Сети ЭВМ

Вид материала

Курсовая работа

Содержание Назначение передающей и приемной антенн Краткие сведения об основных параметрах антенн Классификация антенн Излучение антенных решеток Общие сведения о зеркальной антенне Основные сведения о спиральных антеннах Режимы излучения спиральной антенны Плоская арифметическая спиральная антенна. Арифметическая спираль Спутниковые антенны Щелевая антенна

Подобный материал:

• Рабочая программа по дисциплине "Схемотехника эвм" для специальности 22. 01 "эвм, комплексы,, 87.32kb.
• Александр Дмитриевич Букин Занятия на практикум, 37.9kb.
• Учебно- методический комплекс по дисциплине (название) "Сети ЭВМ и средства телекоммуникаций", 716.43kb.
• Учебное пособие к курсовому проектированию по курcам «Сети эвм» и«Глобальные сети», 1240.55kb.
• В. В. Синьков г. Тольятти 2010, 465.55kb.
• Лекция Введение в дисциплину Характеристики сетей ЭВМ, 384.76kb.
• Разработка мероприятий по охране труда при монтаже сети, 119.45kb.
• Методические указания к лабораторной работе по дисциплине "Сети ЭВМ и средства телекоммуникаций", 315.14kb.
• Реферат по предмету : сети ЭВМ на тему : Построение сети предприятия, 569.95kb.
• Сети ЭВМ и телекоммуникации пособие к выполнению лабораторных работ начальные сведения, 441.17kb.

Федеральное агентство по образованию

Южно-Уральский государственный университет

Миасский машиностроительный факультет


Курсовая работа


по курсу «Сети ЭВМ»

на тему : «Антенны»


Выполнил: Азнабаева Е.А.

гр. 276, управление качеством

Проверил: Кулешов Ю.В.


Миасс

ПЛАН:

1. Ведение
   
2. Назначение передающей и приемной антенны
   
3. Краткие сведения об основных параметрах антенн
   
4. Классификация антенн
   
5. Излучение антенных решеток
   
6. Общие сведения о зеркальной антенне
   
7. Общие сведения о спиральных антеннах
   
8. Спутниковые антенны
   
9. Щелевая антенна
   

ВВЕДЕНИЕ

Антенна выступает в роли промежуточного звена радиоприбором – приемником или передатчиком – и окружающим пространством, являясь своего рода преобразователем электромагнитной энергии, её трансформатором. Передающая антенна, питаемая энергией радиопередатчика, возбуждает в пространстве электромагнитное поле, несущее сигнал. Незначительную часть энергии поля улавливает приемная антенна, создающая на входе радиоприемника эдс, достаточную для воспроизведения сигнала.

С изобретением радио начинается история антенной техники, которая проходит свои этапы вместе с развитием радиотехники. Однако элементы, излучавшие электромагнитную энергию и отбиравшие ее из пространства, были известны уже в опытах Генриха Герца (1886–1888гг.) до возникновения самой идеи об использовании электромагнитного поля для передачи сигналов. Впоследствии нашим знаменитым соотечественником А. С. Поповым была изобретена первая радиотехническая антенна.

Вслед за первыми шагами радиотехники, когда использовались искровые и дуговые генераторы, задачам радиосвязи были подчинены длинные и средние, а затем и короткие волны. За это время – к середине тридцатых годов – возникли и сформировались все основные типы проволочных антенн, или «радиосетей». Антенны длинных и средних волн по своим размерам почти всегда меньше длины волны. Освоение же коротких волн означало качественный скачок в антенной технике, так как открылась реальная возможность построения антенн, значительно превышающих длину волны и поэтому обладающих большой направленностью действия. Тенденция к дальнейшему укорочению рабочей волны ещё сильнее проявляется в последующий период, начиная с предвоенных лет. Как известно, благодаря появившимся недавно оптическим квантовым генераторам практике теперь доступны когерентные электромагнитные колебания светового диапазона, что открывает совершенно новые возможности в радиосвязи.


^ НАЗНАЧЕНИЕ ПЕРЕДАЮЩЕЙ И ПРИЕМНОЙ АНТЕНН

Антенной называется радиотехническое устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн. Антенна является одним из важнейших элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемом радиоволн. К таким системам относят: системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиоуправления, радиорелейной связи, радиолокации, радиоастрономии, радионавигации и др.
В конструктивном отношении антенна представляет собой провода, металлические поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики. Назначение антенны поясняется упрощенной схемой радиолинии. Электромагнитные колебания высокой частоты, модулированные полезным сигналом и создаваемые генератором, преобразуются передающей антенной в электромагнитные волны и излучаются в пространство. Обычно электромагнитные колебания подводят от передатчика к антенне не непосредственно, а с помощью линии питания (линия передачи электромагнитных волн, фидер).
При этом вдоль фидера распространяются связанные с ним электромагнитные волны, которые преобразуются антенной в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства.
Приемная  антенна улавливает свободные радиоволны и преобразует их в связанные волны, подводимые с помощью фидера к приемнику. В соответствии с принципом обратимости антенн свойства антенны, работающей в режиме передачи, не изменяются при работе этой  антенны в приемном  режиме.
Устройства, аналогичные антеннам, применяют также для возбуждения электромагнитных колебаний в различных типах волноводов и объемных резонатов.
^

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРАХ АНТЕНН

Свойства направленности антенны описывают характеристикой (диаграммой) направленности. Количественно эти свойства оцени­вают с помощью таких параметров, как ширина диаграммы на­правленности, уровень боковых лепестков, коэффициент направ­ленного действия (КНД) и других. Важным параметром является входное сопротив­ление антенны, характеризующее ее как нагрузку для генератора или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отно­шение напряжения между точками питания антенны (зажимы ан­тенны) к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникаю­щими в волноводном тракте. В общем случае входное сопротив­ление – величина комплексная: . Оно должно быть согласовано с волновым сопротивлением фидерного тракта (или с выходным сопротивлением генератора) так, чтобы обеспечить в последнем режим, близкий к режиму бегущей волны.

Мощность, излучаемая антенной связана с током в точках питания антенны соотношением , где – активная составляющая входного сопротивления антенны; при отсутствии потерь в ней () – это сопротивление излучения. Данное опре­деление относится к проволочным антеннам.

Одним из основных параметров антенны является ширина ее рабочей полосы частот, в пределах которой параметры антенны (характеристика направленности, входное сопротивление, КПД и др.) удовлетворяют определенным техническим требованиям. Требования к постоянству параметров антенны в пределах рабочей полосы могут быть различными; они зависят от условий работы антенны.
^

КЛАССИФИКАЦИЯ АНТЕНН

Антенны можно классифицировать по различным признакам:

1. По характеру излучающих элементов:
   

• излучающий элемент металлическая спираль, питаемая коаксиальной линией (спиральная антенна)
  
• ан­тенны с линейными токами (или вибраторные антенны), антенны, излучающие волны через «раскрыв» (апертурные антенны, антенны по­верхностных волн),
  
• антенны, у которых поле в «раскрыве» формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала) (зеркальные антенны),
  
• излучатель представляет собой щель (щелевые антенны),
  

2. По виду радиотехнической системы, в которой используется антенна: антенны для радиосвязи, для радиовеща­ния, телевизионные и др. Будем придерживаться диапазонной классификации. Хотя в различных диапазонах волн очень часто применяют антенны с одинаковыми (по типу) излучающими эле­ментами, однако конструктивное выполнение их различное; значи­тельно отличаются также параметры этих антенн и требования, предъявляемые к ним.
   
