контрольная работа Коготкова М. В. Курсовая работа посвящена разработке, моделированию и исследованию антенны типа волновой канал
 Скачать 4.35 Mb.
|
 Содержание Введение Антенны типа «волновой канал» получили широкое распространение в различных профессиональных устройствах радиосвязи и радиолокации. Большинство телевизионных коллективных и индивидуальных антенн промышленного изготовления также являются антеннами типа «волновой канал». Это связано с тем, что такие антенны достаточно компактны и обеспечивают получение большого коэффициента усиления при сравнительно небольших габаритах. Курсовая работа посвящена разработке, моделированию и исследованию антенны типа «волновой канал». В первом разделе описаны особенности конструкции антенны типа «волновой канал». Во втором разделе выполнено моделирование и исследование элементов конструкции и антенны с помощью программы MMANA. Исследовано: - влияние зазора в симметричном вибраторе на степень согласования и рабочую полосу; - влияние диаметра проводников симметричного вибратора на рабочую полосу частот; - направленные свойства горизонтально расположенной антенны по трехмерным сферическим разверткам ДН и в сечении максимального КНД; - направленные свойства горизонтально расположенной антенны при различных углах наклона траверсы антенны по трехмерным сферическим разверткам ДН и в сечении максимального КНД; - направленные свойства вертикально расположенной антенны по трехмерным сферическим разверткам ДН и в сечении максимального КНД; - направленные свойства вертикально расположенной антенны при различных углах наклона траверсы антенны по трехмерным сферическим разверткам ДН и в сечении максимального КНД. В графической части выполнен сборочный чертеж антенны со спецификацией и чертежи активного вибратора, траверсы и директора. 1 Антенны типа «волновой канал» Эскизный рисунок антенны «волновой канал» приведен на рис. 1.1. Она состоит из активного вибратора (1), рефлектора (2) и нескольких директоров (3) (на рисунке их пять).  Рисунок 1.1 – Эскизный рисунок антенны типа «волновой канал» Директоры и рефлектор представляют собой пассивные (питание к ним не подводится) симметричные вибраторы с длиной плеча, близкой к четверти длины волны излучения. Поэтому они изготовляются неразрезными – их плечи соединены между собой. Все эти элементы крепятся к продольной направляющей, которую часто называют траверсой. Все директоры нумеруются, причем первый номер присваивается ближайшему к активному вибратору. На рис. 1.1 показаны: расстояния между вибраторами dn. Индекс n соответствует номеру вибратора (например, n = 3 соответствует расстоянию между 2 и 3 вибраторами); длины вибраторов bn; длина активного вибратора bа; длина рефлектора bP; расстояние между активным вибратором и рефлектором d-1. Директоры, активный вибратор и рефлектор крепятся к траверсе своей центральной частью (см. рис. 1.1). Центральная часть симметричного вибратора находится под нулевым потенциалом, поэтому крепить элементы антенны можно непосредственно к металлическому основанию, не изолируя их от него. Это делает конструкцию рассматриваемой антенны жесткой, что создает дополнительные удобства при ее эксплуатации. Формирование поля излучения антенной «волновой канал» происходит следующим образом. Активный вибратор, к которому подведено питание, излучает электромагнитную волну в окружающее пространство. В непосредственной близости от него расположены директоры и рефлектор. Поле излучения наводит на них токи, и они становятся источниками вторичных волн, переизлучая часть энергии первичной волны активного вибратора (рис. 1.2).  Рисунок 1.2 - Волны, порожденные системой вибраторов Таким образом, в окружающем пространстве уже распространяются несколько волн, каждая из которых соответствует одному из элементов антенны (директорам, активному вибратору и рефлектору). Все они имеют различные амплитуды и фазы. Разность фаз между ними определяется задержкой в переизлучении элементами антенны вторичных волн. Задержка определяется: геометрией антенны – возбуждающая волна активного вибратора доходит до элементов антенны за конечное время; геометрией элемента – с точки зрения теории цепей он представляет собой некоторое комплексное сопротивление, активная и реактивная составляющие которого зависят, прежде всего, от длины вибратора. В первом приближении можно считать, что активная составляющая определяет амплитуду вторичной волны, а реактивная - ее фазу. На рис. 1.2 показаны эти волны, порожденные системой вибраторов. Выделены волны с комплексными амплитудами  , соответствующие распространению в прямом направлении, и волны  , бегущие в противоположном.Таким образом, в точку расположения приемной антенны первичная и вторичные волны приходят с различными амплитудами и фазами. Дополнительная разность фаз между ними возникает также и за счет различного пути, который они проходят до приемной антенны. В приемной антенне происходит их интерференционное сложение (с учетом всех фазовых задержек). Ясно, что наличие нескольких волн в точке приема позволяет формировать диаграмму направленности антенны. Фазы и амплитуды подбирают таким образом, чтобы волны складывались в фазе в направлении продольной оси антенны. Этого добиваются путем подбора длин директоров и расстояний между ними.Кроме того, путем подбора места включения и длины рефлектора добиваются минимального излучения в противоположном направлении, обеспечивая требуемую величину КНД. Для этого необходимо потребовать, чтобы волны компенсировали друг друга.