Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Інститут комп'ютерних технологій та автоматики
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Захист інформації
Інформація про роботу
Рік:
2012
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Метрологія
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний університет "Львівська політехніка"
Кафедра “Захист інформації”
Інститут комп’ютерних технологій, автоматики, метрології
Методичні вказівки до лабораторної роботи №3 (частина 1)
Антени
з курсу "Поля і хвилі у системах технічного захисту інформації"
для студентів спеціальності
6.170102 “Системи технічного захисту інформації”
Затверджено
на засіданні кафедри
"Захист інформації" Протокол № __ від " ____"2012 р.
Львів-2012
Лабораторна робота (Частина 1): Антени
Мета роботи - ознайомлення з: 1) призначенням антен; 2) структурою; 3) основними характеристиками антен
Призначення, структура тракту, діаграма направленості, класифікація.
Призначення, загальна характеристика.
Антенны представляют собой конструкцию из токопроводящих элемен тов, размеры и конфигурация которых определяют эффективность преобра зования радиосигналов в электрические. Блок схема прохождения радиосигнала от передатчика до приемника.
Рис. 1. Структурная схема прохождения радиосигнала от передатчика до приемника.
Требования, предъявляемые к антеннам, различны в зависимости от назначения радиотехнического средства.
а) Телецентр, здесь свои требования
Рис. 2. Диаграмма направленности телецентра
б) Радиолокационная станция, здесь свои ДН. КНД большой, КУ большой.
Рис. 3. Диаграмма направленности РЛС
Классификация антенн. Условное деление: а) передающие; б) приемные. По диапазону волн: а) антенны метровых волн; б) антенны более длинных волн; в) СВЧ-антенны. Такая классификация имеет недостаток: одна и та же антенна может использоваться в различных частотных диапазонах.
Рис. 4. Симметричный вибратор (диполь)
Симметричный вибратор может использоваться, как в метровом диапазоне, так и в ДМ, и в СМ диапазоне.
Наиболее целесообразно делить антенны по типу излучающих элементов антенны. Выделяют три группы:
антенны с линейными токами – линейные антенны.
d << l
d << (
апертурные антенны
антенны поверхностных волн
Линейные антенны делятся на:
открытые
а) симметричные вибраторы (одинаковые потенциалы, но разные по знаку относительно земли)
б) нулевой потенциал земля (противовес)
замкнутые – рамочные (используются в радио навигации (ДВ, СВ, КВ)
Апертурные антенны – это такие антенны, излучение у которых происходит через раскрыв – апертуру. Используются, как правило, в СВЧ-диапазоне. Существенно отличаются от линейных антенн, как по принципу действия, так и по анализу и по конструкции.
К ним относятся:
рупорные
линзовые
зеркальные
Размеры апертуры >>( – ДН осторонаправленная, то есть узкая.
Как правило, в раскрыве амплитудное распределение – синфазное. Поле в раскрыве характеризуется двумя параметрами: амплитудным распределением и фазовым распределением.
Рис. 5. Рупорная антенна
Апертура поля в ней , где – функция распределения амплитуду в раскрыве, – функция распределения фазы в раскрыве
Эти антенны применяются в самых различных радиотехнических устройствах: РЛС, РР линии, телевидение, системы наведения и слежения за ЛА и т.д.
Антенны поверхностных волн – возбуждаются бегущими электромагнитными волнами, распространяющимися вдоль антенн, и излучающими преимущественно вдоль распространения.
Рис. 6. Поперечное сечение стержневой диэлектрической антенны
Рис.7. Плоскостная прямоугольная антенна с системой прямоугольных канавок
Основные параметры антенн. Существует две группы:
1-ая группа связана с наличием энергии токов СВЧ
2-ая группа связана с излучением электромагнитных волн
1-ая группа – , КСВ. Резонансные частоты
2-ая группа – ДН, КУ, КНД. Поляризационные характеристики (свойства).
Начнем рассмотрение со второй группы, параметры делятся на: первичные; вторичные. Первичные параметры определяются путем непосредственных измерений: комплексная векторная ДН и КУ. Вторичные параметры определяются графическим или расчетным путем по измеренным первичным. К вторичным относятся: ширина ДН, УБЛ, КНД коэффициент эллиптичности.
