постепенно убывает до своего среднего значения <1,5. Дискоконусная антенна электрически ведет себя как фильтр верхних частот с относительно крутым спадом частотной характеристики (рис. 3).

Рис.3 Типичная зависимость КСВ дискоконусной антенны с питанием по 50-лмному коаксиальному кабелю от рабочей частоты.

Результаты определений минимальной рабочей частоты зависят от длины конуса , диаметра диска и угла при вершине конуса . Как показали опыты Нейла, оптимальный диаметр диска составляет независимо от угла . Длина определяется . По мнению Кандояна (Kandoian), эта длина, приведенная к минимальной частоте, составляет приблизительно , но Нейл определил, что .

Их соотношение проясняют кривые частотной зависимости согласования, которые Нейл получил опытным путем. Они приведены на рис.4. в несколько измененном виде. По оси абсцисс отложена относительная частота причем как опорная длина соответствует . Каждому значению коэффициента отвечает длина , выраженная в , и для оценки этой длины достаточно умножить на 0,25. Бессмысленно надеяться на приемлемую величину КСВ для в 50-омном коаксиальном кабеле, если составляет . В этом случае при величина КСВ приближается к 3,5. Она быстро растет с уменьшением угла раскрыва конуса.

Рис.4 Согласование дискоконусной антенны и 50-омного коаксиального кабеля при различных углах раскрыва в зависимости от рабочей частоты

По кривым видно, что при любых указанных там углах раскрыва величина КСВ2, если выбрать , что соответствует длине , приведенной к максимальной рабочей длине волны. Одновременно служит множителем для , делая соотношение частоты и согласования более отчетливым. Кривые показывают, что сходство с фильтром верхних частот хорошо проявляются при больших углах раскрыва. При на кривой согласования появляется все больше промежуточных максимумов, нежелательных для многих применений. Скелетной конструкции антенны свойственны несколько иные значения, но ход соотношения между согласованием и частотой подчиняются той же тенденции.

Как правило, предпочитают угол раскрыва , при котором осевое сечение конуса является равносторонним треугольником, а . У дискоконусных антенн промышленного изготовления угол варьируется от до . ограничивает частотную область сверху таким образом, что она расширяется с уменьшением . Между и промежутком действует соотношение , зависящее от угла раскрыва .

Диаграмма направленности в плоскости является круговой и не зависит от угла раскрыва на всех рабочих частотах. По данным промышленности, отклонение от круговой формы в области рабочих частот не превышает ±5 дБ. Диаграмм направленности в плоскости на частоте во многом аналогична диаграмме полуволнового вибратора, когда главный луч перпендикулярен оси антенны. Угол раскрыва слабо влияет на диаграмму направленности в горизонтальной плоскости на частоте . С ростом рабочей частоты диаграмма деформируется, все больше отступая от первоначальной правильной двухлепестковой формы. Об этом свидетельствуют диаграммы в плоскости , полученные Нейлом при углах раскрыва , и (рис. 3). Максимум излучения на рабочих частотах до лежит преимущественно в горизонтальной плоскости при любых углах раскрыва. Уже на частоте диаграмма деформируется настолько, что напряженность поля в горизонтальной плоскости убывает на 1,5 дБ. У антенны с на частоте потери доходят до 2 дБ, если привести их к максимуму излучения резонансного вертикального полуволнового вибратора.

Своими измерениями Нейл показал, что потери достигают 3,3 дБ на частоте и вновь убывают до 2,2 дБ на частоте . Судя по диаграммам направленности на более высоких частотах, верхний предел рабочей частоты определяется не столько согласованием, сколько практической применимости Е-диаграммы. Недаром поставщики антенн промышленного изготовления указывают в спецификациях существенно более узкие области частот, нежели те, которые могут быть обеспечены надлежащим согласование.