Настроенная таким образом антенна обладает более высоким значением КНД, по сравнению с симметричным вибратором. Величина КНД растет с ростом числа элементов антенны. Рассмотренный выше способ настройки антенны «волновой канал» соответствует ее оптимизации по максимуму коэффициента направленного действия. Возможно реализовать и иной критерий оптимальности, например, по ширине полосы частот, в которой обеспечивается согласование антенны с питающим фидером (минимум КСВ). К сожалению, точный метод расчета геометрических размеров рассматриваемой антенны отсутствует. Трудности теоретического анализа резко возрастают с увеличением числа ее элементов. Используя приближенные методы расчета, удается вычислить геометрические размеры антенны с числом элементов не более 5. Но и в этом случае требуется предварительная и достаточно сложная настройка антенны по выбранному критерию ее оптимальности. В литературе приводятся различные описания конструкций антенн «волновой канал» с числом элементов от 3 до 20. Как правило, указанные в них геометрические размеры определяются не путем точных расчетов, а в результате экспериментальной отработки конструкции. На свойства антенны влияют практически все ее элементы, включая и узлы крепления вибраторов к траверсе, самой антенны к мачте. Поэтому при изготовлении антенны следует предусматривать возможность подстройки ее геометрических размеров для достижения желаемого результата. 2 Моделирование и исследование элементов конструкции и антенны с помощью программы MMANA MMANA - это программа моделирования антенн, работающая в среде Windows. Вычислительной основой MMANA (так же как и многих коммерческих программ моделирования) является программа MININEC Ver.3, которая была создана для целей американских ВМС в Washington Research Institute. Все дополнительные функции и интерфейсы написаны JE3HHT. Программа позволяет: - создавать и редактировать описания антенны, как заданием координат, так и мышкой. Не надо набирать вручную длинные ряды цифр, описывающих координаты каждого провода в трехмерном пространстве в различных NEC; - рассматривать множество разных видов антенны. Рассчитывать диаграммы направленности (ДН) антенн в вертикальной и горизонтальной плоскостях (под любыми вертикальными углами); - одновременно сравнивать результаты моделирования нескольких разных антенн (ДН и все основные характеристики); - редактировать описание каждого элемента антенны, включая возможность менять форму элемента без сдвига его резонансной частоты. То есть можно легко трансформировать «волновой канал» в «квадраты» или «дельты»; - редактировать описание каждого провода антенны. Имеется возможность перекомпоновки антенны без утомительного перебора цифр координат, простым перетаскиванием мышкой (практически всю антенну можно нарисовать и редактировать одной мышкой); - просчитывать комбинированные провода, состоящие из нескольких, разных диаметров. Это полезно при расчете элементов, составленных из труб разного диаметра, например «волновых каналов» или вертикалов. Использовать удобное меню создания многоэтажных антенн - стеков, причем в качестве элемента стека можно использовать любую существующую или созданную антенну; - оптимизировать антенну, гибко настраивая цели оптимизации: ZВХ, КСВ, усиление, F/B, минимум вертикального угла излучения, причем предельно наглядно – движками указывается важность того или иного параметра. Задавать изменение при оптимизации более 90 параметров антенны. Возможно описание совместного (зависимого) изменения нескольких параметров; - сохранять все шаги оптимизации в виде отдельной таблицы. Это полезно для последующего неспешного просмотра и анализа - не мелькнет ли там чего любопытного, что исходно и в виду-то не имели. Строить множество разнообразных графиков: ZВХ, КСВ, усиления, отношения излучений вперед/назад (F/B), включая показ зависимости ДН от частоты; - автоматически рассчитывать несколько типов согласующих устройств (СУ), причем возможно включать и выключать их при построении графиков. Создавать файлы-таблицы (формата *.csv, просматриваемого в Excel) для всех переменных расчетных данных: таблицы токов в каждой точке антенны, зависимости усиления от вертикальных и горизонтальных углов, таблицы основных параметров антенны как функций частоты, и, наконец, весьма полезную таблицу напряженности электрического и магнитного полей антенны в заданном пространстве. Она необходима для определения соответствия антенны на требования электромагнитной совместимости; - рассчитывать катушки, контура, СУ на LC элементах, СУ на отрезках длинных линий (несколько видов), индуктивности и емкости, выполненные из отрезков коаксиального кабеля; - ограничений по взаимному расположению проводов нет. Это означает, что любая конфигурация проводников будет рассчитана корректно. Максимальное число: проводов - 512, источников - 64, нагрузок – 100. 2.1 Исследование влияния зазора в симметричном вибраторе на степень согласования и рабочую полосу Общая длина симметричного вибратора 0,5. Радиус провода, в центр которого подключается источник - 0,1 мм. Радиус плеч симметричного вибратора - 0,01. Зазоры для подключения ЭДС изменяем от 0,001 до 0,05 с шагом 0,001. Для каждого зазора проводим оптимизацию с целями по максимальному усилению, КСВ и согласованию на частоте 518 МГц. Графики значений КСВ от частоты приведены на рис. 2.1.1 – 2.1.5 соответственно.  Рисунок 2.1.1  Рисунок 2.1.2  Рисунок 2.1.3  Рисунок 2.1.4  Рисунок 2.1.5 На частоте 518 МГц определяем минимальное значение КСВ, абсолютные и относительные полосы рабочих частот по уровню КСВ = 1,5 и по уровню КСВ = 2. Результаты расчетов сведены в табл. 2.1.1 – 2.1.7. Таблица 2.1.1
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||