Рамочные антены

 
 
МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СГБОУ СПО «»

 

 

 

 

 

Реферат по предмету: антенно-фидерные устройства

 

 

ТЕМА: РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ

              

 

 

 

 Выполнил:

Проверил:

         Оценка:                  

 

                        

Г.Самара 
2013 

 

Анотация:  
 
   Часто недоразумения возникают именно из-за того, что многие не представляют четко, к какому классу антенн относится рамочная антенна. На самом деле рамочная антенна является дальнейшим развитием петлевого диполя. Классический петлевой диполь (рис.1) имеет сопротивление излучения, примерно равное 300 Ом.

Полоса пропускания петлевого  диполя шире, чем у обыкновенного  диполя в несколько раз. Это несомненное  преимущество петлевого диполя над  обычным, в то же время главный недостаток – высокое входное сопротивление. Но если “растянуть” петлевой диполь, то получим классическую рамочную антенну-квадрат (рис.2).

   Рамочная антенна охватывает большее пространство, чем петлевой диполь, в результате этого она имеет коэффициент усиления больше, чем коэффициент усиления простого и петлевого диполя. Рамочная антенна, как и петлевой диполь, симметричная антенна, поэтому для правильного ее питания необходимо использовать симметрирующее устройство. Рамочная антенна, как и все дипольные антенны, не нуждается в “земле”. Так как рамка охватывает большее пространство, чем петлевой диполь, то входное сопротивление его ниже и составляет около 120 Ом.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Введение:  
 
 

1)полуволновой  вибратор                                                 4 
2)изменение входного сопротивления антенны типа треугольник         6

3) квадрат                                                 6 
4) список литературы                 16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

Варианты рамочных антенн.

 

 
Существует несколько вариантов  рамочных антенн, отличающихся друг от друга геометрической формой активного  элемента, который может быть выполнен в виде круга, многоугольника, четырехугольника, треугольника. В каждом случае периметр рамки примерно равен длине волны. Наиболее удачной формой является квадрат, так как он представляет собой  синфазную решетку из двух полуволновых укороченных вибраторов.

 
Рис.1

На Рис.1А, А', изображен  полуволновой вибратор, Рис.1В, полуволновой укороченный вибратор, вертикальные стороны которого не излучают, значит и усиление укороченного вибратора  будет меньше, но так как мы создаем  синфазную решетку из двух укороченных  полуволновых вибраторов, общее усиление рамочной антенны типа квадрат будет  больше, чем у одиночного полуволнового  вибратора. Общая длина провода  излучающей рамки должна быть на 1,5% больше ? (т.е. равна 1,015?) чтобы выполнялись условия резонанса.

Направленные свойства антенны, кроме диаграммы направленности, выражаются количественной мерой –  коэффициентом направленного действия (К.Н.Д.) G. Этот важный параметр показывает, во сколько раз должна быть увеличена мощность, излучаемая антенной в главном направлении, если ее заменить ненаправленной антенной, излучающей одинаково во всех направлениях. Обычно К.Н.Д. выражают в децибелах. Так, например, полуволновой вибратор имеет К.Н.Д. по мощности G = 1,64 (что составляет 2,15 dБ). На практике чаще пользуются К.Н.Д., отнесенным к полуволновому вибратору. Легко видеть, что разница составляет 2,15 dB. Так, например, если К.Н.Д. антенны, отнесенной к идеальному излучателю, равен 10 dB, то К.Н.Д., отнесенный к полуволновому вибратору, составит 10-2,15=7,85 dB. Иногда используют другой параметр подобный К.Н.Д. Его называют “усилением” антенны. Ом равен произведению К.Н.Д на К.П.Д антенны, учитывающий все потери в антенне.

Одиночный полуволновой вибратор G=2,15 dB.

Вибратор в виде рамки  “квадрат” G?3,1 dB.

Мнение о том, что рамочные антенны менее подвержены индустриальным низкочастотным помехам необоснованны. Разрезной полуволновой вибратор, имеющий симметрирующее устройство в виде короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа, в такой же степени защищен от низкочастотных индустриальных помех как и рамочный излучатель

. К вопросу о конфигурации  рамки. Рис. 2. Изменение конфигурации  рамки, при одной и той же  длине проводника, приводит к  ухудшению К.Н.Д., изменению входного  сопротивления и поляризации  излучающего элемента. Превращая  квадрат в петлевой вибратор  Рис.2 А, мы уходим от синфазной укороченной решетки, падает усиление и растет сопротивление. Вытягивая квадрат в высоту приходим к неизлучающей двухпроводной линии Рис 2С. В фигуре типа дельта или треугольник, в трех острых углах токи текут встречно, образуя неизлучающие участки, уменьшается апертура - падает усиление. При низком размещении антенны над землей, наибольшее влияние земля оказывает на треугольник запитанный в середину нижней стороны. Теория и практика показывает, что вибратор с горизонтальной поляризацией расположенной близко от проводящей поверхности образует со своим зеркальным отображением плохо излучающую систему, тот же эффект двухпроводной линии.

