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:
Захисту інформації
Кафедра:
Захист інформації
Інформація про роботу
Рік:
2013
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Поля і хвилі в системах ТЗІ
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
ОЗНАЙОМЛЕННЯ ЗІ СТРУКТУРОЮ І ОСНОВНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ АНТЕН ЗА ЇХ ПРИЗНАЧЕННЯМ
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
до лабораторної роботи № 4
з курсу “Поля і хвилі в системах ТЗІ”
для студентів базового напрямку
6.170102 «Системи технічного захисту інформації»
Затверджено
на засіданні кафедри
"Захист інформації" Протокол № __ від " ____"2013 р.
Львів-2013
Ознайомлення зі структурою і основними характеристиками антен за їх призначенням: Методичні вказівки до лабораторної роботи №4 з курсу “Поля і хвилі в системах ТЗІ” для студентів базового напрямку 6.170102 «Системи технічного захисту інформації» / Укл. А.І. Партика, Г.В. Микитин. - Львів: НУЛП, 2013. - 15 с.
Укладачі: Партика А.І., канд. техн. наук, асистент,
Микитин Г.В., доктор техн. наук, доц.
Відповідальний за випуск: Дудикевич В.Б., проф., д.т.н, зав.каф. Захисту інформації
Рецензент:
Максимович В.М., доктор техн. наук, проф.
Мета роботи – ознайомлення з призначенням та базовою структурою антен різної конфігурації та дослідження основних характеристик та параметрів таких антен.
1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА.
Призначення, структура тракту, діаграма спрямованості, класифікація.
Призначення, загальна характеристика.
Антени являють собою конструкцію з струмопровідних елементів, розміри і конфігурація яких визначають ефективність перетворення радіосигналів в електричні. Блок схема проходження радіосигналу від передавача до приймача вказана на рис. 1.
Рис. 1. Структурна схема проходження радіосигналу від передавача до приймача.
Вимоги, що пред'являються до антен, різні залежно від призначення радіотехнічного пристрою:
а) Телецентр, тут вимоги:
- передавальна антена не повинна мати спрямовані властивості в горизонтальній площині (повинна бути в ідеальному варіанті ізотропною антеною);
- у вертикальній площині антена обов’язково повинна мати спрямованість
Рис. 2. Діаграма спрямованості телецентру
б) Радіолокаційна станція РЛС, тут свої вимоги:
- коефіцієнт спрямованої дії (КСД) великий, коефіцієнт підсилення (КП) великий.
- застосування лінзових антен
Рис. 3. Діаграма спрямованості РЛС
Класифікація антен.
Умовний розподіл: а) передавальні; б) приймальні.
За діапазоном хвиль: а) антени метрових хвиль; б) антени більш довгих хвиль; в) НВЧ-антени. Така класифікація має недолік: одна і та ж антена може використовуватися в різних частотних діапазонах.
Рис. 4. Симетричний вібратор (диполь)
Симетричний вібратор може використовуватися, як в метровому діапазоні, так і в ДМ, і в СМ діапазоні.
Найбільш доцільно ділити антени по типу випромінюючих елементів антени. Виділяють три групи:
Антени з лінійними струмами - лінійні антени.
d << l
d << (
Апертурні антени
Антени поверхневих хвиль
Лінійні антени діляться на:
1) відкриті
а) симетричні вібратори (однакові потенціали, але різні за знаком відносно землі)
б) нульовий потенціал земля (противага)
2) замкнуті - рамкові (використовуються в радіо навігації)
Апертурні антени - це такі антени, випромінювання у яких відбувається через отвір - апертуру. Використовуються, як правило, в СВЧ-діапазоні. Істотно відрізняються від лінійних антен, як за принципом дії, так і з аналізу і по конструкції.
До них відносяться:
рупорні
лінзові
дзеркальні
Розміри апертури >>( – ДС гостронапрямлена, тобто вузька.
Як правило, в отворі амплітудний розподіл – синфазний. Поле в отворі характеризується двома параметрами: амплітудним розподілом і фазовим розподілом.
Рис. 5. Рупорна антена
Апертура поля в ній , де – функція розподілу амплітуди в отворі, – функція розподілу фази в отворі.
Ці антени застосовуються в самих різних радіотехнічних пристроях: РЛС, РР лінії, телебачення, системи наведення і стеження за ЛА і т.д.
Антени поверхневих хвиль - збуджуються біжучими електромагнітними хвилями, що поширюються уздовж антен, і які випромінюють переважно вздовж напряму розповсюдження.
Рис. 6. Поперечний переріз стрижневої діелектричної антени
Рис.7. Площинна прямокутна антена з системою прямокутних канавок
Основні параметри антен. Існує дві групи:
1-а група пов'язана з наявністю енергії струмів СВЧ.
2-а група пов'язана з випромінюванням електромагнітних хвиль.
1-а група – , КСВ. Резонансні частоти
2-а група – ДС, КП, КСД. Поляризаційні характеристики (властивості).
Почнемо розгляд з другої групи, параметри поділяються на: первинні; вторинні. Первинні параметри визначаються шляхом безпосередніх вимірів: комплексна векторна діаграма спрямованості (ДС) і коефіцієнт підсилення (КС). Вторинні параметри визначаються графічним або розрахунковим шляхом за виміряним первинним. До вторинних відносяться: ширина ДС, КСД, коефіцієнт еліптичності.
Класифікація антен. Для забезпечення ефективного випромінювання і прийому в широкому діапазоні використовуваних радіочастот створено велику кількість видів і типів антен, загальна класифікація яких представлена на рис. 8.
Призначення передавальних і приймальних антен зрозуміле з їх найменувань. За своїми основними електричними параметрами вони не відрізняються. Багато з них залежно від схеми підключення (до передавача або приймача) можуть використовуватися як передавальні або приймальні. Однак якщо до передавальної антени підводиться велика потужність, то в ній приймаються спеціальні заходи щодо запобігання пробою між елементами антени, що знаходяться під більш високою напругою.
Рис. 8. Класифікація антен
Ефективність антен залежить від узгодження розмірів елементів антени з довжинами випромінюваних або прийнятих хвиль. Мінімальна довжина узгодженої з довжиною хвилі електромагнітного коливання штирової антени близька до / 4, де - довжина робочої хвилі. Розміри і конструкція антен відрізняються як для різних діапазонів частот, так і всередині діапазонів.
Якщо для стаціонарних антен вимога до геометричних розмірів антени може бути досить просто виконана для коротких і ультракоротких хвиль, то для антен, що встановлюються на мобільних засобах, воно неприйнятна. Наприклад, раціональна довжина антени для забезпечення зв'язку на частоті 30 МГц становить 2.5 м , що незручно для користувача. Тому застосовують укорочені антени, але при цьому зменшується їх ефективність. Вкорочення антени в 2 рази зменшує ефективність до 60% , в 5 разів (до 50 см ) – до 10 % , а ефективність антени, укороченою в 10 раз, складає всього близько 3% від раціонального варіанту.
За конструкцією антени поділяються на дротові (вібраторні), рупорні, параболічні, рамкові, спіральні, антенні решітки і різні їх комбінації.
Можливості антен як приймальних, так і передавальних визначаються наступними характеристиками: діаграмою спрямованості (ДС); коефіцієнтом корисної дії (ККД); коефіцієнтом спрямованої дії (КСД); коефіцієнтом підсилення (КП); смугою частот.
Діаграма спрямованості. Діаграма спрямованості являє собою графічне зображення рівня випромінюваного і прийнятого сигналу від кута повороту антени в горизонтальній і вертикальній площинах. Діаграми зображуються в прямокутних і полярних координатах ( рис. 9). Діаграми спрямованості можуть мати різноманітний і порізаний характер, який визначається механічною конструкцією і електричними параметрами. Пелюстка діаграми спрямованості з максимумом потужності випромінюваного чи прийнятого електромагнітного поля називається головним або основним пелюсткою, решта бічними і задніми. Співвідношення між величинами потужності основної пелюстки в порівнянні з іншими характеризує спрямовані властивості антени. Ширина головного пелюстка діаграми вимірюється кутом між прямими, проведеними з початку полярних координат до значень діаграми, що відповідають половині максимальної потужності випромінювання або 0.7 напруги електричного сигналу приймальної антени . Чим вужча ширина діаграми спрямованості антени, тим вище її коефіцієнт спрямованої дії.
Рис. 9. Діаграма спрямованості антен
Коефіцієнт спрямованої дії (КСД) визначає величину енергетичного виграшу, який забезпечує спрямована антена в порівнянні з ненаправленої. Втрати електричної енергії в антені оцінюються коефіцієнтом корисної дії (ККД), рівного відношенню потужності сигналу на виході реальної антени до потужності сигналу ідеальної антени без втрат.
Добуток цих двох коефіцієнтів визначає коефіцієнт підсилення антени (КП). Так як КНД > 1, а ККД < 1, то коефіцієнт підсилення в залежності від значень співмножників може теоретично приймати значення як менше, так і більше 1. Чим вище КП, тим більший енергетичний ефект забезпечує антена, але тим точніше необхідно орієнтувати напрям основної пелюстки на джерело випромінювання. Для параболічної антени коефіцієнт посилення антени розраховується за формулою:
Кп=4πSеф λ/2,
де Sеф. – ефективна площа дзеркала антени; λ – довжина електромагнітної хвилі.
Для лінійних антен (наприклад, вібраторів) КП характеризується діючої висотою або довжиною hа=Eа/E, где Eа – максимальне значення електрорушійної сили, що виникає в антені, Е – напруженість електромагнітного поля в точці прийому. Смуга частот, в межах якої зберігаються задані технічні характеристики антени, називається смугою її пропускання.
Створення антен з високим коефіцієнтом підсилення і широкою смугою пропускання представляє основну проблему в області конструювання антен. Чим вище КП, тим важче забезпечити широкосмуговість антени. Залежно від смуги пропускання антени поділяються на вузькосмугові, широкосмугові, діапазонні і широкодіапазонні.
Вузькосмугові антени забезпечують прийом сигналів в діапазоні 10% від основної частоти. У широкосмугових антен ця величина збільшується до (10-50)%, у діапазонних антен коефіцієнт перекриття (відношення верхньої частоти смуги пропускання антени до нижньої) становить 1.5-4, а у широкодіапазонних антен це відношення досягає значень в інтервалі 4-20 і більше.
Сукупність однотипних антен, розташованих певним чином у просторі, утворюють антенну гратку. Сигнал антеної гратки відповідає сумі сигналів від окремих антен. Розрізняють лінійні (одномірні) і плоскі (двомірні) антенні гратки. Антенні гратки, у яких можна регулювати фази сигналів окремих антен, називають фазованими антенними гратками. Шляхом зміни фаз сигналів, що додаються, можна міняти діаграму спрямованості в горизонтальній і вертикальній площинах і проводити швидкий пошук сигналу по простору і орієнтацію антени на джерело випромінювання.
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
Рамкові антени, їх параметри та особливості застосування.
У тих конкретних умовах прийому телевізійних передач, коли найпростіші антени або трьохелементна антена типу "Хвильовий канал" не можуть забезпечити отримання на екрані телевізора задовільної якості зображення, можна рекомендувати двоелементну рамкову антену, яка інакше називається зазвичай антеною "Подвійний квадрат".
Рамкові антени поєднують підвищений коефіцієнт підсилення з простотою конструкції і відсутністю необхідності настройки при порівняно вузькій смузі пропускання. Вузькосмугові антени в порівнянні з широкосмуговими володіють таким додатковою перевагою, як частотна вибірковість. Завдяки цьому на вхід телевізійного приймача не можуть проникнути перешкоди від інших телевізійних передавачів, що працюють на сусідніх по частоті каналах, якщо з якихось причин виникли сприятливі умови розповсюдження їх сигналів в даному напрямку.
Особливо важлива частотна вибірковість антени в умовах слабкого сигналу. Справа в тому , що нерідкі випадки, коли необхідно забезпечити прийом слабкого сигналу від віддаленого передавача , але поблизу працює потужний передавач іншої програми на сусідньому каналі. У таких умовах частотної вибірковості телевізійного приймача може не вистачити. Крім того, як відомо, інтенсивна перешкода, вступаючи на перший же нелінійний елемент схеми приймача (електронну лампу, транзистор або мікросхему), призводить до перехресної модуляції сигналу цієї перешкодою. У наступних каскадах позбутися цієї перешкоди в приймачі вже неможливо. Тому ослаблення такої перешкоди за рахунок частотної вибірковості антени має дуже важливе значення.
Рис. 10. Двоелементна рамкова антена
Найбільшого поширення набули двохелементні рамкові антени, хоча іноді використовують також і трьохелементні рамкові антени. Вперше запропонував використовувати ці антени для прийому телебачення радянський ентузіаст далекого прийому С. К. Сотников. Його перша стаття з описом двоелементних рамкових антен була поміщена в журналі "Радіо", 1959р., № 4, с. 31-32. Численні експерименти радіоаматорів підтвердили їх ефективність. Антени з числом рамок більше трьох не використовують за тих же самих причин, за якими недоцільно застосування багатоелементних антен "Хвильовий канал": необхідність ретельної настройки, без якої параметри антени від збільшення числа елементів не поліпшуються.
Рамки антени мають квадратну форму , а по кутах можуть мати закруглення довільного радіуса , що не перевищує приблизно 1/10 сторони квадрата. Рамки виконують з металевої трубки діаметром 10 ... 20 мм для антен 1-5-и каналів або 8 ... 15 мм для антен 6-12-и каналів. Як і при виготовленні інших антен, метал може бути будь-яким, але переважно використовують мідь або латунь. Верхня стріла з'єднує середини обох рамок, а нижня стріла ізольована від вібраторної рамки і кріпиться до пластини, виготовленої з гетинаксу, текстоліту або оргскла товщиною 6 ... 8 мм і розмірами 30х60 мм. До цієї ж пластині кріпляться кінці вібраторної рамки гвинтами з гайками, для чого кінці рамки можна розплющити. Стріли можуть бути виконані металевими або з ізоляційного матеріалу – текстоліту або вініпласту. У цьому випадку спеціально з'єднувати рамки між собою немає необхідності. Щогла повинна бути дерев'яною, принаймні її верхня частина. Металева частина щогли повинна закінчуватися на 1,5 м нижче антени. Рамки антени розташовують одна щодо іншої так, щоб їх уявні центри (точки перетину діагоналей квадратів) перебували на горизонтальній прямій, спрямованої на передавач. Кріплення антени до щогли проводиться в центрі ваги.
Фідер підключається до кінців вібраторної рамки за допомогою чвертьхвильового короткозамкненого симетруючого шлейфу з того ж кабелю, що і фідер. Шлейф і фідер повинні підходити до антени вертикально знизу, відстань між ними повинна бути постійною по всій довжині шлейфу, для чого можна передбачити розпірки з гетинаксу. Можна також закріпити фідер і шлейф на ізоляційної пластині, до якої кріпляться нижня стріла і кінці вібраторної рамки, виготовивши її у вигляді літери Т. При цьому в пластині свердлять невеликі отвори, а фідер і шлейф прив'язують до неї капроновою волосінню. Використовувати металеві елементи для їх кріплення небажано.
Для забезпечення жорсткості можна виконати шлейф з двох металевих трубок, з'єднаних верхніми кінцями з кінцями вібраторної рамки. У цьому випадку фідер пропускають усередині правої трубки знизу вгору, обплетення кабелю припаюють до правого, а центральну жилу – до лівого кінців вібраторної рамки. Трубки шлейфу в нижній частині замикаються перемичкою, переміщенням якої можна налаштувати антену на максимум прийнятого сигналу.
