Дискоконусная антенна

18

Курсовой проект

по дисциплине Антенно-фидерные устройства

на тему: «Дискоконусная антенна»

Содержание

Теоретические сведения о дискоконусной антенне

Расчет дискоконусной антенны

Вывод

Список используемых источников

Теоретические сведения о дискоконусной антенне

Эта антенна, сведения о которой опубликованы в [1], представляет собой вертикально поляризованный излучатель с горизонтальной круговой диаграммой направленности, во многом аналогичной диаграмме вертикального вибратора.

Главное преимущество дискоконусной антенны заключается в большой ширине полосы частот, в пределах которой ее можно питать по коаксиальному кабелю при соответствующих симметрии и импедансе.

Она сравнительно проста по своему устройству и нечувствительна к отклонениям от номинальных размеров. Поэтому такие антенны широко используются в коммерческом вещании, главным образом в диапазонах дециметровых и метровых волн.

Дискоконусная антенна состоит из металлического конуса с диском на вершине. Ее относят к антеннам с верхним питание, которые снабжены концевой емкостью в виде диска и конусообразным внешним проводником.

В своем исходном виде дискоконусные антенны применяются только в дециметровом диапазоне.

В диапазонах коротких волн используются преимущественно «скелетные» формы, когда металлические поверхности заменяются фигурами из металлических прутков, полос, трубок или проводов (рис. 1).

Тем самым обеспечивается существенное снижение веса и ветрового сопротивления антенны, а также затрат на ее изготовление без заметного ущерба для электрических свойств.

В антеннах промышленного производства на диск и конус идет как минимум по шесть, чаще по восемь, а в особых случаях и по двенадцать стержней.

Существуют варианты из тонкого провода или проволочной сетки, а также смешанные формы из сплошного диска и пруткового конуса.

Рис.1. Дискоконусная антенна и ее разновидности: а - однородная; б - скелетная; в - смешанная.

Принципиальная схема антенны представлена на рис.2. Коаксиальный кабель питания проложен внутри конуса к его вершине. Там экран припаивается к конусу, так что последний служит продолжением экрана. Внутренняя жила кабеля припаивается к центру диска, изолированного от конуса.

Рис.2 Принципиальная схема дискоконусной антенны

Дискоконусная антенна представляет собой вертикальный вибратор, который охватывает широкую полосу частот благодаря своей особой форме. Как и любой вертикальный вибратор, она, являясь круговым горизонтальным излучателем, характеризуется круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и всем знакомой диаграммой полуволнового вибратора в виде восьмерки в вертикальной плоскости . Последняя, впрочем, может быть в той или иной степени искажена в зависимости от рабочей частоты. Выше нижней частоты границы, на которую рассчитана антенна, КСВ в 50-омном коаксиальном кабеле не превышает 2 во всей частотной области с отношением пределов 1:10. Отсюда ясно, почему эту антенну широко ко используют для коммерческого вещания, где требуется часто менять рабочие частоты или охватывать значительную частотную область. Важнейшей из характеристик дискоконусной антенны оказалась нижняя предельная частота . Ее можно определить как наименьшую рабочую частоту, на которой величина КСВ в 50-омном коаксиальном кабеле не превышает 3. На частотах ниже КСВ быстро растет, а выше -постепенно убывает до своего среднего значения <1,5. Дискоконусная антенна электрически ведет себя как фильтр верхних частот с относительно крутым спадом частотной характеристики (рис. 3).

Рис.3 Типичная зависимость КСВ дискоконусной антенны с питанием по 50-лмному коаксиальному кабелю от рабочей частоты.

Результаты определений минимальной рабочей частоты зависят от длины конуса , диаметра диска и угла при вершине конуса . Как показали опыты Нейла, оптимальный диаметр диска составляет независимо от угла . Длина определяется . По мнению Кандояна (Kandoian), эта длина, приведенная к минимальной частоте, составляет приблизительно , но Нейл определил, что .

Их соотношение проясняют кривые частотной зависимости согласования, которые Нейл получил опытным путем. Они приведены на рис.4. в несколько измененном виде. По оси абсцисс отложена относительная частота причем как опорная длина соответствует . Каждому значению коэффициента отвечает длина , выраженная в , и для оценки этой длины достаточно умножить на 0,25. Бессмысленно надеяться на приемлемую величину КСВ для в 50-омном коаксиальном кабеле, если составляет . В этом случае при величина КСВ приближается к 3,5. Она быстро растет с уменьшением угла раскрыва конуса.

Рис.4 Согласование дискоконусной антенны и 50-омного коаксиального кабеля при различных углах раскрыва в зависимости от рабочей частоты

По кривым видно, что при любых указанных там углах раскрыва величина КСВ2, если выбрать , что соответствует длине , приведенной к максимальной рабочей длине волны. Одновременно служит множителем для , делая соотношение частоты и согласования более отчетливым. Кривые показывают, что сходство с фильтром верхних частот хорошо проявляются при больших углах раскрыва. При на кривой согласования появляется все больше промежуточных максимумов, нежелательных для многих применений. Скелетной конструкции антенны свойственны несколько иные значения, но ход соотношения между согласованием и частотой подчиняются той же тенденции.

Как правило, предпочитают угол раскрыва , при котором осевое сечение конуса является равносторонним треугольником, а . У дискоконусных антенн промышленного изготовления угол варьируется от до . ограничивает частотную область сверху таким образом, что она расширяется с уменьшением . Между и промежутком действует соотношение , зависящее от угла раскрыва .

Диаграмма направленности в плоскости является круговой и не зависит от угла раскрыва на всех рабочих частотах. По данным промышленности, отклонение от круговой формы в области рабочих частот не превышает ±5 дБ. Диаграмм направленности в плоскости на частоте во многом аналогична диаграмме полуволнового вибратора, когда главный луч перпендикулярен оси антенны. Угол раскрыва слабо влияет на диаграмму направленности в горизонтальной плоскости на частоте . С ростом рабочей частоты диаграмма деформируется, все больше отступая от первоначальной правильной двухлепестковой формы. Об этом свидетельствуют диаграммы в плоскости , полученные Нейлом при углах раскрыва , и (рис. 5). Максимум излучения на рабочих частотах до лежит преимущественно в горизонтальной плоскости при любых углах раскрыва. Уже на частоте диаграмма деформируется настолько, что напряженность поля в горизонтальной плоскости убывает на 1,5 дБ. У антенны с

на частоте потери доходят до 2 дБ, если привести их к максимуму излучения резонансного вертикального полуволнового вибратора.

Своими измерениями Нейл показал, что потери достигают 3,3 дБ на частоте и вновь убывают до 2,2 дБ на частоте . Судя по диаграммам направленности на более высоких частотах, верхний предел рабочей частоты определяется не столько согласованием, сколько практической применимости Е-диаграммы. Недаром поставщики антенн промышленного изготовления указывают в спецификациях существенно более узкие области частот, нежели те, которые могут быть обеспечены надлежащим согласование.

Рис.5 Нормированные диаграммы направленности в плоскости Е для дискоконусных антенн с углом раскрыва , и

Диаметр диска также влияет на диаграмму в плоскости Е на частотах выше . При большом диске излучение над горизонтом ослабляется, а при слишком малом искажается частотная характеристика, и излучение отклоняется в сторону конуса. Уже по диаграммам в плоскости Е хорошо видно, что усиление дискоконусных антенн, приведенное к полуволновому вибратору, равно нулю. Поэтому серьезные поставщики таких антенн либо вообще не указывают их усиление, либо дают значение 0дБ (по отношению к полуволновому вибратору) или 2,15 дБ (к изотропному излучателю).

Для питания описываемых антенн через коаксиальный кабель не требуется ни симметрирующего устройства (как в случае полуволнового вибратора), ни согласующие цепочки. Благодаря широкополосности дискоконусные антенны некритичны к размерам своих элементов и не нуждаются в настройке.

Расчет дискоконусной антенны

Используя [16], и приведенные в п.1 действующие соотношения между размерами элементов конструкции антенны и рабочими длинами волн, определим следующее:

- осевое сечение конуса (в связи с упрощением для реализации в программной среде MMANA-GAL);

- угол раскрыва ;

- длина вибратора м;

- осевое сечение м;

- диаметр диска м;

- длина стержня мм.

Так как с помощью MMANA-GAL реализуют лишь проволочные модели антенн, то диск и конус будут задаваться отрезками проводников.

1. Диск задан с помощью четырех отрезков провода, так же реализован и конус.

Рисунок 1 - Внешний вид дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит из 4 проводов

Рисунок 2 - Зависимость сопротивления от частоты дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит из 4 проводов

Рисунок 3 -Зависимость КСВ дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит из 4 проводов от частоты

Рисунок 5 - Зависимость усиления и отношения излучения вперед-назад дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит 4 проводов

Рисунок 6 - Диаграммы направленности и таблица значений параметров дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит из 4 проводов

Рисунок 7 - Диаграмма направленности на частоте 5 ГГц дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит 4 проводов

Рисунок 8 - Диаграмма направленности на частоте 2,4 ГГц дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит 4 проводов

2. Диск задан с помощью четырех отрезков провода, так же реализован и конус.

Рисунок 9 - Внешний вид дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит 8 проводов

Рисунок 10 - - Зависимость сопротивления от частоты дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит из 8 проводов

Рисунок 11 - Зависимость КСВ от частоты дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит из 8 проводов

Рисунок 12 - Зависимость усиления и соотношения излучения вперед-назад от частоты дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит из 8 проводов

Рисунок 13 - Диаграммы направленности и таблица значений параметров дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит из 8 проводов

Рисунок 14 - Диаграмма направленности на частоте 2,4 ГГц дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит 8 проводов

Рисунок 15 - Диаграмма направленности на частоте 5 ГГц дискоконусной антенны, скелет элементов, которой состоит 8 проводов

Вывод

В работе доказана, схожесть природ дискоконусных антенн однородного и скелетного исполнения. Однородная электрически ведет себя как фильтр верхних частот, это же было показано на графиках зависимости коэффициента стоячей волны в диапазоне 1-7 ГГц.

Список используемых источников

1. Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. - 3-е изд., доп. - М.: Энергия, 1979

2. А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов/ Антенно-фидерные устройства, издание второе, переработанное и дополненное, М., «Советское радио», 1974

3. И. Гончаренко DL2KQ-EU1TT Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA, РадиоСофт, журнал «Радио», Москва, 2002