Порядок выполнения работы. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК «СИММЕТРИЧНОГО ВИБРАТОРА»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК «СИММЕТРИЧНОГО ВИБРАТОРА»

Цель работы:

Изучить свойства « Симметричного вибратора», освоить основы проектирования антенн для работы на разных частотах с помощью соответствующего программного обеспечения.

Симметричный вибратор

Простейшая телевизионная антенна – разрезной полуволновой вибратор – рис. 1. Активная часть антенны образована двумя металлическими трубками диаметром 15...20 мм. Плечи вибратора крепятся к горизонтальной перекладине, которая установлена на вершине мачты. Мачта может быть металлической или деревянной, но перекладина обязательно должна быть из изоляционного материала.

Рис. 1 – Разрезной полуволновой вибратор и симметрирующee

устройство

Входное сопротивление полуволнового вибратора составляет 73 Ома и хорошо согласуется с коаксиальным кабелем, имеющим волновое сопротивление 75 Ом. Однако для подключения коаксиального кабеля к антенне симметричной конструкции необходимо установить симметрирующee устройство. Наиболее часто в качестве такого симметрирующего устройства, которое не изменяет величину входного сопротивления антенны, используют устройство, называемое U-коленом – рис. 2. U-колено образовано двумя отрезками 75-омного коаксиального кабеля. Длина волны в кабеле λ_к в 1,52 раза меньше λ – в свободном пространстве. Длина короткого отрезка l_б = λ_к/4, а длинного – l_а = 3λ_к/4. К точке их соединения подключается фидер, также выполненный из 75-омного кабеля. Короткий отрезок б вместе с верхней частью длинного отрезка а такой же длины образуют двухпроводную линию с волновым сопротивлением 150 Ом и трансформируют входное сопротивление антенны с 75 до 300 Ом. Оставшаяся часть отрезка а образует полуволновую петлю, которая, снижает сопротивление 300 Ом в 4 раза, до 75 Ом. К антенне U-колено подключается в точках а и а'. В таблице 1 даны значения длины полуволнового вибратора L для любого из 12 метровых каналов при двух значениях диаметра провода: d = 1 мм и d = 4 мм, а также размеры отрезков U-колена.

Рис. 2 – Симметрирующее U-колено: а – длинный отрезок длиной 3λ_к/4; б – короткий отрезок длиной λ_к/4

Таблица 1 Размеры проволочного полуволнового вибратора

Номер

d = 1 мм; L, мм

d = 4 мм; L, мм

lа, мм

lб, мм

Диаграмма направленности полуволнового вибратора в горизонтальной плоскости имеет два одинаковых лепестка – рис. 3, с нулевым приемом в направлениях вдоль оси вибратора.

Рис. 3 – Диаграмма направленности полуволнового вибратора

Ширина диаграммы по половинной мощности (по напряжению на уровне 0,707; 3 дБ) составляет 80°. Диаграмма достаточно широка, и поворот антенны относительно направления на передающую антенну в пределах до 20° в обе стороны мало влияет на уровень принятого сигнала. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости – окружность, в вертикальной плоскости антенна оказывается ненаправленной.

Расчет длины вибратора производится аналогично расчету проволочной антенны с учетом коэффициента укорочения Д. приведенного в табл. 2. Размер перекладины, расстояние между ней и вибратором, а также расстояние между втулками выбираются произвольно.

Таблица 2 - Размеры антенны Разрезной полуволновой вибратор.

Петлевой вибратор

Оба плеча петлевого вибратора выполнены в виде короткозамкнутых шлейфов с длиной каждого приблизительно равной 1/4 длины волны. Таким образом, полная длина петлевого вибратора, как и разрезного, составляет около половины длины волны. Середина верхней неразрезанной части вибратора является точкой нулевого потенциала, что позволяет в этой точке крепить вибратор к металлической мачте без изоляции любым способом: сваркой, заклепочным или винтовым соединением. Петлевой вибратор выполняется из тех же материалов, которые рекомендовались для разрезного вибратора. Радиус закругления концов петлевого вибратора не имеет значения. Можно даже соединить верхнюю и нижние трубки по краям перпендикулярными им металлическими перемычками. В точках питания концы трубок нужно сплющить. При расчете длины петлевого вибратора для определения коэффициента его укорочения вместо диаметра трубок вибратора d берется среднее геометрическое между наружным диаметром трубки и расстоянием между осями верхней и нижней трубок, то есть корень квадратный из их произведения. Поэтому петлевой вибратор обычно короче разрезного.

Входное сопротивление петлевого вибратора составляет 292 Ома – считается приближенно равным 300 Ом. Для подключения к петлевому вибратору 75-омного коаксиального кабеля необходимо установить симметрирующе-согласующее устройство ( ССУ) в виде полуволновой петли – рис. 4. Полуволновая петля уменьшает входное сопротивление антенны в 4 раза. Входное сопротивление каждой половины петлевого вибратора между точкой питания и точкой нулевого потенциала составляет 146 Ом, и эти сопротивления соединены последовательно, образуя 292 Ома. Полуволновая петля, не изменяя сопротивление одной половины вибратора, изменяет фазу сигнала на 180° – в точке подключения фидера сопротивления половин вибратора соединены параллельно, образуя 73 Ома. При расчете полуволновой петли необходимо помнить, что ее длина должна быть равна половине средней длины волны сигнала в кабеле, то есть в 1,52 раз меньше половины средней длины волны в свободном пространстве. В табл. 3 приводится длина петлевого вибратора В, выполненного из трубки диаметром 20 мм при расстоянии между осями трубок 80 мм, а также длина петли П в развернутом виде для любого метрового канала.

Таблица 3 Размеры антенны "Полуволновой петлевой вибратор"

Рис. 4 – Петлевой вибратор

Входное сопротивление петлевого полуволнового вибратора составляет 292 Ома только в том случае, если он полностью выполнен из трубок одинакового диаметра; в противном случае входное сопротивление петлевого вибратора может значительно отличаться от 292 Ом. Это свойство петлевого вибратора используется для согласования с фидером многоэлементных антенн.

Иногда требуется получить значительно большее или значительно меньшее входное сопротивление петлевого вибратора, чем это позволяет использование трубок разного диаметра – либо нижняя трубка должна быть очень тонкой, либо верхняя очень толстой. В этом случае предлагается изготовить тройной вибратор, состоящий из одной разрезанной трубки с диаметром d1 и двух неразрезанных трубок диаметром d2 каждая.

Иногда при изготовлении петлевых вибраторов требуется трубка такого большого диаметра, что ее масса оказывается чрезмерной. В этом случае можно использовать вместо толстой трубки несколько проводов, равномерно расположенных по образующей цилиндра и припаянных к жестким металлическим кольцам. Такой вибратор, показанный на рис. 5, впервые был предложен С. И. Надененко и известен под названием диполя Надененко. Аналогично можно выполнить верхнюю часть петлевого вибратора. Диаметром такого проволочного аналога трубки при определении коэффициента n и входного сопротивления антенны является расстояние между противоположными проводами диполя Надененко.

Рис. 5 – Диполь Надененко

Рис. 6. Антенна ТАИ-12

Основной недостаток полуволнового разрезного или петлевого вибраторов – невозможность с их помощью принимать несколько программ по разным частотным каналам. Такая задача может быть решена с помощью широкополосной 12-канальной антенны ТАИ-12 (Телевизионная антенна индивидуальная) – рис. 6. Она использует веерный вибратор с симметрирующим короткозамкнутым мостиком. Плечи веерного вибратора образованы парами металлических трубок, расположенными одна относительно другой под углом 40°. Длина трубок выбрана исходя из средней длины волны I...III диапазонов. Если бы оба плеча веерного вибратора располагались в одной плоскости, диаграмма направленности антенны имела бы вид восьмерки, как у полуволнового вибратора, и принимала бы сигналы с обоих противоположных направлений, перпендикулярных плоскости антенны.

Из-за того, что длина обоих плеч веерного вибратора на 6...12-Ом каналах превышает длину волны, произошло бы раздвоение главного лепестка диаграммы с образованием боковых лепестков и с ослаблением приема с главного направления. Во избежание этих явлений плечи веерного вибратора повернуты по направлению к передатчику на угол 30°. В результате раздваивается задний лепесток диаграммы направленности и ослабляется прием с заднего направления. Вместе с тем накладываются один на другой раздвоенные части главного лепестка диаграммы, и его максимум совпадает с главным направлением приема.

Длина симметрирующего короткозамкнутого мостика составляет примерно 1/4 длины волны в диапазоне 1...5-го каналов и 3/4 длины волны в диапазоне 6...12-го каналов. Поэтому во всем рабочем диапазоне частот его сопротивление достаточно велико. К фидеру из 75-омного коаксиального кабеля для улучшения согласования подключается отрезок 92-омного коаксиального кабеля длиной 700 мм (оплетка – с оплеткой, центральная жила — с центральной жилой) и этим отрезком заводится внутрь одной из трубок мостика. Здесь оплетка отрезка припаивается к этой же трубке, а центральный проводник — к противоположной. Трубки мостика в нижней части замыкаются перемычкой, передвигая которую добиваются наилучшего приема. На 1...5-Ом каналах веерный вибратор обладает усилением 0 дБ, а на 6... 12-Ом каналах – около 1,5 дБ.

При изготовлении антенны можно использовать металлические трубки с наружным диаметром 15...20 мм, крепить антенну можно к металлической мачте хомутиками за ту трубку мостика, внутри которой проходит фидер, причем мачта не должна располагаться между трубками мостика. Использовать отрезок 92-омного кабеля не обязательно.

Один из недостатков антенны ТАИ-12 – недостаточно подавленный прием с заднего направления, так как КЗД этой антенны на разных диапазонах лежит в пределах 2...5 дБ. Поэтому была разработана и выпускается промышленностью 12-канальная антенна ИТА-12 (Индивидуальная телевизионная антенна), внешний вид которой и ее геометрические размеры показаны на рис. 7. Она содержит два одинаковых согнутых под углом 120° вибратора, разнесенных вдоль линии направления на телецентр. Принятые вибраторами сигналы с главного направления складываются, а с противоположного — вычитаются. Симметрирование соединительных кабелей у вибраторов осуществляется с помощью устройств на ферритовых кольцах, а сложение — с помощью направленного ответвителя, размещенного в центральной коробке. Коэффициент усиления антенны ИТА-12 примерно такой же, как у ТАИ-12, но КЗД значительно больше и находится в пределах 8...14 дБ.

Рис. 7 – Антенна ИТА-12

Порядок выполнения работы

1. Выберите геометрические размеры антенны, соответствующие варианту.

2. По размерам постройте модель проволочного вибратора в программе «MMANA».

3. По размерам постройте модель разрезного полуволнового вибратора в программе «MMANA».

4. По размерам постройте модель Петлевого полуволнового вибратора в программе «MMANA».

5. По размерам постройте модель антенны ТАИ-12 в программе «MMANA».

6. По размерам постройте модель антенны ИТА-12 в программе «MMANA».

7. Рассчитайте основные параметры (входное сопротивление, усиление, отношение излучений «вперед/назад»), диаграмму направленности в выбранной полосе частот.

8. Постройте, используя IVMAN графики частотных характеристик.

9. Постройте, используя IVMAN, трехмерный вид диаграммы направленности.

Контрольные вопросы

10. Дайте определение антенны «симметричный вибратор»

11. Перечислите основные достоинства и недостатки

симметричного вибратора.

12. Перечислите основные типы симметричных вибраторов.

Дайте описание конструкции каждого из них.

13. Какие функции выполняет симметрирующее колено?

14. В чем заключается основной недостаток полуволнового

разрезного или петлевого вибраторов? Каким образом он

решается.

Содержание отчета:

1. Название лабораторной работы, группа и ФИО студента

2. Номер варианта (определяется преподавателем).

3. Эскизы антенн соответствующих данному варианту.

4. Геометрические размеры элементов антенн.

5. Графики, отражающие основные характеристики антенн.

6. Диаграммы направленности.

7. Выводы.