Výpočet směrových charakteristik – MegaTutorial

Při návrhu kurzu je potřeba jak přesných, tak zjednodušených metod výpočtu reflektorových antén, které by umožnily lidem obeznámeným pouze s obecnou teorií antén dokončit kurzový projekt. Použití aplikačních softwarových balíčků vyvinutých pro výpočet charakteristik reflektorových antén je pro návrh kurzu obtížné, protože doba vývoje je omezená a je vyžadován předběžný výpočet a výběr hlavních parametrů reflektorových antén na základě zadaného úkolu.

Proto bylo nutné znovu vydat učebnici „Manuál pro výpočet ultravysokofrekvenčních antén“, vydanou v roce 1957, která se sice široce používá při návrhu kurzů, ale stala se bibliografickou raritou.

Níže uvedená příručka popisuje nejjednodušší metodu pro předběžný výběr možností konstrukce reflektorových antén na základě zadání kurzu. Pro určení směrových charakteristik reflektorových antén používá příručka metodu apertury, která umožňuje nejjednodušší a nejrychlejší výpočet. Na rozdíl od dříve publikované příručky je tato příručka doplněna o návrh a hlavní charakteristiky moderních napájecích zařízení. Po provedení předběžného návrhu lze použít učebnice [1-3], které podrobněji popisují metody výpočtu a určení charakteristik reflektorových antén.

Zrcadlové antény

Zrcadlové antény jsou jedním z hlavních typů mikrovlnných antén, které našly široké uplatnění v různých odvětvích radioelektroniky (satelitní televize, radar, palubní a námořní elektronické systémy, radiokomunikace, radioastronomie atd.). Antény mají řadu výhod: konstrukční jednoduchost, schopnost dosáhnout obrovských zisků (radiokomunikace v hlubokém vesmíru, radioastronomie), provoz v širokém frekvenčním pásmu (radiometrie) [6].

Reflektorová anténa se skládá z reflektoru a ozařovače. V závislosti na tvaru reflektoru existují různé typy reflektorových antén: válcové, kulové, parabolické, s plochým reflektorem, s rohovým reflektorem a se speciálně tvarovaným reflektorem. Nejběžnějším typem je reflektorová anténa s parabolickým reflektorem. Dodatek 1 ukazuje příklad elektrického obvodu pro reflektorovou anténu s mechanickým skenováním.

Parabolická anténa pracuje na principu optického systému. V ohnisku zrcadla je umístěn primární slabě směrový zářič vyzařující sférickou elektromagnetickou vlnu. Působením elektromagnetické vlny zářiče vznikají na povrchu parabolického reflektoru elektrické proudy, které budí elektromagnetická pole. Rozložení proudů po povrchu paraboloidu odpovídá tvorbě synchronních elektromagnetických polí v cloně. Vyzařovací pole zrcadlové antény je součtem polí vytvořených proudy rozloženými po povrchu zrcadla. Pokud jsou rozměry zrcadla mnohem větší než vlnová délka, lze k analýze charakteristik zrcadlových antén použít metody geometrické a vlnové optiky. Podle metody geometrické optiky se paprsky rozbíhající se od zdroje v ohnisku po odrazu od parabolického reflektoru stanou rovnoběžnými. Parabolický reflektor tak transformuje sférické vlny zdroje na rovinné vlny v cloně. Pokud se použije válcový paraboloid s lineárním ozařovačem, pak se válcová vlna ozařovače také transformuje na rovnoběžný svazek paprsků a synchronní pole v cloně.

Přesná definice pole parabolické reflektorové antény vyžaduje řešení problému difrakce sférických vln na parabolické ploše. Tento problém je pracný a získané výsledky jsou potřeba pouze k řešení řady konkrétních problémů. V praxi se široce používají přibližné výpočetní metody: aperturní, proudová a geometrická difrakční teorie (GDT). Aperturní metoda poskytuje dostatečnou přesnost při výpočtu hlavního laloku vyzařovacího diagramu (RP) a nejbližších postranních laloků v úhlovém sektoru od osy RP do úhlu , a proudová metoda do úhlu . Obr. 1. Záření na odvrácené straně a pole ve stínové oblasti reflektorových antén se vypočítávají metodou GDT [1-3,9,10]. Současná metoda výpočtu reflektorových antén je podrobně diskutována v literatuře [7,8].

Obr. 1. K výpočtu zrcadlové parabolické antény.

1. VOLBA GEOMETRICKÝCH ROZMĚRŮ PARABOLICKÉHO SYSTÉMU

ZRCÁTKA. KOEFICENT SMĚROVÉHO PŮSOBNÍKU

Reflektorová anténa pro formování paprsku a fázového pole v apertuře musí mít tvar rotačního paraboloidu. Rotační paraboloid se získá rotací paraboly kolem ohniskové čáry spojující ohnisko s vrcholem paraboly. Parabola je geometrické místo bodů splňující rovnici v kartézském souřadnicovém systému, kde F je ohnisko, je ohnisková vzdálenost, obr. 1. Při grafické konstrukci zrcadla je někdy vhodné použít sférický souřadnicový systém R, q’, f’ s počátkem v ohnisku, ve kterém rovnice nabývá tvaru:

Níže popsanou techniku lze použít i pro válcový paraboloid s obdélníkovým vyzařujícím otvorem.

V praxi se používají i složitější dvouzrcadlové systémy, jako jsou Cassegrain, kosekanty, monopulzní a další speciální antény [4].

Níže uvažujeme pouze parabolické antény s jedním zrcadlem, kruhovou aperturou a téměř osově symetrickým vyzařovacím diagramem s danými směrovými charakteristikami.

Při návrhu parabolické antény mohou být výchozími údaji: zisk (nebo směrovost), šířka paprsku 2q_0,7, UBL, provozní frekvence nebo frekvenční pásmo. Metodika návrhu může mít řadu možností. Některé parametry mohou být v návrhu výchozí a jiné parametry jsou stanoveny v procesu výpočtu. Úkol může také zahrnovat energetické charakteristiky (maximální vyzařovací výkon, šumová teplota) a další konstrukční, technologické a provozní požadavky. Může být tedy zadáno místo instalace antény, oblast použití, náklady a další požadavky. V procesu návrhu je nutné specifikovat nebo vybrat řadu parametrů, pro které se výpočet provádí, a tuto iteraci lze provést několikrát, aby se určila požadovaná možnost. V literatuře je známo několik metod pro výpočet zrcadlových antén. Níže je popsána následující výpočtová sekvence. Výpočet začneme výběrem zrcadla a poté pro zvolený zaostřovací systém vypočítáme napájecí zdroj.

Tvar rozdělení amplitudy v cloně závisí na směrové charakteristice zdroje, ohniskové vzdálenosti a úhlu clony zrcadla. Povaha rozdělení amplitudy určuje šířku paprsku, KIP a UBL. Podle zadaných směrových charakteristik lze z tabulky 1 zvolit jedno nebo druhé rozdělení amplitudy. Z úlohy vezmeme požadované směrové charakteristiky a určíme požadované rozdělení amplitudy a průměr zrcadla 2R.

Kulatý otvor: ,
2q0,7	UBL, dB	KIP n	Rozložení amplitudy	D	n	DN
-17,6	–
-18,6	0.996	0,8
-19,8	0,98	0,6
-20,6	0,964	0,5
-21,5	0,943	0,4
-22,4	0,917	0,316
-23,5	0,87	0,2
-24,2	0,818	0,1
-24,6	0,75
-23,7	0,87	0,25
-22	0,92	0,5
-32,3	0,81	0,25
-26,5	0,88	0,5
-32,3	0,79	0,25
-30,8	0,87	0,5
-30,6	0,555
-36	0,438
-40,9	0,36
-34	0,74
-41,4	0,68
-22,5	0,9	*	0,268
-26	0,359
-27,8	0,375
-24	0,85	0,158
-28,2	0,273
-29	0,298
-24	0,8	0,072
-31,2	0,208
-17,6	**
–	–	–	0,8
–	–	–	0,67
-24,7	0,75
-23,7	0,87	0,8
-22	0,92	0,67
-33,7	0,55
-32,3	0,81	0,8
-26,5	0,88	0,67
-36,1	0,45
-32,3	0,79	0,8
-30,8	0,87	0,67

Průměr clony je určen zadanou šířkou paprsku nebo koeficientem směrovosti, který zajišťuje požadovaný UBL. Při výběru varianty antény s konkrétním rozložením amplitudy je nutné mít na paměti, že se snížením UBL se snižuje účinnost a v souladu s tím se pro danou šířku paprsku a zisk zvětšuje průměr zrcadla. Při přísných omezeních velikosti zrcadla je nutné usilovat o rovnoměrnější rozložení pole a odpovídající zvýšení UBL. Po výběru clony můžete přistoupit k výběru ohniskové vzdálenosti a úhlu clony. Se zvětšením ohniskové vzdálenosti se rozměry antény zvětšují, s daným typem napájení se rozložení pole v cloně vyrovnává, ale část energie se „rozlévá“ přes okraje a snižuje se účinnost napájení, tj. poměr energie vln dopadající na zrcadlo k celkové části vyzařované energie v prostoru. V závislosti na pořadí požadavků na anténu se volí rozložení amplitudy a ohnisková vzdálenost. Pokud je nejdůležitějším parametrem zisk a účinnost antény, pak se snaží zajistit rovnoměrnější pole v cloně. Pokud je nutné zajistit UBL, pak se implementuje rozložení, které se směrem k okrajům více zužuje. Například u slabě směrového ozařovače vibračního typu lze pro dosažení maximálního zesílení použít následující vztah [5]:

kde f je ohnisková vzdálenost (obr. 2);

R₀— poloměr otevření.

Pro vytvoření zvoleného rozložení amplitudy v apertuře je nutné znát úhel natočení (RP) napájecího zdroje. Během návrhu jsou možné dva případy: napájecí zdroj je specifikován, nebo je trenažér podroben výběru. Pro dosažení maximálního zisku reflektorové antény s daným napájecím zdrojem je zvolen optimální úhel apertury.

Optimální úhel apertury zrcadla je v tomto případě určen z výrazu pro směrovost antény, získaného v teorii zrcadlových antén [7].

kde G je koeficient směrovosti antény; D je průměr apertury antény; y₀ – požadovaný úhel apertury antény; — součinitel směrovosti napájecího zdroje ve směru ; — směrový diagram napájecího zdroje. V tomto výrazu je součinitel směrovosti antény s plným využitím plochy apertury, tj. s konstantními fázemi a amplitudami v apertuře; zbytek výrazu je účinnost nebo efektivita g

Pokud je směrový diagram napájecího zdroje z hlediska výkonu v hlavním laloku aproximován funkcí,

pak je směrovost ozařovače ve směru určena výrazem:

a KIP se určí podle vzorce:

exponent n není omezeno na hodnoty přirozených čísel; může to být jakékoli kladné reálné číslo. Obr. 3 ukazuje závislost KIP na úhlu clony pro různé hodnoty exponentu. n.

Obr. 3. Závislost účinnosti ovládání a měření zrcadla na úhlu otevření.

Pro daný ozařovač je tedy vyzařovací diagram konstruován pomocí výkonu, aproximován funkcí a pro něj je úhel otevření zrcadla určen z grafů na obr. 3.

Při zvažování druhé možnosti, pokud není specifikován typ napájecího zdroje, se volí tento. Počáteční parametry pro výběr napájecího zdroje jsou: provozní rozsah, pásmo, požadovaná polarizace vyzařovacího pole (hlavní), maximální požadovaný vyzařovací výkon. Pro zvolený typ napájecího zdroje se vypočítá a aproximuje vyzařovací diagram a zvolí se optimální úhel clony pro dosažení maximální účinnosti a směrovosti. Pokud je počátečním parametrem šířka vyzařovacího diagramu s daným UBL, pak se úhel clony volí na základě ozáření okraje clony danou úrovní podle zvoleného rozdělení amplitudy. V tomto případě se podle grafů na obr. 4, znázorňujících úroveň ozáření okraje zrcadla v závislosti na požadovaném UBL a napájecím diagramu, volí úhel clony zrcadla.

Obr. 4. Závislost UBL na relativní úrovni ozáření okraje zrcadla.

Dále je vyzařovací diagram ozařovače aproximován vztahem (5). Pro zvolený úhel clony lze KIP určit z grafů na Obr. 3. Poté lze přistoupit k výpočtu vyzařovacího diagramu.

Výpočet směrových charakteristik

Uvedený výpočet je pro jednu rovinu, svislou nebo vodorovnou. Vysokofrekvenční úhel (RP) ozařovače ve svislé a vodorovné rovině se může lišit. Proto je vhodné aproximovat RP ozařovače v jedné rovině a určit optimální úhel v jedné a druhé rovině. Pokud je možné nastavit směrový diagram ozařovače ve dvou rovinách, pak lze takový výpočet vynechat.

Na začátku se kontroluje rozložení amplitudy v cloně pro daný posuv, ohniskovou vzdálenost a úhel clony 2y. Nejjednodušší metodou pro určení rozložení je metoda geometrické optiky. Tato metoda je vysvětlena na obr. 5. Pro každý směr úhlu q’ se hodnota obrazce posuvu (úsečka ab) přenese na osu nebo (úsečka cd). Funkce se rekonstruuje do funkce, kde r je souřadnice, vypočtená metodou jednoduché geometrie. Výsledné rozložení je aproximováno funkcí z tabulky 1.

Pokud se nejbližší aproximační funkce E(r) shoduje s vybranou funkcí pro daný UBL, pak není nutná sekundární iterace změny clony. Pro nalezenou funkci se aproximace pole RP určí v souladu s teorií mikrovlnných antén. Fourierovy transformace (tj. přechod z rozdělení pole na RP) pro získaná rozdělení jsou definovány jako L-funkce. L-funkce jsou známé, tabelární funkce, jejichž tabulky jsou uvedeny v dodatku 2. Dodatek 2 dále obsahuje analytický výraz pro L-funkci, který umožňuje výpočet RP na osobním počítači. Pro danou vlnovou délku se RP konstruuje v kartézských souřadnicích v jedné nebo dvou rovinách. RP poměrně dobře odráží RP reflektorové antény v rámci hlavního a prvního postranního laloku. Pokud je nutné vypočítat i vzdálené postranní laloky, používá se metoda geometrické teorie difrakce [3].

Pokud není specifikován typ napájecího zdroje a jeho vyzařovací diagram není znám, ale je známo rozložení amplitudy pole v apertuře, pak lze pro parabolickou reflektorovou anténu vyzařovací diagram napájecího zdroje určit z následujícího výrazu:

kde je DN ozařovače. Vztah proměnných r и q’ znázorněno na obr. 5.

Pro rozdělení amplitudy z tabulky 1 má výraz (8) tvar:

Výběr popisů a návrhů domácích antén pro pásma HF a VHF.

Jednosměrová anténa s dosahem 6 m

Nejběžnější typ křížové antény pro pásmo 6 m (50,5 MHz) je znázorněn na obr. 1. Dipóly jsou instalovány v pravém úhlu k sobě. Pro dosažení fázového posunu o 90° se používá fázovací vedení. Existují složitější metody pro dosažení fázování, ale omezení jsou pro všechny stejná.

Základním požadavkem na jednoduchý fázovací systém je, aby jeho charakteristická impedance byla co nejblíže přirozené rezonanční impedanci jednotlivých dipólů. Pro dipólový kříž je vhodná 70ohmová linka.

Charakteristická impedance v bodě připojení vedení by měla být rovna polovině impedance dipólu, tj. 35 ohmů.

Obr. 1. Návrh jednosměrné antény pro dosah 6 m.

Obousměrná vertikální anténa s dosahem 2 m

Pokud potřebujete obousměrnou vertikální anténu na 2 m s hlubokými bočními nulovými vodiči, zkuste vyrobit půlvlnnou anténu.

Taková anténa je znázorněna na obr. 2. Jak je patrné z výkresu, rozteč mezi vertikálními dipóly je 40″ neboli 1 m. Konstrukce antény je z pevného hliníkového rámu.

Pro průchod silného měděného drátu se v odpovídajících bodech rámu vyvrtají otvory o průměru 4 mm (drát je v těchto bodech izolován). Energie je dodávána koaxiálním napáječem s impedancí 50 Ohmů.

Obr. 2. Návrh obousměrné vertikální antény pro dosah 2 m.

Televizní logaritmicko-periodická anténa pro rozsah 400 MHz

Vzhled antény je znázorněn na obr. 3. Skládá se z 24 prvků s postupně se zmenšující délkou a vzdáleností mezi prvky. Prvky jsou vyrobeny z hliníku o průměru 3 mm. Údaje o prvcích a vzdálenosti mezi nimi jsou uvedeny v tabulce.

Obr. 3. Návrh logaritmicko-periodické televizní antény pro rozsah 400–800 MHz.

Údaje jsou uvedeny v palcích (1 palec = 2,56 cm). Poloha prvků (x) se počítá zleva doprava, druhý sloupec (L) ukazuje polovinu délky prvku.

Krátkovlnná logaritmicko-periodická anténa

Anténa pracuje ve frekvenčním rozsahu od 4 do 30 MHz (10 m) a má několik paprsků ve směrech nejpravděpodobnějších stanic (na obr. 75 – tři směry).

Obr. 4. KV logaritmicko-periodická anténa.

Průměry prvků se pohybují od 1,2 cm pro přední prvky do 15 cm pro zadní prvky. Nejmenší anténa má velikost zadního prvku 330 mm, největší – 430 mm. (www.g3ycc.karoo.net).

Vysílací anténa s magnetickou smyčkou

Anténa je navržena pro frekvenční rozsah od 7 do 21 MHz (od 14 do 42 m). Anténa je (obr. 5) tlustý měděný prstenec (průměr drátu 2 cm, délka obvodu 90 cm).

Obr. 5. Vysílací anténa s magnetickou smyčkou.

Drát má nahoře štěrbinu o délce asi 2 cm, do které je vložen trimovací kondenzátor s maximální kapacitou 250 pF. Je třeba poznamenat, že při přenosu signálu se na štěrbině generuje vysoké napětí, které je nebezpečné pro život. Aby se zabránilo poruše, musí mít trimovací kondenzátor mezi deskami velkou vzdálenost. (www.tpub.com).

Kosočtvercová anténa

Anténa se skládá ze 4 vodičů spojených do tvaru kosočtverce (obr. 6). Anténa je zakončena neindukčním rezistorem, který zajišťuje příjem převážně ze směru hlavní diagonály kosočtverce (od rezistoru k přenosovému vedení).

Obr. 6. Kosočtvercová anténa.

Kosočtvercová anténa může pracovat v širokém frekvenčním rozsahu, i když se mění její zisk, směrovost a impedance.

Tato anténa se snáze navrhuje a staví než jiné typy antén. Směrové charakteristiky takové antény se určují jako součet charakteristik každého anténního drátu (obr. 7). (gef79.narod.ru)

Obr. 7. Charakteristiky kosočtverečné antény.

HF anténa pro dosahy 10-80m

Podle autora návrhu anténa (obr. 8) dává dobré výsledky při práci na všech krátkovlnných amatérských rozsazích: 10, 15, 20, 40 a 80 m.

Obr. 8. Anténa pro amatérská KV pásma.

Nevyžaduje žádný zvlášť pečlivý výpočet (kromě výpočtu délky dipólů) ani přesné nastavení. Měl by být instalován ihned tak, aby maximum směrové charakteristiky bylo orientováno ve směru preferovaných spojení.

Napájecí zdroj takové antény může být buď dvouvodičový s vlnovým odporem 72 Ohmů, nebo koaxiální se stejným vlnovým odporem. Pro každý rozsah, s výjimkou rozsahu 40 m, má anténa samostatný půlvlnný dipól. Na rozsahu 40 metrů v takové anténě dobře funguje dipól rozsahu 15 m.

Všechny dipóly jsou naladěny na střední frekvence odpovídajících amatérských rozsahů a jsou zapojeny uprostřed paralelně ke dvěma krátkým měděným drátům. Napájecí zdroj je připájen ke stejným drátům zespodu.

Tři desky z dielektrického materiálu se používají k izolaci centrálních vodičů od sebe navzájem. Na koncích desek jsou vytvořeny otvory pro uchycení dipólových vodičů.

Všechna drátová spojení v anténě jsou pájená a připojovací bod napáječe je obalen plastovou páskou, aby se zabránilo vniknutí vlhkosti do kabelu.

Výpočet délky L (v m) každého dipólu se provádí podle vzorce:

kde fcp je průměrná frekvence rozsahu, MHz.

Dipóly jsou vyrobeny z měděného nebo bimetalického drátu, kotevních lan nebo lan. Výška antény je libovolná, ale ne menší než 8,5 m. (xradlo.nef.ru).

Jednoduchá televizní anténa pro letní dům

Pro vysoce kvalitní provoz televizoru je nutná směrová koordinovaná anténa pro požadovaný frekvenční rozsah. S směrovou anténou si můžete vybrat, ze kterého zdroje je lepší přijímat signál (na různých frekvencích). Směrová anténa také snižuje úroveň rušení na vstupu televizoru při příjmu signálu.

Úroveň vstupního televizního signálu závisí na volbě typu antény a přesnosti její výroby, což určuje kvalitu obrazu, jeho kontrast a přítomnost barev.

Vnitřní i venkovní antény typu „vlnový kanál“ bohužel vyžadují nastavení pomocí zařízení, takže se jejich výroba doma nedoporučuje, i když jsou nejúčinnější.

Konstrukce nejjednodušší televizní antény ve formě smyčkového vibrátoru je znázorněna na obr. 9.

Tato anténa je širokopásmová, takže přijímá několik kanálů najednou, ale v závislosti na počtu přijímaných kanálů se její rozměry musí lišit.

To je způsobeno tím, že mezi frekvencemi 1-5 (49 MHz) a 100-6 televizními kanály (12 MHz) je značný rozdíl, což ztěžuje přizpůsobení antény.

Anténa je vyrobena z měděného pásku, trubky nebo jiného kovového profilu. Je třeba vzít v úvahu, že vysokofrekvenční proudy protékají pouze v tenké vrstvě kovového povrchu. Proto nezáleží na tom, z čeho je anténa vyrobena: z trubky nebo tyče, důležitý je pouze vnější průměr.

Pokud se tedy pro anténu použije kovový pás, jeho šířka se bere přibližně 1,5krát větší než doporučený průměr a roh má stejnou velikost jako průměr.

Obr. 9. Jednoduchá anténa pro letní domek.

Televizní anténa může být vyrobena z jakéhokoli kovu: mědi, mosazi, bronzu, oceli, hliníku atd. a její povrch musí být rovný a hladký.

Stolní anténa bude těžká a také rezaví, což zhorší její parametry. Antény se nejčastěji vyrábějí z hliníkových slitin, ale ty na povrchu tvoří oxidový film, který je špatně vodivý. Proto jsou z hlediska elektrických parametrů horší než měď a mosaz.

Připojovací bod koaxiálního kabelu k anténním prvkům musí být utěsněn, aby byl chráněn před vlhkostí. Pro tento účel se nejlépe hodí měkčené epoxidové pryskyřice.

Prvek	X	L
1	0 000	7,528
2	1 686	7,151
3	3,288	6,794
4	4,810	6,454
5	6,256	6,131
6	7,629	5,825
7	8,934	5,533
8	10,173	5,257
9	11,351	4,994
10	12,469	4,744
11	13,532	4,507
12	14,542	4,282
13	15,501	4,068
14	16,412	3,864
15	17,277	3,671
16	18,100	3,487
17	18,881	3,313
18	19,623	3,147
19	20,328	2,990
20	20,998	2,841
21	21,634	2,699
22	22,239	2,564
23	22,813	2,435
24	23,358	2,314

Aby se zabránilo korozi, po montáži a připojení kabelu se na plech antény nanáší několik vrstev barvy, po předchozím odmaštění povrchu.

V tomto případě je vhodné použít barvy s dobrými dielektrickými vlastnostmi a schopností odolávat klimatickým vlivům, například automobilový smalt, nitro smalty a v extrémních případech i olejové barvy.

Pro propojení odporu antény s impedancí 292 ohmů s kabelem s impedancí 75 ohmů se používá smyčka. Vlnový odpor a normální odpor by se neměly zaměňovat. Vlnový odpor lze měřit pouze speciálními vysokofrekvenčními zařízeními.

Použití 75ohmového kabelu místo 50ohmového není přijatelné, protože může způsobit vlnění a stíny na obrazovce, což výrazně zhorší kvalitu obrazu.