Классификация антенн. Для обеспечения эффективного из лучения и приема в широком диапазоне используемых радиочастот создано большое количество видов и типов антенн, общая классификация которых пред ставлена на рис. 8.
Назначение передающих и приемных антенны ясно из их наименований. По своим основным электрическим параметрам они не отличаются. Многие из них в зависимости от схемы подключения (к передатчику или приемнику) могут использоваться как передающие или приемные. Однако если к переда ющей антенне подводится большая мощность, то в ней принимаются специ альные меры по предотвращению пробоя между элементами антенны, нахо дящихся под более высоким напряжением.
Рис. 8. Классификация антенн
Эффективность антенн зависит от согласования размеров элементов ан тенны с длинами излучаемых или принимаемых волн. Минимальная длина согласованной с длиной волны электромагнитного колебания штыревой ан тенны близка к /4, где - длина рабочей волны. Размеры и конструкция ан тенн отличаются как для различных диапазонов частот, так и внутри диапа зонов.
Если для стационарных антенн требование к геометрическим размерам антенны может быть достаточно просто выполнено для коротких и ультра коротких волн, то для антенн, устанавливаемых на мобильных средствах, оно неприемлемо. Например, рациональная длина антенны для обеспечения свя зи на частоте 30 МГц составляет 2.5 м, что неудобно для пользователя. По этому применяют укороченные антенны, но при этом уменьшается их эф фективность. Укорочение антенны в 2 раза уменьшает эф фективность до 60%, в 5 раз (до 50 см) - до 10%, а эффективность антенны, укороченной в 10 раз, составляет всего около 3% от рационального варианта.
По конструкции антенны разделяются на проволочные (вибраторные), рупорные, параболические, рамочные, спиральные, антенные решетки и раз личные их комбинации.
Возможности антенн как приемных, так и передающих определяются следующими характеристиками: диаграммой направленности; коэффициентом полезного действия; коэффициентом направленного действия; коэффициентом усиления; полосой частот.
Диаграмма направленности. Диаграмма направленности представляет собой графическое изображе ние уровня излучаемого и принимаемого сигнала от угла поворота антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Диаграммы изображаются в прямоугольных и полярных координатах (рис. 9). Диаграммы направленности могут иметь разнообразный и изрезанный характер, определяемый механической конструкцией и электрическими пара метрами. Лепесток диаграммы направленности с максимумом мощности из лучаемого или принимаемого электромагнитного поля называется главным или основным лепестком, остальные боковыми и задними. Соотношение ме жду величинами мощности основного лепестка по сравнению с остальными характеризует направленные свойства антенны. Ширина главного лепестка диаграммы измеряется углом между прямыми, проведенными из начала по лярных координат до значений диаграммы, соответствующих половине мак симальной мощности излучения или 0.7 напряжения электрического сигнала приемной антенны. Чем уже ширина диаграммы направленности антенны, тем выше ее коэффициент направленного действия.
Рис. 9. Диаграмма направленности антенн
Коэффициент направленного действия (КНД) определяет величину энер гетического выигрыша, который обеспечивает направленная антенна по сравнению с ненаправленной. Потери электрической энергии в антенне оцениваются коэффициентом полезного действия (КПД), равного отношению мощности сигнала на выходе реальной антенны к мощности сигнала идеальной антенны без потерь.
Произведение этих двух коэффициентов определяет коэффициент усиле ния антенны (КУ). Так как КНД >1, а КПД <1, то коэффициент усиления в зависимости от значений сомножителей может теоретически принимать зна чения как меньше, так и больше 1. Чем выше КУ, тем больший энергетиче ский эффект обеспечивает антенна, но тем точнее необходимо ориентиро вать направление основного лепестка на источник излучения. Для параболи ческой антенны коэффициент усиления антенны рассчитывается по формуле:
Кп=4πSеф λ/2,
где Sеф. - эффективная площадь зеркала антенны; λ - длина электромагнитной волны.
Для линейных антенн (например, вибраторов) КУ характеризуется дейс твующей высотой или длиной hа=Eа/E, где Eа - максимальное значение наво димой в антенне электродвижущей силы, Е - напряженность электромагнит ного поля в точке приема. Полоса частот, в пределах которых сохраняются заданные технические характеристики антенны, называется полосой ее про пускания.
Создание антенн с высоким коэффициентом усиления и широкой поло сой пропускания представляет основную проблему в области конструирова ния антенн. Чем выше КУ, тем труднее обеспечить широкополосность антен ны. В зависимости от полосы пропускания антенны разделяются на узкопо лосные, широкополосные, диапазонные и широкодиапазонные.
Узкополосные антенны обеспечивают прием сигналов в диапазоне 10% от основной частоты. У широкополосных антенн эта величина увеличивается до (10-50)%, у диапазонных антенн коэффициент перекрытия (отношение верхней частоты полосы пропускания антенны к нижней) составляет 1.5-4, а у широкодиапазонных антенн это отношение достигает значений в интервале 4-20 и более.
Совокупность однотипных антенн, расположенных определенным обра зом в пространстве, образуют антенную решетку. Сигнал антенной решетки соответствует сумме сигналов от отдельных антенн. Различают линейные (одномерные) и плоские (двухмерные) антенные решетки. Антенные решет ки, у которых можно регулировать фазы сигналов отдельных антенн, называ ют фазированными антенными решетками. Путем изменения фаз суммируе мых сигналов можно менять диаграмму направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях и производить быстрый поиск сигнала по про странству и ориентацию антенны на источник излучения. Класифікація антен за діапазонами представлена в таблиці 1.
Таблиця 1
Характеристики основних типів антен: класифікація за діапазонами частот
Тип
Вид
Діапа-зон частот (МГц)
Дальні-
сть зв’язку
(км)
Діаграми направленості
Примітка
Вертикальна
Горизонтальна
1
2
3
4
5
6
7
Вібратор горизонтальний ВГД 2х1
0.1-20
0-60 200-2000
Стаціонарні КВ радіо- засоби середньої та великої потужності
Вібратор горизонтальний ВГД
0.1-20
0-60 200-2000
Вібратор горизонтальний ВГДШ
0.1-20
0-60 200-2000
Похила Т-образна антена Т2х40
1.5-2
0-60
Рухомі Р-161 Р-140
Похила симетрична вібраторна антена
1.5-5
0-800
Антенна зенітного випромінювання АЗВ
1.5-14
100-300
Похила Т-образна антена Т2х11
2-4
0-60
Похила Т-образна антена Т2х13 (приймальна)
2-5
0-60
Штирова вібраторна антена ШТ-10
4-14
0-100
Рухомі стаціонарні
Р-140
Похила симетрична вібраторна антена Д2х13
4-16
0-800
Рухомі Р-161 Р-140
Похила симетрична вібраторна антена Д2х11
5-16
0-600
Рухомі Р-140
Похила V -образна антена V 2х46
10-30
1000-2000
Рухомі Р-161 Р-140
Штирова вібраторна антена ШТ-4
14-50
0-60
Рухомі Р-161 Р-140 Р-134 Р-137 Р-171 Р-173
П –образная антенна -60/15
20-60
0-150
Рухомі Р-161 Р-140 Р-137
Біконічна симетрична вертикальна вібраторна антена
20-60
0-100
Рухомі, стаціонарні “Брелок” “Блеск”
Дискоконусна антена ДКА (УВЧ)
240-480
Для связи с летно-подъемными средствами
Р-409
Дахова несиметрична антена с верхнім навантаженням
25-60
0-60
Рухомий варіант комплексів “Брелок” “Блеск”
Об’ємна несиметрична вібраторна антена з противагою
2-80
0-150
Стаціонарні і рухомі Р-137 “Брелок” “Блеск”
Штирова вібраторна антена ШТ-3
50-60
0-75
Стаціонарні і рухомі Р-161 Р-137
Площинна вібраторна антена з противагою
30-60
0-80
Стаціонарні і рухомі Р-161
Дипольна погодо періодична антена
40-120
0-150
Стаціонарні і рухомі Р-137 Р-161 Р-409
Двоелементна синфазна антена решітка зигзаго-подібних випромінюнювань з рефлектором (ДБ-11)
120-240 (390-429.8)
0-60
Стаціонарні і рухомі Р-415 Р-419
Z –образна синфазна антена з рефлектором
120-240
0-60
Стаціонарні і рухомі Р-409
4-и елементна синфазна Z -подібна антена з рефлектором
240-480
0-60
Стаціонарні і рухомі Р-409
Коаксіальна симетрична антена 1Б12-1
80-119.95
0-60
Стаціонарні і рухомі Р-415
Коаксіальна симетрична антена ДБ12
390-429.8
0-60
Стаціонарні і рухомі Р-415
Двонаправлені антени D-2.5
4438-4557.98
4630-4750
80-200
Стаціонарні і рухомі Р-412 Р-423
Лабораторна робота (частина2): Антени. Розрахунок.
Рамочні антени
В тех конкретных условиях приема телевизионных передач, когда простейшие антенны или трехэлементная антенна тина "Волновой канал" не могут обеспечить получение на экране телевизора удовлетворительного качества изображения, можно рекомендовать двухэлементную рамочную антенну, которая иначе называется обычно антенной "Двойной квадрат".
Рамочные антенны сочетают повышенный коэффициент усиления с простотой конструкции и отсутствием необходимости настройки при сравнительно узкой полосе пропускания. Узкополосные антенны по сравнению с широкополосными обладают таким дополнительным преимуществом, как частотная избирательность. Благодаря этому на вход телевизионного приемника не могут проникнуть помехи от других телевизионных передатчиков, работающих на соседних по частоте каналах, если по каким-либо причинам возникли благоприятные условия распространения их сигналов в данном направлении. Особенно важна частотная избирательность антенны в условиях слабого сигнала. Дело в том, что нередки случаи, когда необходимо обеспечить прием слабого сигнала от удаленного передатчика, но поблизости работает мощный передатчик другой программы на соседнем канале. В таких условиях частотной избирательности телевизионного приемника может не хватить. Кроме того, как известно, интенсивная помеха, поступая на первый же нелинейный элемент схемы приемника (электронную лампу, транзистор или микросхему), приводит к перекрестной модуляции сигнала этой помехой. В последующих каскадах избавиться от этой помехи в приемнике уже невозможно. Поэтому ослабление такой помехи за счет частотной избирательности антенны имеет очень важное значение.
Наибольшее распространение получили двухэлементные рамочные антенны, хотя иногда используют также и трехэлементные рамочные антенны. Впервые предложил использовать эти антенны для приема телевидения советский энтузиаст дальнего приема С. К. Сотников. Его первая статья с описанием двухэлементных рамочных антенн была помещена в журнале "Радио", 1959 г., № 4, с. 31-32. Многочисленные эксперименты радиолюбителей подтвердили их эффективность. Антенны с числом рамок более трех не используют по тем же самым причинам, по которым нецелесообразно применение многоэлементных антенн "Волновой канал": необходимость тщательной настройки, без которой параметры антенны от увеличения числа элементов не улучшаются.
Рамки антенны имеют квадратную форму, а по углам могут иметь закругления произвольного радиуса, не превышающего примерно 1/10 стороны квадрата. Рамки выполняют из металлической трубки диаметром 10... 20 мм для антенн 1-5-го каналов или 8... 15 мм для антенн 6-12-го каналов. Как и при изготовлении других антенн, металл может быть любым, но предпочтительнее медь или латунь. Верхняя стрела соединяет середины обеих рамок, а нижняя стрела изолирована от вибраторной рамки и крепится к пластине, изготовленной из гетинакса, текстолита или оргстекла толщиной 6... 8 мм и размерами 30 х 60 мм. К этой же пластине крепятся концы вибраторной рамки винтами с гайками, для чего концы рамки можно расплющить. Стрелы могут быть выполнены металлическими или из изоляционного материала - текстолита или винипласта. В этом случае специально соединять рамки между собой нет необходимости. Мачта должна быть деревянной, по крайней мере ее верхняя часть. Металлическая часть мачты должна заканчиваться на 1, 5 м ниже антенны. Рамки антенны располагают одна относительно другой так, чтобы их воображаемые центры (точки пересечения диагоналей квадратов) находились на горизонтальной прямой, направленной на передатчик. Крепление антенны к мачте производится в центре тяжести.
Фидер подключается к концам вибраторной рамки с помощью четвертьволнового короткозамкнутого симметрирующего шлейфа из того же кабеля, что и фидер. Шлейф и фидер должны подходить к антенне вертикально снизу, расстояние между ними должно быть постоянным по всей длине шлейфа, для чего можно предусмотреть распорки из гетинакса. Можно также закрепить фидер и шлейф на изоляционной пластине, к которой крепятся нижняя стрела и концы вибраторной рамки, изготовив ее в виде буквы Т. При этом в пластине сверлят небольшие отверстия, а фидер и шлейф привязывают к ней капроновой леской. Использовать металлические элементы их крепления нежелательно.
Для обеспечения жесткости можно выполнить шлейф из двух металлических трубок, соединенных верхними концами с концами вибраторной рамки. В этом случае фидер пропускают внутри правой трубки снизу вверх, оплетку кабеля припаивают к правому, а центральную жилу - к левому концам вибраторной рамки. Трубки шлейфа в нижней части замыкаются перемычкой, перемещением которой можно подстроить антенну на максимум принимаемого сигнала.
По данным С. К. Сотникова, коэффициент усиления двухэлементной рамочной антенны, выполненной по рекомендованным им размерам, составляет 8... 9 дБ, что соответствует увеличению напряжения сигнала в 2, 5... 2, 8 раз по сравнению с напряжением сигнала на выходе полуволнового вибратора. Входное сопротивление этой антенны находится в пределах 70... 80 Ом.
Другие размеры двухэлементных рамочных антенн, которые можно вычислить по следующим формулам:
В =0,26L, Р =0,31L, А =0,18L,
где L - длина волны канала изображения Lи или средняя длина волны принимаемого частотного канала Lс, которые приведены в табл. 1. 1. Остальные размеры антенны берутся такими же, как указано в табл. 4. 5. Для антенны таких размеров В. П. Шейко указывает, что коэффициент усиления составляет 9... 11 дБ, что соответствует увеличению напряжения сигнала в 2, 8... 3, 5 раз по сравнению с напряжением сигнала на выходе полуволнового вибратора. Входное сопротивление такой антенны около 100 Ом.
Исходя из приведенных значений коэффициента усиления, можно сделать вывод о том, что по усилению двухэлементная рамочная антенна эквивалентна пятиэлементной антенне "Волновой канал" или немного эффективнее ее, но имеет меньшие габариты и лишена ее недостатков, так как не нуждается в настройке, хорошо согласуется с фидером и обладает хорошей повторяемостью параметров. Это объясняется тем, что активной приемной частью каждой рамки являются ее верхняя и нижняя горизонтальные части. Получается, что двухэлементная рамочная антенна содержит четыре элемента и эквивалентна двухэтажной синфазной решетке, собранной из двухэлементных антенн "Волновой канал". Влияние дополнительных двух элементов второго этажа оказывается сильнее, чем добавление двух директоров к двухэлементной антенне "Волновой канал", за счет сужения диаграммы направленности в вертикальной плоскости, а это очень важно в условиях дальнего приема, когда сигнал приходит с линии горизонта - д малым углом места. Наличие же всего двух элементов, взаимодействующих в каждом этаже, обеспечивает стабильность параметров антенны и их независимость от естественных разбросов в размерах. Благодаря этому отпадает необходимость индивидуальной настройки каждой антенны и обеспечивается хорошее согласование ее с фидером.
В качестве наружной антенны можно также использовать трехэлементную рамочную антенну, аналогичную показанной на рис. 3. 6. Отличие наружной антенны от комнатной лишь в том, что ее рамки для большей прочности должны быть выполнены из металлической трубки или прутка диаметром 6... 10 мм, а стрелы и пластина изолятора - более толстыми. Остальные размеры для антенны дециметрового диапазона волн должны соответствовать указанным в табл. 3. 2. В связи с тем, что полоса пропускания антенны в дециметровом диапазоне охватывает сразу несколько частотных каналов, размеры даются не для одного канала, а для группы каналов, соседних по частоте.
Трехэлементную рамочную антенну также можно использовать в диапазонах метровых волн.
3. Розрахунок антен
21.03.2013 15:03-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора