Петлевой вибратор с индуктивной нагрузкой

     Оглавление

     ВВЕДЕНИЕ 5

     ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 6

     ОБЩИЙ ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И СТРУКТУРНОГО ПОСТРОЕНИЯ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА 6

     РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРРИСТИК 10

     ОПИСАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ РЕАКТИВНЫХ НАГРУЗОК. РАСЧЕТ УДЛИНЯ- ЮЩЕЙ КАТУШКИ ДЛЯ ППЕТЛЕВОГО ВИБРАТОРА. 14

     ОЦЕНКА СПРОЕКТИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ТРУДОЕМКОСТИ И ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ В СЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ. 16

     ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СОГЛАСОВАНИЯ. СПОСОБЫ СОГЛАСОВАНИЯ 17

     ОБОБЩЕНИЕ ЗАДАЧИ СИММЕТРИРОВАНИЯ. УСТРОЙСТВА СИММЕТРИРОВАНИЯ 24

     РАСЧЕТ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ПЕТЛЕВОГО ВИБРАТОРА 28

     ЛИТЕРАТУРА 30 
 

       

     ВВЕДЕНИЕ

Данная  курсовая работа посвящена расчёту  зеркальных параболических антенн. Самой простой телевизионной приемной антенной является линейный полуволновой вибратор, а наиболее удобным в конструктивном отношении -- петлевой вибратор или шлейф-вибратор Пистолькорса. Такой тип антенны был предложен российским ученым Александром Пистолькорсом.

     Конструкция петлевого вибратора  Пистолькорса представляет собой  систему из двух параллельных  линейных вибраторов, образующих  петлю. Эти вибраторы располагаются  на небольшом относительно длины  волны расстоянии друг от друга.  Нижний вибратор в центре имеет  разрез, к которому подсоединяется  фидер. Середина верхней неразрезанной  части вибратора является точкой  нулевого потенциала, что позволяет  в этой точке крепить вибратор  к металлической мачте без  изоляции. Пластмассовая коробка  служит для защиты соединений  вибратора с фидером от влаги  и механических повреждений. Такие  антенны ориентируются по направлению  на передатчик так, чтобы они  располагались в плоскости, перпендикулярной  этому направлению. Однако ориентирование  должно контролироваться по изображению  на экране телевизора, которое  должно иметь максимальную четкость  и устойчивую синхронизацию строк  и кадров.

   Достоинством  петлевого вибратора является более  высокое входное сопротивление  и возможность его регулировки  путем соответствующего подбора  радиуса проводников.

 

       

   ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

   Петлевой  вибратор с индуктивной нагрузкой. Диапазон частот 400 - 700 МГц, G≥3 дБ. Питание  коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом, КСВ≤2. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   ОБЩИЙ ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ  И СТРУКТУРНОГО ПОСТРОЕНИЯ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА

   Расчет  всех характеристик антенны включает в себя два этапа: решение внутренней и внешней задач. Внутренняя задача - нахождение распределения тока в  проводниках антенны и определение  входного сопротивления. Внешняя задача - по найденному току в проводниках  антенны находится поле в дальней  зоне, по нему определяются диаграмма  направленности (ДН), поляризация, КНД.

   Распределение тока в плечах вибратора приближенно  можно определить, сопоставив вибратор и двухпроводную линию, разомкнутую  на конце, длиной в четверть длины  волны.

   

   Линия снизу возбуждается от генератора, сверху разомкнута, поэтому в линии  устанавливается режим стоячей  волны тока. Распределение амплитуд тока I(z) и направление токов в  проводниках линии показано на рисунке. Так как расстояние между проводниками линии делается значительно меньше длины волны, а направления токов  в соседних проводниках противоположно, линия не излучает. Если в некотором  сечении А-А, расположенном от разомкнутого конца на расстоянии четверти длины  волны, левый проводник повернуть  влево, а правый - вправо на 90o , получится  полуволновой вибратор, возбуждаемый двухпроводной линией. При этом распределение  тока I(x), как показывают теоретический анализ и эксперимент, в плечах вибратора изменится очень мало: на свободных концах плеч ток будет равен нулю, а в точках подключения двухпроводной линии амплитуда тока будет максимальной. Как видно, в обоих плечах вибратора направление тока одинаково, поэтому вибратор излучает. Направленные свойства вибратора можно выяснить, рассматривая вибратор как сумму элементарных излучателей бесконечно малой длины dx. Каждая такая часть представляет собой диполь Герца. Как известно, диполь Герца не излучает вдоль своей оси, максимум излучения ориентирован перпендикулярно оси диполя.

   Антенны классифицируются по диапазону радиоволн, применению общности отдельных характеристик (полосы пропускания, диаграммы направленности и т. д.) и принципу действия наиболее целесообразно антенны классифицировать по принципу действия, который во многом определяет форму, основные характеристики и применение антенн. В соответствии с этим антенны можно разделить  на три группы:

   Линейная  антенна — излучающая система  с поперечными размерами значительно  меньше длины волны и переменными  токами, текущими вдоль оси системы. К линейным антеннам, применяемым  в диапазоне СВЧ, относятся вибраторы.

