Исследование скошенной ЛПВА(LPDA)

   Содержание 

   

1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

• Общие сведения о предприятии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

• Структура предприятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Теоретическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3. Практическая часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5. Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

 

 

   

1. Введение

 

   Общие сведения о предприятии 

     Республиканское научно-исследовательское унитарное  предприятие «Луч» ведущее предприятие в Республике Беларусь по разработке и изготовлению антенно-фидерных устройств и их элементов.

       Предприятие разрабатывает и  изготавливает широкий спектр  передающих антенн метрового  и дециметрового диапазонов волн  для радиовещания и телевидения,  устройства сложения сигналов нескольких передатчиков, приемные и передающие антенны для радиосвязи, эквиваленты антенн и балластные нагрузки, элементы фидерных трактов.

       Предприятие производит на высоком научно-техническом уровне

 - разработки математических моделей и программ для расчета характеристик АФУ;

 - создает автоматизированные стенды для измерения характеристик АФУ;

- полную модернизацию телевизионных вышек широкополосными антеннами.

       В течение 1996 – 2000 г.г. Гомельским  РНИУП «ЛУЧ» разработана и  освоена в производстве новая широкополосная антенна дециметрового диапазона волн для передающих телецентров, разработан широкополосный усилитель мощности, перекрывающий весь дециметровый диапазон, освоены в производстве устройства сложения сигналов передатчиков с близко расположенными по частоте каналами.

       РНИУП «Луч» по желанию заказчика  осуществляет привязку антенны  к опорным металлоконструкциям,  изготовление и поставку необходимых  элементов (консолей, кронштейнов,  скоб и т. д.) для установки  антенн в проектное положение. 

       За последнее время РНИУП «Луч»  поставил для радиотелевизионных  передающих центров Белоруссии, России, Казахстана, Украины, Молдовы  более шестидесяти антенн для  радиовещания и телевидения, порядка  двадцати устройств сложения, поставлено более тридцати антенн для радиосвязи, которые успешно эксплуатируются во всех климатических районах от границ Западной Европы до Камчатки.

       Вторым направлением деятельности  Гомельского РНИУП «Луч» является  разработка и изготовление медицинского оборудования, рекомендуемое Минздравом Республики Беларусь для оснащения лечебно-профилактических учреждений: система электрокардиоизмерительная для проведения стресс тестов с использованием велоэргометра; стационарный 12-ти канальный автоматизированный электрокардиограф на базе ПЭВМ; программируемый велоэргометр; система вакуумной фиксации ЭКГ электродов, медицинские кушетки кардиографические и физиотерапевтические, многоразовые электроды для электрокардиографии; кабели отведений для различных кардиографов.

 

 

2. Теоретическая часть

 

Общие сведения об антенне

  В антенной технике существует класс антенн, у которых рабочая полоса частот принципиально не ограничена, а определяется лишь их размерами. Эти антенны называют частотно-независимыми. Наиболее удачная из них логопериодическая вибраторная антенна. В последние годы интерес к таким антеннам возрос из-за широкого внедрения телевизионного вещания на ДМВ и развития сетей подвижной радиосвязи.

  Для приема телевизионных сигналов ДМВ  ЛПВА не имеет себе равных благодаря высоким радиотехническим показателям: стабильности характеристик в широкой полосе частот, хорошими направленностью и согласованием с кабелем, отсутствием симметрирующего устройства. Еще одно важное достоинство ЛПВА — слабая зависимость от допусков при изготовлении, что дает хорошую повторяемость характеристик у серийно выпускаемых антенн и позволяет обойтись без дополнительной настройки.

  Классическая  ЛПВА образована из геометрически подобных симметричных прямолинейных вибраторов, плечи (половины) которых подключены к двухпроводной линии передачи так, что односторонние плечи соседних вибраторов и плечи каждого вибратора размещены на разных проводниках линии. Условно- схематичное изображение антенны представлено на рис. 1 а

     Перекрещивание  проводников линии, которого в реальной антенне нет, условно показывает изменение положения половин вибраторов Геометрию антенны задают следующими параметрами: т — отношение длин соседних вибраторов (0<т<1); — половина угла при вершине, на сторонах которого лежат концы вибраторов; N — число вибраторов — волновое сопротивление линии передачи; и а₁ — соответственно длина плеча и радиус наибольшего вибратора. Остальные размеры определяют через заданные, например, длины плеч других вибраторов и их радиусы находят из геометрических прогрессий. 

     Длины плеч вибраторов: 
 
 

     Диаметр вибраторов: 

     Расстояния  от первого до последующих вибраторов: 

     На  практике радиусы вибраторов обычно выбирают одинаковыми, исходя из конструктивных соображений. Это отступление от электродинамического подобия не приводит к заметному ухудшению характеристик.