 
Рис.2

На Рис. 3 показано изменение  входного сопротивления антенны  типа  треугольник при разной высоте подвеса над землей.

 
Рис.3

На низких диапазонах, наиболее удачный вариант конфигурации и  размещения рамки относительно земли, является квадрат стоящий на одном из углов запитанный сверху. Рис. 4. 
 
Рис.4

По высокой частоте  нижний угол является точкой нулевого потенциала и его смело можно (и нужно) заземлить.

Исходя из диаграммы направленности и усиления оптимальная высота подвеса  должна быть 0,5 ? от геометрического центра фигуры см. Рис. 4В, но так как квадрат является синфазной решеткой, можно поставить нижний угол прямо на землю, немного потеряв при этом в усилении. Еще одна положительная сторона, на квадрат стоящий на одном из углов, запитанный сверху, мачта практически не оказывает никакого влияния.

Квадрат запитывается в верхней точке при помощи короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа, который несет в себе сразу две функции, являясь трансформатором сопротивлений и симметрирующим устройством. Шлейф представляет собой двухпроводную линию длиной 0,25 ? закороченрую с нижнего конца. Он может быть выполнен из антенного канатика, являясь продолжением полотна рамки или из биметалла. Расстояние между проводниками шлейфа 50 ? 150 мм, это расстояние некритично. Рис.5

 
Рис.5

При помощи ВЧ-моста или  КСВ-метра в верхней части шлейфа находится точка подключения  кабеля питания.На низкочастотных диапазонах, в одиночных квадратах, стороны рамки могут выполнять роль части оттяжек поддерживающих мачту. Если позволяет место, оттяжки можно удлинить до полволны и использовать как дополнительные антенны для создания синфазной решетки с большим коэффициентом усиления. Рис 6 
 
 
Рис.6

Параллельно нижним полотнам квадрата расположить дополнительные проводники образующие двухпроводные  линии. В точках 2, 4 эти проводники крепятся к изоляторам и переходят  в полуволновые вибраторы-оттяжки, отрезки 1-2 и второй вибратор 4-5.Двухпроводные  линии в точке 6 закорочены и заземлены  на мачту, в результате мы получили два короткозамкнутых четвертьволновых шлейфа, которые являются фазосдвигающими цепями запитывающими два дополнительных вибратора. В точках 7 и 8 поставить короткозамыкатели для регулировки длины шлейфов. Схема эквивалентна запитке обычной колинеарной антенны. Рис.7

 
Рис.7

На базе такой антенны, возможно построение двухэлементной антенны  с активным питанием элементов, для  изменения или переключения диаграммы  направленности. Антенны располагаются  параллельно друг другу на расстоянии 0,15 ± 0,25 ?.

Схема питания двухэлементной антенны с переключением диаграммы  направленности показана на рис. 8.

 
Рис.8

Длина линии задержки зависит  от расстояния между антеннами. Если расстояние между антеннами 0,25 ?, то линия задержки равна 90?. Длина кабеля линии задержки равна 0,25 ?· к, к - коэффициент укорочения в кабеле.

Отрезки кабеля соединяющие обе антенны могут быть любой длины, главное, чтобы они были равны между собой. Кабель соединяющий антенны и кабель линии задержки 75 Ом. При соединении двух антенн, сопротивление в точке подключения реле станет 37,5 Ом, поэтому после реле необходимо поставить четвертьволновый отрезок кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом, тем самым трансформируя 37,5 Ом в 75 Ом. Далее к передатчику кабель произвольной длины с волновым сопротивлением 75 Ом.

Поворотные антенны типа двойной квадрат также целесообразно  располагать как квадрат стоящий на одном из углов, запитывая с верху. Рис.9. 
 