Рисунок 3. Нормированные диаграммы направленности в плоскости Е для дискоконусных антенн с углом раскрыва , и

Диаметр диска также влияет на диаграмму в плоскости Е на частотах выше . При большом диске излучение над горизонтом ослабляется, а при слишком малом искажается частотная характеристика, и излучение отклоняется в сторону конуса. Уже по диаграммам в плоскости Е хорошо видно, что усиление дискоконусных антенн, приведенное к полуволновому вибратору, равно нулю. Поэтому серьезные поставщики таких антенн либо вообще не указывают их усиление, либо дают значение 0дБ (по отношению к полуволновому вибратору) или 2,15 дБ (к изотропному излучателю).

Для питания описываемых антенн через коаксиальный кабель не требуется ни симметрирующего устройства (как в случае полуволнового вибратора), ни согласующие цепочки. Благодаря широкополосности дискоконусные антенны некритичны к размерам своих элементов и не нуждаются в настройке.

Расчет дискоконусной антенны в программе MMANA

Рисунок 3. Дискоконусная антенна: 1- диск, 2- пластиковая труба с фланцем, 3 - алюминиевый конус, 4- алюминиевый вибратор, 5-алюминиевая труба, 6- металлическая труба с фланцем.

Дискоконусная антенна, которую мы проектируем состоит из диска, алюминиевого конуса d-100мм,16 алюминиевых, полых вибраторов диаметром 10мм), изолятор (пластиковая труба с фланцем),алюмелевая труба диаметром 6 см, длиной 80 см, металлической трубы с фланцем. В самом начале изготовлении конструкции антенны мы припаиваем к центру диска центральную жилу коаксиального кабеля длиной 112см, а оплетку кабеля крепим на алюминиевый конус. На другом конце кабеля, припаивавшем коаксиальный разъем.

Для того чтобы закрепить диск, размечаем и сверлим (сверлом d=5mm) отверстия на пластиковой трубе с фланцем. И крепим ее с помощью болтов по центру диска. Далее в алюминиевом конусе размечаем и сверлим (сверлом d=10mm) 16 отверстий (отверстия должны располагаться так, чтобы угол раскрыва конуса антенны составлял 60°) и нарезаем резьбу. Также нарезаем резьбу на алюминиевых прутках. алюминиевый конус вставляем в пластиковую трубу с фланцем на которой уже закреплен диск, сверлим (сверлом d5mm) 4 отверстия, нарезаем резьбу и закручиваем болты. После того как закрепили диск и алюминиевый конус, нужно закрепить один конец алюминиевой трубы с конусом, а другой конец закрепить с металлической трубой с фланцем.

Для этого необходимо просверлить (сверлом d=5mm) 8 отверстий и нарезать резьбу, закрутить болты. Теперь, когда почти вся конструкция собрана, можно закрутить 16 алюминиевых прутков.

Размеры антенны:

Размеры были сняты с реальной антенны. Так как с помощью MMANA-GAL реализуют лишь проволочные модели антенн, то диск и конус будут задаваться отрезками проводников. Далее рисуем антенну, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 - Внешний вид дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит из 16 проводов

Основную частоту указываем 250 МГц, параметры “ЗЕМЛЯ” ставим свободное пространство. Теперь, когда мы увидели результаты расчета антенны в таблице, было бы неплохо более детально изучить их. На Рисунке 5 синей линией (кривая 1) показан график R(f), а красной (кривая 2) - jX(f). Есть очень полезная функция - обеспечивающая возможность включить/выключить (во всплывающем под правой кнопкой мыши меню) на этом графике СУ согласующее устройство. Оно автоматически уже рассчитано, и можно посмотреть, как измениться график.

Оценить, как на краях полосы пропускания антенны меняются реактивности. Уменьшается ли их значение при включении СУ (СУ и антенна имеют разные знаки вносимой реактивности по краям полосы, и поэтому частично компенсируют друг друга, расширяя суммарную полосу системы СУ_антенна). Или же наоборот, включение СУ увеличивает реактивности по краям полосы. Это означает, что СУ и антенна имеют одинаковые знаки вносимой реактивности по краям полосы, и поэтому СУ, хотя и настраивает антенну на центральной частоте, но уменьшает полосу системы СУ_антенна.

Рисунок 5 - Зависимость сопротивления от частоты дискоконусной антенны

Закладка «КСВ» Выводит график зависимости КСВ от частоты Рисунок 6. Размер графика по оси КСВ автоматически адаптируется под получившиеся в процессе расчета значения, поэтому мы всегда увидим полный график.

Рисунок 6 -Зависимость КСВ дискоконусной антенны от частоты

Закладка «Усиление/FB» Выводит графики на Рисунке 7 усиления Gain(f) черным цветом и отношения излучений вперед/назад - красным.

Рисунок 7 - Зависимость усиления и отношения излучения вперед-назад дискоконусной антенны

Закладка «ДН» Выводит разными цветами диаграммы направленности на Рисунке 8 антенны для всех частот (шагов сетки) в рассчитанной полосе, а также табличку изменения основных параметров.

Рисунок 8 - Диаграммы направленности и таблица значений параметров дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит из 16 проводов

Выбрав эту закладку «ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ» рисунок 9, мы увидим ДН антенны в вертикальной и горизонтальной плоскости и табличку всех основных параметров антенны. У нашей антенны, как мы видим вертикальная ДН.

Рисунок 9 - Диаграмма направленности на частоте 250 МГц дискоконусной антенны

Так как дискоконусная антенна, которую я спроектировал установлена на одной мачте еще с двумя такими же антеннами. Мы можем посмотреть работу этих антенн, установленных на одну общую мачту в программе MMANA. Для этого построим в MMANA антенны, как показано на рисунке 10

Рисунок 10. Расположение дискоконусных антенн

Рассмотрим полученные результаты расчетов для каждой антенны:

Первая дискоконусная антенна.

Рисунок 11 - Зависимость сопротивления от частоты дискоконусной антенны

Рисунок 12. Зависимость КСВ от частоты

Рисунок 13 Зависимость усиления и отношения излучения вперед-назад дискоконусной антенны

Рисунок 14. Зависимость ДН от частоты

Рисунок 16. ДН дискоконусной антенны.

Рисунок 17. 3D ДН дискоконусной антенны.

Вторая дискоконусная антенна.

Рисунок 18. Зависимость сопротивления от частоты дискоконусной антенны

Рисунок 19. Зависимость КСВ от частоты

Рисунок 20. Зависимость усиления и отношения излучения вперед-назад дискоконусной антенны

Рисунок 21. Зависимость ДН от частоты

Рисунок 22. Зависимость ДН на частоте 250 мГц

Рисунок 23. Трехмерная ДН

Третья дискоконусная антенна.

Рисунок 24. Зависимость сопротивления от частоты дискоконусной антенны

Рисунок 25. Зависимость КСВ от частоты

Рисунок 26. Зависимость усиления и отношения излучения вперед-назад дискоконусной антенны

Рисунок 27. Зависимость ДН от частоты

Рисунок 28. ДН на частоте 250 МГц

Рисунок 29. Трехмерная ДН

Заключение

В данном курсовом проекте была спроетирована дискоконусная ан-тенна. Сопоставив полученные результаты, можно сказать, что диско-конусная антенна является широкополосной антенной и с вертикальной по-ляризацией.

В ходе работы была использована программа для WINDOWS, поз-воляющая создавать геометрию различных х антенн и исследовать в пакете MMANA.

Спроектированная антенна отличается простотой конструкции и мо-жет применяться как самостоятельная антенна.

Список используемых источников

1. Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. - 3-е изд., доп. - М.: Энергия, 1979

2. А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов/ Антенно-фидерные устройства, издание второе, переработанное и дополненное, М., «Советское радио», 1974

3. И. Гончаренко DL2KQ-EU1TT Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA, РадиоСофт, журнал «Радио», Москва, 2002

Размещено на Allbest.ru