3. Антенны следующих вол­новых диапазонов: мириаметровые (сверхдлинные) волны (); километровые (длинные) волны (); гектометровые (средние) волны (); декаметровые (короткие) волны (); метровые волны (); дециметровые волны (); сантиметровые волны (); миллиметровые волны (). Последние четыре диапазона иногда объединяют общим названием “ультракороткие волны” (УКВ).
   

^

ИЗЛУЧЕНИЕ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

Для получения высокой направленности излучения, часто требуе­мой на практике, можно использовать систему слабонаправленных антенн, таких как вибраторы, щели, открытые концы волноводов, и других, определенным образом расположенных в пространстве и возбуждаемых токами с требуемым соотношением амплитуд и фаз. В этом случае общая направленность, особенно при большом числе излучателей, определяется в основном габаритными размерами всей системы и в гораздо меньшей степени – индивидуальными на­правленными свойствами отдельных излучателей.

К числу таких систем относят антенные решетки (АР). Обычно АР называется система идентичных излучающих элементов, одина­ково ориентированных в пространстве и расположенных по опре­деленному закону. В зависимости от расположения элементов различают линейные, поверхностные и объемные решетки, среди кото­рых наиболее распространены прямолинейные и плоские АР. Иногда излучающие элементы располагаются по дуге окружности или на криволинейных поверхностях, совпадающих с формой объ­екта, на котором расположена АР (конформная АР).

Простейшей является линейная АР, в которой излучающие элементы располагаются вдоль прямой, назы­ваемой осью решетки, на равных рас­стояниях друг от друга (эквидистант­ная АР). Расстояние d между фазо­выми центрами излучателей называ­ют шагом решетки,. Линейная АР по­мимо самостоятельного значения яв­ляется часто основой при анализе других типов АР.


^ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЕ

Зеркальными антеннами называют антенны, у которых поле в «раскрыве» формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала). Источником электромагнитной волны обычно служит какая-нибудь небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае облучателем зеркала или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны.

Зеркало обычно изготовляется из алюминиевых сплавов. Иногда для уменьшения парусности зеркало делается не сплошным, а решетчатым. Поверхности зеркала придается форма, обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболее распространенными являются зеркала в виде параболоида вращения, усеченного параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля. Облучатель помещается в фокусе параболоида или вдоль фокальной линии цилиндрического зеркала. Соответственно для параболоида облучатель должен быть точечным, для цилиндра – линейным. Наряду с однозеркальными антеннами применяются и двухзеркальные.

Рассмотрим принцип действия зеркальной антенны. Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, возбуждает на ней токи, которые создают вторичное поле, обычно называемое полем отраженной волны. Для того чтобы на зеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу в направлении зеркала и не излучать в другую полусферу. Такие излучатели называют однонаправленными.

В «раскрыве» антенны отраженная волна обычно имеет плоский фронт для получения острой диаграммы направленности либо фронт, обеспечивающий получение диаграммы специальной формы. На больших (по сравнению с длиной волны и диаметром зеркала) расстояниях от антенны эта волна в соответствии с законами излучения становится сферической.

Точечный облучатель (например, маленький рупор), расположенный в фокусе параболоида, создает у поверхности зеркала сферическую волну. Зеркало преобразует ее в плоскую, т.е. расходящийся пучок лучей преобразуется в параллельный, чем и достигается формирование острой диаграммы направленности.


^ ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СПИРАЛЬНЫХ АНТЕННАХ

Конструктивно спиральные антенны представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Спиральные антенны принадлежат классу антенн бегущей волны и основным режимом работы антенны является режим осевого излучения. Также спиральная антенна формирует диаграмму направленности вдоль оси спирали

Основные составляющие спиральной антенны:

1.Спираль из медной трубки

2.Сплошной экран: в качестве экрана можно применить более дешёвый алюминий;

3.Согласующее устройство: для согласования надо применить согласующее устройство СВЧ так как входное сопротивление фидера 50 или 75 Ом, а сопротивление спирали 140 Ом; к тому же сопротивление спиральной антенны практически активное и для согласования можно применить конусообразный переход из коаксиальных линий передачи

4.Питающий фидер

5.Диэлектрический каркас: в качестве каркаса часто применяется твёрдый пенопласт. При этом расчетные соотношения останутся неизменными т.к. диэлектрическая проницаемость пенопласта практически равна диэлектрической проницаемости воздуха

^ РЕЖИМЫ ИЗЛУЧЕНИЯ СПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ

Спиральная антенна представляет собой свернутый в спираль провод, который питается через коаксиальный фидер. Внутренний провод фидера соединяется со спиралью, а внешняя оболочка фидера — с металлическим диском. Последний служит рефлектором, а также препятствует проникновению токов с внутренней на наружную поверхность оболочки фидера. Спираль может быть не только цилиндрической, но и конической и плоской или выпуклой.

Цилиндрическая спиральная антенна характеризуется следующими

геометрическими размерами: радиусом а, шагом s, длиной одного витка, числом витков p, длиной по оси, углом подъема.

Спиральные антенны используются на УКВ в режиме бегущих волн с осевым излучением и вращающейся поляризацией. Такой режим требует определенных соотношений между размерами антенны и длиной волны. Выявим эти соотношения.

Ток высокой частоты, проходя но спирали, вызывает излучение электромагнитных волн. Достаточно десяти-одиннадцати витков, чтобы вся подводимая к антенне энергия излучалась в пространство и не происходило отражения волн от конца спирали. Такая бегущая волна тока распространяется вдоль провода спирали с фазовой скоростью, т. е., с замедлением. Волна проходит один виток за определенное время. Электромагнитные волны, возбуждаемые током спирали, распространяются в воздухе со скоростью с и длиной волны.

Если бы все витки сливались, то достаточно было установить время, равным периоду колебаний, т. е. чтобы поля любой пары противоположных элементов спирали совпадали по фазе и полностью складывались в точках оси , которая равноудалена от контура витка. Это объясняется тем, что в пределах одного витка амплитуды тока практически одинаковая, а различие в фазе на угол в диаметрально противоположных сечениях витка компенсируется противоположным направлением токов в них.

В случае спирали цилиндрической формы с шагом s условие максимального осевого излучения формулируется несколько иначе: за время прохождения тока по витку электромагнитная волна должна пройти в воздухе расстояние большее, чем длина волны, на шаг s.

При таком коэффициенте замедления токи в любых двух сечениях, расположенных под углом 90°,вызывают на оси поля, которые сдвинуты по фазе на 90°, и волны, которые поляризованы под углом 90°. В результате сложения этих линейно- поляризованных волн получаются волны с круговой поляризацией.

Опытным путем установлено, что с увеличением длины волны фазовая скорость уменьшается, а коэффициент замедления увеличивается во столько же раз. Благодаря этому условие осевого излучения поддерживается в широком диапазоне волн.

При длине витка набег фазы в 360° происходит при прохождении волной тока нескольких витков спирали. При этом антенна уподобляется электрически малой рамке из N витков провода, которая имеет ДН в виде восьмерки с максимумами излучения в плоскости, перпендикулярной оси спирали, то на одном витке спирали укладывается две, три и более волн, а это приводит к наклонному излучению и конусной форме

пространственной ДН.

Наиболее выгодный режим — осевого излучения, который, как известно, требует длины витка и обеспечивает полосу пропускания. Эта полоса может быть значительно расширена путем перехода к конической антенне, в которой участок со средней длиной витка удовлетворяет условию, а крайние участки с большими и меньшими длинами витков удовлетворяют аналогичным условиям, но для максимальной и минимальной длин волн рабочего диапазона.

В зависимости от рабочей длины волны интенсивно излучает только одна из зон спирали и только этой активной зоной определяется острота ДН.

Итак, цилиндрические и конические спиральные антенны широкополосные с осевым излучением волн круговой поляризации. Направленность цилиндрических спиралей средняя, а конических — ниже средней (не вся спираль участвует в излучении на данной частоте), но последние обладают большей диапазонностью. Применяются и те и другие как самостоятельные антенны в диапазонах дециметровых а метровых волн, а также как облучатели антенн сантиметровых волн.

^ Плоская арифметическая спиральная антенна.

В процессе развития радиотехники все больше требуются антенно-фидерные устройства, рассчитанные на работу в очень широком диапазоне частот и притом без всякой перестройки. Частотная независимость таких антенно-фидерных устройств основана на принципе электродинамического подобия.

Этот принцип состоит в том, что основные параметры антенны (ДН и входное сопротивление) остаются неизменными, если изменение длины волны сопровождается прямо пропорциональным изменением линейных размеров активной области антенны. При соблюдении данного условия антенна может быть частотно- независимой в неограниченном диапазоне волн. Однако размеры излучающей структуры конечны и рабочий диапазон волн любой антенны тоже ограничен.

Из этой группы антенн рассмотрим плоские арифметические и равноугольные

спирали и логарифмически-периодические антенны.

^ Арифметическая спираль

Арифметическая спираль выполняется в виде плоских металлических лент или щелей в металлическом экране Уравнение этой спирали в полярных координатах где— радиус-вектор, отсчитываемый от полюса О; а — коэффициент, характеризующий приращение радиус-вектора на каждую единицу приращения полярного угла ; b — начальное значение радиус- вектора.

Спираль может быть двухзаходной, четырёхзаходной и т. д. Если спираль двухзаходная, то для ленты (щели) , показанной штриховыми линиями, угол отсчитывается от нуля, а для ленты , показанной сплошными линиями, т. е. спираль образована совершенно идентичными лентами, повернутыми на 180° друг относительно друга.

Начальные точки ленты / соответствуют радиус-векторам, которые обозначим и следовательно, ширина ленты. Описав один оборот, лента занимает положение D, в котором радиус-вектор больше начального на. На этом отрезке ВD размещаются две ленты и два зазора, и если ширина их одинаковая, то отсюда определяем коэффициент.


^ СПУТНИКОВЫЕ АНТЕННЫ

Спутниковые антенны бывают в основном двух видов: прямофокусные и офсетные.


Офсетна антенна Прямофокусная антенна


Только по названию, можно понять принцип работы каждой из антенны. В прямофокусной антенне конвертор расположен в центре и фокус находится в центре антенны. В офсетной антенне сигнал идет под углом и отразившись под тем же углом попадает на конвертор. Для наглядности, направим две антенны на один и тот же спутник и посмотрим их расположение:



Ближняя - это офсетная тарелка, а дальняя прямофокусная. Видно, что прямофокусную антенну необходимо устанавливать под углом равным углу подъема спутника над горизонтом. С офсетной антенной все по другому. Вспомним её принцип действия:



Сигнал падает под углом и отражается под тем же углом. Соответственно вспоминая принцип действия обыкновенного зеркала, солнечного луча и основ геометрии, становится понятно, что антенну необходимо выставлять под некоторым углом так, что бы сигнал со спутника падал и попадал в конвертор.

Сигнал падает на антенну под углом, равным углу подъема спутника над горизонтом. Отразившись, он идет в конвертор. Для того, что бы как то упросить понимание этих углов, выполним преобразование. Расположим антенну строго вертикально. Жирной линией показана плоскость антенны.



Когда антенна расположена вертикально, это значит, что её плоскость расположена под углом 90 градусов к горизонту. На антенну падает сигнал и отражается под углом 90 градусов. Между горизонтом и углом падения сигнала, когда оффсетная антенна строго перпендикулярна земле, образуется угол. Его назвали углом смещения антенны. Этот угол у антенн разных диаметров -разный и является одной из характеристик антенны. 


^ ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА


Элементарный щелевой излучатель представляет собой щель, прорезанную в идеально проводящем плоском экране неограниченных размеров. Параметры такого излучателя могут быть определены с помощью принципа двойственности. Принцип двойственности применительно к элементарному щелевому излучателю гласит: векторы Е и Н электромагнитного поля щели имеют такое же направление в пространстве и являются такими же функциями координат, как соответственно Н и Е поля элементарного электрического вибратора тех же размеров, что и щель.

Воспользовавшись принципом перестановочной двойственности можно показать, что поле, создаваемое симметричным щелевым излучателем, совершенно такое же как и поле, создаваемое симметричным электрическим вибратором, при взаимозамене направлений электрического и магнитного векторов.

Резонансной щелью называют узкую щель, длина которой 2l приблизительно равна половине длины волны в свободном пространстве. Ширина щели d составляет обычно менее десятой доли длины волны. На рис.1 представлены диаграммы направленности элементарного электрического вибратора (а) и элементарного щелевого излучателя (б) соответственно в магнитной и электрической плоскостях.


Для того чтобы щель излучала, ее следует прорезать вдоль силовых линий магнитного поля в волноводе или, что то же самое, поперек силовых линий тока проводимости, наводимого магнитным полем в стенках волновода. На рис.4 показаны возможные способы прорезания щели на широкой стенке волновода прямоугольного сечения, возбуждаемого волной типа Н .

Интенсивность возбуждения щели зависит от ее положения на стенке волновода. Так, например, продольная щель при х не излучает и поэтому не оказывает влияния на режим работы волновода. Примером такой щели является щель, по которой перемещается зонд в волноводной измерительной линии. По мере увеличения х плотность поверхностного тока увеличивается, так как увеличивается напряженность магнитного поля, и, следовательно, интенсивность возбуждения щели возрастает. По мере увеличения интенсивности возбуждения щели входное сопротивление продольной щели и входная проводимость поперечной щели возрастают.

Интенсивность возбуждения щели зависит не только от ее расстояния от средней линии волновода х , но и от расстояния между центром щели и закорачивающим поршнем. В волноводе без щелей, закороченном на конце, существуют стоячие волны. При этом на конце волновода (закорачивающий поршень) в соответствии с граничными условиями на идеальной металлической поверхности существует узел составляющей и пучность.

Чтобы продольная возбуждалась с максимальной интенсивностью, ее центр надо поместить в пучность, т.е. расстояние между поршнем и щелью - z - должно равняться нечетному числу. Для максимального возбуждения поперечной щели ее следует помещать в пучность , т.е. на расстоянии равном четному числу 2 от поршня.

Известно, что волновод прямоугольного сечения с волной типа Н можно представить эквивалентной двухпроводной линией с волновой проводимостью

Щель, прорезанная в стенке волновода, представляет для последнего некоторую нагрузку и влияет на режим его работы. Часть энергии, идущей по волноводу, излучается щелью, часть отражается от нее, как от всякой неоднородности, и направляется обратно к генератору, часть проходит дальше. Влияние щели на режим работы волновода характеризуется входной проводимостью Y и входным сопротивлением Z . Входное сопротивление (проводимость) щели произвольной длины есть величина комплексная. В основном применяются резонансные щели (Х = В = 0). Чтобы щель была резонансной, ее длина должна быть несколько меньше . При этом, чем шире щель, тем больше должна быть величина укорочения. Здесь также существует полная аналогия с симметричным вибратором. Приближенно укорочение может быть определено по формуле:

Поперечная щель, прорезанная в широкой стенке волновода, прерывает линии плотности продольной составляющей поверхностного тока. Поэтому эту щель следует рассматривать как сопротивление, последовательно включенное в провода эквивалентной волноводу двухпроводной согласованной линии.


Список литературы:


1. А.В. Абрамов «Антенны и их применение 2003 г., М.

2.П.И. Ибрагимов «Спутниковые антенны» 2008 г. С-П.

3.Журнал «На Связи» 2009 г. М.

4.Интернет (ссылка скрыта;

ссылка скрыта)