   Антенная  решетка — система однотипных излучателей, расположенных определенным образом и возбуждаемых одним  генератором или несколькими  когерентными генераторами. Типичными  ми антенными решетками являются директорная антенна, щелевая антенна, поверхностные антенны из полуволновых симметричных вибраторов и др.

   Апературная антенна — устройство, отличающееся тем, что его выход можно представить  как некоторую поверхность, через  которую проходит весь поток излучаемой (принимаемой) электромагнитной энергии. Эта поверхность, называемая апертурной, или раскрывом, обычно больше длины волны. К апертурным антеннам относятся системы акустического типа (рупоры), оптического типа (зеркала и линзы), а также антенны поверхностной волны.

   

   Конструкции вибраторов:

   а – несимметричного электрического; б – симметричного электрического; в – несимметричного магнитного; г – симметричного магнитного. 

   Для повышения входного сопротивления  полуволновой вибратор может быть сделан петлеобразным (схема Пистолькорса). Антенна такого типа обладает большей широкополосностью, имеет больший КНД, ввиду большего входного сопротивления обладает большей помехоустойчивостью по сравнению с вибратором Герца. От антенн иных конфигураций при схожих характеристиках выгодно отличается меньшей себестоимостью, простотой изготовления. Так же немаловажен тот факт, что неразрезной участок петли имеет узел нулевого напряжения, что позволяет крепить антенну к мачте без изоляции. Расстояние S выбирается из соотношения :

   

   ДН  петлевого вибратора близка к ДН полуволнового вибратора.

 

     

   РАСЧЕТ  ПАРАМЕТРОВ И ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕТЛЕВОГО  ВИБРАТОРА (ПИСТОЛЬКОРСА).

   Расчет  основных параметров вибратора Пистолькорса произведем на основе расчетных формул соответствующего ему полуволнового  вибратора. Расчеты производятся в  программе MathCad.

   Частота, соответствующая середине искомого диапазона:

   

   Исходя  из нее находим длину волны:

   

   Отсюда  находим электрическую длину  вибратора:

   

   Волновое  сопротивление такого вибратора  можно найти по формуле

   

   Коэффициент укорочения антенны- величина, на которую  следует укоротить физическую длину  антенны вследствие наличия дополнительных емкостей в точках питания, отличий  искомого вибратора от идеального тонкого - определяется экспериментально. Обобщенная зависимость записывается формулой

   

   Отсюда  можем определить физическую длину  вибратора:

   

   

     

   Сопротивление излучения вибратора Пистолькорса легко найти из баланса мощностей:

   

     

   Имея  сопротивление излучения, найдем ширину полосы рабочих частот:

   

   

 
 

   А так же минимальную и максимальную частоту, на которых затухание не достигает значений, соответсвующих ослаблению в корень из 2 раз, что  соответствует -3 дБ:

   

   

 
   

   

 
 
 

   -как  видим, параметры антенны позволяют  с допустимым ослаблением принимать  сигнал в широкой полосе частот. Добротность контура в данном  случае равняется

   

   

 
 

   Коэффициент направленного действия (КНД) — отношение мощностей излучения направленной и ненаправленной антенн, создающих в данном направлении на одном и том же расстоянии одинаковую напряженность поля. Таким образом КНД показывает, какой энергетический выигрыш дает применение направленной антенны по сравнению с ненаправленной. Обычно КНД определяется в направлении максимума диаграммы направленности антенны.

   КНД такой петлевой вибраторной антенны равняется:

   

   (где  -волновое число.)

   что значительно превышает таковую  для одиночного вибратора.

   Сопротивление потерь антенны незначительно, ввиду  малого активного сопротивления.

   

   

 
 

   Отсюда  можем найти активное входное  сопротивление антенны 

   что находится в пределах табличных  значений антенны такого типа, а  так же КПД антенны:

   

   

 
 

   Значение  близко к единице, что также соответствует  ранее полученным данным.

   Имея  КПД и КНД, получим значение коэффициента усиления антенны. Физический смысл  данного параметра близок к КНД, однако учитывает потери на активном сопротивлении системы, а значит, более точно характеризует выигрыш  по мощности излучения в удаленной  точке от использования той или  иной антенны.

   

   

 
 

   что соответствует усилению в 4.1 дБ, условие  минимального усиления в 3 дБ выполняется.

   Коэффициент, связывающий напряженность электрического поля, создаваемого антенной в направлении  главного излучения, с током в  передающей антенне, имеет размерность  длины и называется действующей  длиной антенны. С физической точки  зрения действующую длину антенны  можно представить как длину  некоторой воображаемой антенны  с равномерным распределением тока, равным току на ее зажимах, создающей  в направлении максимума излучения  ту же напряженность поля, что и  рассматриваемая антенна. Геометрическая интерпретация данного определения  показана на рисунке.

     

   

   

 
 

   Среди параметров, характеризующих приемные антенны, важнейшим является эффективная  площадь антенны "А", позволяющая  оценивать способность приемной антенны извлекать энергию из поля электромагнитной волны.

   Эффективной площадью антенны "А" называют отношение  максимальной мощности, отдаваемой приемной антенной (без потерь) в согласованную  нагрузку к величине вектора Пойнтинга "П" приходящей плоской волны.