     При работе в режиме передачи волна от генератора распространяется по двухпроводной линии в сторону более длинных вибраторов и наиболее интенсивно возбуждает те из них, длины которых близки к резонансным. Полоса частот ЛПВА определяется размерами крайних вибраторов.

     Рабочая полоса частот антенны может неограниченно увеличиваться при увеличении числа вибраторов N. На практике полоса частот ограничена со стороны нижних частот допустимым размером наибольшего вибратора, а со стороны верхних — точностью изготовления вибраторов, узла питания и поперечным размером линии передачи, который должен быть намного меньше длины волны. 

     В нашем же случае будет рассмотрена скошенная ЛПВА. Вибраторы в таком исполнении антенны будут расположены под углом к двухпроводной питающей линии. Относительно экрана вибраторы будут находиться в перпендикулярной плоскости, а линия будет проходить под углом к экрану. Это позволяет получить частотно-независимые электрические характеристики. Структура антенны оказывается при этом несимметричной относительно линии питания. Но как показали исследования, эта асимметрия не приводит к заметному нарушению нормального режима работы линии, т.е. к появлению в ней синфазных волн. 
 

 

3. Практическая  часть

 

     Исследование характеристик скошенной ЛПВА (логопериодическая вибраторная антенна) без центрального и с центральным (не соединённым с экраном) проводником. 

     Задание:

     А) Изучить  основные характеристики антенных устройств (согласование, диаграмма направленности, поляризационные характеристики);

     Б) Изучить методику расчёта геометрических характеристик ЛПВА;

     В) Изучить  основы работы с программой MMANA;

     Г) Составить  модель скошенной ЛПВА;

     Д) Произвести расчёт характеристик скошенной  ЛПВА в полосе частот;

     Е) Составить  модель скошенной ЛПВА с центральным  проводом, не соединённым с экраном;

     Ж) Произвести расчёт характеристик скошенной  ЛПВА по пункту Е) в полосе частот; 
 

     Исходные  данные: 

   

   

минимальное значение рабочей частоты

   

   

максимальное значение рабочей частоты

   

   

коэффициент подобия

   

   

угол наклона двухпроводной  линии к экрану

   

   

длина плеча наибольшего  вибратора

   

   

диаметр вибраторов

   

   

диаметр проводов линии

   

   

расстояние между  осями проводов линии

   

   

диаметр центрального провода в линии

   

   

высота нижних концов вибраторов над плоскостью

   

   

волновое сопротивление  генератора

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Расчёт  геометрических характеристик 

Найдём количество вибраторов: 

 
 

                           c. 42 ф.2.1 [2] 
 

          N=8 

     Рассчитаем длины плеч вибраторов. Для удобства вычислений воспользуемся программой MathCAD: 
 
 

 
 
 
 
 
 

     Найдём  расстояния от первого вибратора  до последующих: 
 

     

     

     

     

     

     

     

 
 
 
 
 
 
 

     Теперь, имея все необходимые геометрические параметры, составим модель скошенной ЛПВА (без центрального провода) в программе MMANA: 

 

     Далее произведём расчёт характеристик в  полосе частот 250-300 МГц:

 

     На  графике зависимости усиления антенны  от частоты хорошо заметно резонансное ухудшение характеристики в области 265 МГц. Падение составляет приблизительно

4 дБ. Рассмотрим эту область более детально:

 

     На  данной частоте происходит заметное расширение ДН: 

     Составим  модель скошенной ЛПВА с центральным  проводом, не соединённым с экраном:

      В качестве разделителя между центральным  проводом и экраном была использована нагрузка.

     Далее произведём расчёт характеристик в  полосе частот 250-300 МГц:

     На  графике зависимости усиления антенны  от частоты хорошо заметно резонансное ухудшение характеристики в области 265 МГц. Падение составляет приблизительно

3 дБ. Рассмотрим эту область частот более детально: 

      Резонанс  происходит на частоте 263 МГц. Рассмотрим ДН при этой частоте:

 

     На  данной частоте происходит расширение диаграммы направленности, т.е. антенна начинает излучать не только в основном направлении. Появляется излучение горизонтальной поляризации.  Это может быть вызвано тем, что в центральном проводнике возникают синфазные токи, наведённые электромагнитными полями проводников линии, что проводит к антенному эффекту. Попробуем устранить этот эффект, добавив в центральный провод нагрузки. Сделаем это таким образом, чтобы на каждом участке центрального провода межу вибраторами антенны находились одинаковые по величине нагрузки. Здесь приведён расчёт антенны и центральным проводником, соединённым с экраном, т.к. заранее был произведён расчёт антенны с не соединёнными центральным проводом и экраном и было обнаружено существенное изменение характеристик в худшую сторону. Поэтому расчёт такого исполнения антенны здесь не приводится.