За даними С. К. Сотникова, коефіцієнт підсилення двоелементної рамкової антени, виконаної за рекомендованими ним розмірами, становить 8 ... 9 дБ, що відповідає збільшенню напруги сигналу в 2,5 ... 2,8 рази у порівнянні з напругою сигналу на виході напівхвильового вібратора. Вхідний опір цієї антени знаходиться в межах 70 ... 80 Ом.
Інші розміри двоелементних рамкових антен, які можна обчислити за такими формулами:
В =0,26L, Р =0,31L, А =0,18L,
де L – довжина хвилі каналу зображення Lз або середня довжина хвилі прийнятого частотного каналу Lс, які наведені в табл. 1. Решта розмірів антени беруться такими ж, як зазначено на рис. 10. Для антени таких розмірів В. П. Шейко вказує, що коефіцієнт посилення становить 9 ... 11 дБ, що відповідає збільшенню напруги сигналу в 2,8 ... 3,5 рази у порівнянні з напругою сигналу на виході напівхвильового вібратора. Вхідний опір такої антени близько 100 Ом.
Виходячи з наведених значень коефіцієнта підсилення, можна зробити висновок про те, що за рівнем підсилення двоелементна рамкова антена еквівалентна пятиелементній антені "Хвильовий канал" або трохи ефективніше за неї, але має менші габарити і позбавлена її недоліків, оскільки не потребує налаштування , добре узгоджується з фідером і володіє хорошою повторюваністю параметрів . Це пояснюється тим, що активною приймальною частиною кожної рамки є її верхня і нижня горизонтальні частини. Виходить, що двоелементна рамкова антена містить чотири елементи і еквівалентна двоповерховій синфазній решітці, зібраної із двоелементних антен "Хвильовий канал". Вплив додаткових двох елементів другого поверху виявляється сильнішим, ніж додавання двох директорів до двоелементної антени "Хвильовий канал", за рахунок звуження діаграми спрямованості у вертикальній площині, а це дуже важливо в умовах далекого прийому , коли сигнал приходить з лінії горизонту під малим кутом. Наявність же всього двох елементів, що взаємодіють в кожному поверсі, забезпечує стабільність параметрів антени та їх незалежність від природних розкидів в розмірах. Завдяки цьому відпадає необхідність індивідуальної настройки кожної антени і забезпечується гарне узгодження її з фідером.
2. РОЗРАХУНОК АНТЕН
***ПРОГРАМА розрахунку – додається окремо
3. ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ
3.1. Розрахунок параметрів антен за допомогою програми розрахунку.
3.2. Розрахувати параметри для дипольної та штирьової антени для заданої частоти випромінювання (п. 1 програми розрахунку).
3.3. Порівняти отримані результати для різних значень частоти випромінювання та зробити відповідні висновки.
3.4. Виконати п.п. 3.2.-3.3. для антени «Подвійний квадрат» (п. 2 програми розрахунку).
3.5. Виконати п.п. 3.2.-3.3. для антени YAGI (п. 3-4 програми розрахунку).
3.6. Провести розрахунок дальності радіозв'язку (п. 5 програми розрахунку).
4. ПРЕДСТАВЛЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ У ЗВІТІ
Представити результати виконання лабораторної роботи у вигляді таблиць, залежностей і розрахунків.
Надати короткі висновки.
Список літератури
Сотников С. К. Дальнє приймання телепередач [Електронний ресурс] / С. К. Сотников. - К. : Техніка, 1976. - 40 с.
2. Г.З.Айзенберг и др.: Коротковолновые антенны. М.; Радио и связь, 1985.
3. Е.Барановский, Э.Тумаркин: Диапазонная рамочная антенна; Радио № 6, 1969.
Навчальне видання
Ознайомлення зі структурою і основними характеристиками антен за їх призначенням
Методичні вказівки до лабораторної роботи №4 з курсу “Поля і хвилі в системах ТЗІ” для студентів базового напрямку 6.170102 «Системи технічного захисту інформації»
Укладачі: Партика Андрій Ігорович
Микитин Галина Василівна
29.03.2016 08:03-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора