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.

   С физической точки зрения эффективная  площадь антенны представляет собой  некоторую, соответствующую данной антенне, площадку (перпендикулярную направлению  прихода ЭМВ) поглощающую всю  энергию падающей на нее волны.

   Между эффективной площадью А и коэффициентом  усиления антенны  существует следующая связь:

    .

 

    ОПИСАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ РЕАКТИВНЫХ НАГРУЗОК. РАСЧЕТ УДЛИНЯЮЩЕЙ КАТУШКИ ДЛЯ ПЕТЛЕВОГО ВИБРАТОРА.

   Для уменьшения размеров часто используются антенны с сосредоточенными реактивными  нагрузками.

   

   Вибраторные антенны с сосредоточенными реактивными  нагрузками Z.

   Методика  расчета таких антенн заключается  в следующем:

   а)  определяется входное сопротивление

   

   

   здесь — коэффициент укорочения;

       — волновое сопротивление  антенны;

   б)  из условия последовательного резонанса

   находится значение сопротивления реактивной нагрузки:

   

   в)  находится значение индуктивности  для     l <= 0,2.5 λ;

   

   Применимо к искомой антенне имеем:

   

     

   

   

 
 
 
 
   

   

 
 

   Помимо  уменьшения габаритных размеров, укорочение антенны приводит к уменьшению мощности излучения антенны, некоторому сужению  помехозащищенности антенны, а так  же, в зависимости от точности подбора  реактивного элемента, незначительно  изменяет полосу рабочих частот антенны. Характеристики антенны, основанные на электрической длине антенны, не изменяются, так как этот параметр остается постоянным.

 

         

     ОЦЕНКА  СПРОЕКТИРОВАННОГО  УСТРОЙСТВА С ТОЧКИ  ЗРЕНИЯ ТРУДОЁМКОСТИ И ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ В СЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

     С точки зрения трудоемкости при изготовлении данного устройства не представляет особых трудностей. Может производиться  с высокой точностью.

     Это обусловлено такими факторами как :

  1. Не требует каких-либо вспомогательных материалов;
  2. Материал является доступным и относительно недорогим;
  3. Практический отсутствуют дополнительные конструкции;
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СОГЛАСОВАНИЯ. СПОСОБЫ СОГЛАСОВАНИЯ.

   Как отмечалось, режим бегущих волн соответствует  режиму работы фидера, т.е. при этом отсутствуют отраженные от нагрузки волны. Этот режим наиболее благоприятный  и с точки зрения мощности, максимально  допустимый для передачи по фидеру

   

   Здесь - величина пробивного напряжения.

   Данное  выражение показывает, что, во-первых, допустимая мощность максимальна а  режиме бегущих волн ( =1) и уменьшается с усилением стоячих волн (повышение ); во-вторых, при увеличении для сохранения неизменной допустимой мощности требуется увеличить пробивное напряжение , но это влечет за собой удорожание конструкции фидера и рост диэлектрических потерь в его изоляции.

   Наличие стоячих волн в фидере приводит к  появлению в его входном сопротивлении  реактивной составляющей , за счет чего вносится расстройка в колебательную систему генератора, к которому подключен фидер. Это приводит к нестабильности частоты, и мощности генератора, к срыву генерации, к явлению “затягивания” частоты.

   Режим бегущих волн обладает также очень  важным свойствам – удобством  измерений. Например, при смешанных  волнах действующие значения напряжения и тока изменяются вдоль длинны фидера, что ведет к затуханию измерений.

   Таким образом, согласованный режим работы фидеров наиболее благоприятен для  линии передачи и установление этого  режима имеет большое практическое значение. Поскольку в большинстве  случаев сопротивления, то для обеспечения  режима бегущих волн включаются согласующие  устройства.

   Согласующие устройство СУ2 предназначено для выравнивания сопротивления между точками 3-3 фидера с волновым сопротивлением фидера при данном сопротивлении нагрузки . На практике эта задача не всегда точно выполняется, особенно в широкополосных устройствах , где неизбежно отражение волн к генератору в какой-то области диапазона частот. Дополнительное согласующее устройства СУ1 включается между генератором и началом фидера для устранения вторичного отражения волн от генератора к нагрузке. Она обеспечивает равенство сопротивления между точками 2-2 волновому сопротивлению фидера . С другой стороны СУ1 обеспечивает в точках 1-1 равенство сопротивления генератора волновому сопротивлению фидера

   

   Г – генератор; СУ1, СУ2 – согласующие устройства.

   Схема согласования фидера с нагрузкой  и генератором. 

   Рассмотрим  способы согласования фидера с нагрузкой. 

   
  1. Согласование  с помощью четвертьволнового  трансформатора ( )

   Четвертьволновой  трансформатор представляет собой  отрезок фидера длиной , который включается между согласуемыми нагрузками.

   

   Согласование  сопротивления с помощью  -трансформатора.

   С помощью такого способа возможно согласование только активных сопротивлений ( ). Принцип работы устройства заключается в следующем. Поскольку , то в согласующем отрезке возникают смешанные волны, которых определяются отношением и . Допустим, что . В этом случае на конце отрезка трансформатора, обращенного к меньшему согласуемому сопротивлению, получится минимум напряжений и максимум тока (последовательный резонанс), что соответствует сопротивлению . На другом конце трансформатора, обращенном к большему сопротивлению, получают максимум напряжений и минимум тока (параллельный резонанс), что соответствует сопротивлению .

   Волновое  сопротивление трансформатора нужно  выбрать таким, чтобы коэффициент  стоячих волн, обусловленный переходом  от фидера к трансформатору и от трансформатора к нагрузке, имел одинаковую величену

     или 

   2.Широкополосные  трансформаторы сопротивлений. 

    -трансформатор является узкополосным  согласующим устройствам, т.к.  при отклонении длины волны  от среднего значения электрическая  длина трансформатора уже не  равняется. Для расширения полосы  пропускания согласующее устройство  составляет из нескольких трансформаторов. 

   

   Согласование  сопротивлений с помощью ступенчатого трансформатора. 

   Волновое  сопротивление отрезков трансформатора и подбирают с таким расчетов, чтобы от сечений 1-1 и 3-3 волны отражались бы с одинаковой амплитудой, а от сечения 2-2 – с двое большей амплитудой. Поскольку волна от 1-1 до 3-3 и обратно проходит путь то волны, отраженные от 1-1 и 3-3, совпадают по фазе и складываются. Вместе с тем, они полностью компенсируются волной, отраженной от сечения 2-2, так как путь от 1-1 до 2-2 и обратно равен , что соответствует сдвигу по фазе на 180º.

   Допустим, что длина волны передаваемого  кабеля стала такой, что для нее  участок трансформатора имеет уже  длину, несколько большую чем  . В этом случае отраженные волны суммируются в сечении 1-1 следующим образом: волна , отраженная от 2-2, отстает по фазе на угол 180º+ , а волна , отраженная от 3-3, отстает на угол 2(180º+ ) относительно от волны , отраженной от 1-1. В результате суммарное напряжение оказывается почти в противофазе с напряжением , и так как , то отраженные волны почти полностью компенсируются.

   Сопротивления трансформирующих переходов должны удовлетворять равенством

   

     

   2. Согласование при помощи экспоненциального  трансформатора.

   При этом способе согласование осуществляется с помощью линии передачи, по длине  которой волновое сопротивление  изменяется по экспоненциальному закону.

   

   Экспоненциальный  трансформатор. 

   Это достигается изменением расстояния между проводами или их диаметра и соответственно изменением погонной индуктивности и емкости трансформатора по его длине. Экспоненциальный трансформатор  рассчитывается по формулам

   

   

   Здесь - максимальная длина волны рабочего диапазона волн;

    - минимально допустимое значение  в фидере.

   Длина экспоненциального трансформатора определяется по формуле

     

   4. Согласование с помощью фидеров. 

   Данный  способ узкополосного согласования был предложен Татариновым. В  качестве согласующих элементов  он предложил использовать отрезки  короткозамкнутых фидеров (короткозамкнутые шлейфы), имеющих входную реактивную проводимость

   

   Согласование  с помощью шлейфа. 

   Условие согласования фидера с комплексной  нагрузкой  имеет вид

     

   Здесь и - активная и реактивная составляющие входной проводимости фидера в месте включения шлейфа.

    - реактивная проводимость шлейфа.

   Длина шлейфа (при равенстве волновых сопротивлений шлейфа и фидера )

   

     

   На  рисунке показаны соответственно распределение  поля при отсутствии шлейфа и при  его наличии.

   На  практике согласующее устройство может  состоять из двух шлейфов. 

   5. Согласование с помощью объемных  резонаторов (ОР).

   ОР  могут также использоваться в  качестве трансформаторов сопротивлений.

   

   Согласование  с помощью ОР 

   При стоячих волнах в одном месте  резонатора образуется максимум электрического поля при минимуме магнитного поля, а в каком-то другом месте –  наоборот. В остальных точках полости  резонатора значения напряженностей носят  промежуточный характер. Поэтому  входное сопротивление резонатора р разных точках полости различное, а, следовательно, от места расположения петель связи П1 и П2 зависят входное  и выходное сопротивления резонатора. Входное сопротивление зависит  также и от площади витка связи  и от угла между плоскостью витка  и линиями магнитного поля. Благодаря  этому ОР позволяет трансформировать сопротивление о требуемым коэффициентом  трансформации. 

   6. Использование согласующих цепей  (СЦ). 

   СЦ  находят широкое применение на практике

   Параметры цепи согласования, изображенной на рисунке, рассчитывается по формулам

    ;   ;   ;  

    ;    

   

   Согласующие цепи на сосредоточенных элементах. 
 
 
 
 
 

   ОБОБЩЕНИЕ ЗАДАЧИ СИММЕТРИРОВАНИЯ. УСТРОЙСТВА СИММЕТРИРОВАНИЯ. 

   При питании вибраторных антенн от коаксиального  кабеля необходимо применять симметрирующее устройство. Это связано с тем, что вибратор — симметричное устройство, а коаксиальный кабель — несимметричное, поэтому непосредственное присоединение  коаксиального фидера к симметричной антенне приводит к нарушению  симметрии токов в плечах антенны, что в свою очередь ведет к  искажению ДН и снижению помехоустойчивости. Для симметрии токов в плечах антенны нужно воспрепятствовать  затеканию тока на внешнюю поверхность  оплетки кабеля. 

Петлевой вибратор с индуктивной нагрузкой