 
Рис.9

Такая конструкция более  ветроустойчива, в точку питания  не затекает вода, настроечные шлейфы находятся в низу рамок, что создает  дополнительные удобства при их настройке, четвертьволновое симметрирующее устройство выполненное из РК - кабеля крепится к верхней вертикальной стойке.

Узел крепления симметрирующего устройства и полотна рамки. Рис.10

Рис.10

1.      Кабель РК 
2.      Несущая вертикальная стойка 
3.      Антенный канатик или провод (полотно рамки) 
4.      Диэлектрическая крышка 
5.      Изолятор (пластина из стеклотекстолита) 
6.      Медные или латунные пластинки для распайки РК - кабеля и полотна.

Крышка по одному из размеров больше изолятора, для образования  вентиляционных щелей.

Симметрирующий мостик крепится к вертикальной стойке в нескольких местах изоляторами изображенными на рис. 11.

Рис.11

Окончательную настройку  антенны, необходимо производить на высоте ее постоянной эксплуатации или  не ниже 0,5 ? от земли. Для такой настройки необходимо изготовить несложные приспособления, позволяющие изменять периметр рамок дистанционно.

На рисунке 12 показан один из вариантов изготовления узла, позволяющего дистанционно изменять длину настроечного шлейфа, каждой из рамок.

 
Рис.12

Этот узел состоит из стеклотестолитовой пластины (2), которая крепится к нижней трубе (1). На этой стеклотекстолитовой пластине крепится латунная или медная пластина (3) с роликом (4) и прижимным механизмом, (рычаг и пружина) который фиксирует ролик не позволяет ему произвольно проворачиваться, обеспечивая дополнительный контакт шлейфа с полотном ролика. Шлейф (5) выполнен из медного канатика. Длина шлейфа регулируется при помощи капроновых шнурков (6). Ролик (7) и корпус (8) из пластмассы. При настройке элементов, антенну временно фиксируют двумя дополнительными оттяжками, чтобы конструкция не раскачивалась во время настройки. В начале производят настройку активного элемента в резонанс, контролируя ВЧ – мостом или при помощи КСВ – метра. Затем настраивают рефлектор, на максимальное подавление заднего лепестка, в диаграмме направленности антенны. Настройка осуществляется с помощью измерительного зонда, расположенного на расстоянии не менее 2 ? от антенны. После настройки рефлектора, еще раз подстроить активный элемент. Эти операции повторить несколько раз. После окончательной настройки, антенна опускается в низ и измеряется длина настроенных шлейфов, на каждой из рамок. После этого с узла снимается ролик (4) прижим, пружина и пластмассовый блок. Гибкий шлейф меняют на жесткий, выполненный из биметалла, фиксируя его на пластине (2).

Симметрирующий короткозамкнутый шлейф изготавливается из того же кабеля, которым запитывается антенна. 
 
 
Симметрирующий короткозамкнутый шлейф

Длина его 0,25 ? ? 0,96, в низу шлейфа оплетки спаять перемычкой. По длине шлейфа установить несколько изоляторов, выполненных из фторопласта или любой другой пластмассы см. рис. 11. К точкам А подпаивается полотно рамки активного элемента (см. Рис.10). В правом четвертьволновом отрезке шлейфа центральная жила кабеля не используется. Расстояние между проводниками шлейфа не критично, выбирается число из конструктивных соображений от 50 до 150 мм.

Короткозамкнутый четвертьволновый шлейф, являясь симметрирующим устройством, дополнительно несет несколько функций, улучшает КСВ по краям диапазона и является дополнительным фильтром верхних частот (ФВЧ) снижая уровень низкочастотных индустриальных помех.

К наиболее неудачным конструкциям рамочных антенн, следует отнести  антенны типа G4ZU или им подобные, где рамки расположены не параллельно друг другу. Степень подавления заднего лепестка в диаграмме направленности такого типа антенн, напрямую связана углом прихода радиоволн. На трассах разной протяженности с изменением угла прихода, подавление заднего лепестка может колебаться от нуля до 12 dВ не более, коэффициент усиления таких антенн всегда ниже, чем у классических антенн имеющих такое же количество элементов. Это связано с наличием больших боковых лепестков, что видно из диаграммы направленности. Ниже приводится диаграмма направленности антенны типа G4ZU, полученная в результате измерений на профессиональном стендовом оборудовании. Пунктирной линией отображена диаграмма направленности антенны без симметрирующего устройства.

 
 
Список литературы:

 
 
http://ew8au.narod.ru/a5.html 
 
http://www.cqham.ru/rk3zk/1-1-3.htm