Нови видове рупорни антени. Роксова антена. Литература и източници на информация

Изчисляване на директорската антена……………………………………………3

Изчисляване на рупорна антена…………………………………………………………………10

Изчисляване на едноогледална параболична антена………………………17

Заключения относно изчислителната работа……………………………………………..24

Списък с литература………………………………………………………….25

Вибраторните антени се използват в милиметрови, сантиметрови, дециметрови, метрови и по-дълги вълнови диапазони и са прави проводници, възбудени в определени точки. Вибраторните антени, в зависимост от дизайна, имат коефициент на насоченост от няколко единици до десетки хиляди и се използват в радиокомуникационни системи, радионавигация, телевизия, телеметрия и други области на радиотехниката.

За увеличаване на насочеността се използва вибратор с рефлектор и един или повече директори. Такава антена се нарича директорска антена и се използва широко в различни области на радиокомуникациите в УКВ диапазона. Колкото повече директори, толкова по-голям е KND и вече основното венчелистче на DN. Обикновено ефективността на директорските антени е 10...30, но са известни проекти на директорски антени с ефективност = 80...100.

рисуване 1.1 - Общ изглед на режисьорската антена

Фигурата показва активен вибратор с дължина , рефлектор с дължина , директор с дължина , стрела, мачта и антенна монтажна кутия, както и разстоянията от вибратора до рефлектора, от вибратор към режисьора и дължината на самата антена.

Теоретично изчисляване на параметрите на антената.

В директорската антена дължината на активния вибратор е равна на резонансната дължина:

При такава дължина входното съпротивление има реактивна част, близка до нула. Дължината на рефлектора трябва да е по-голяма от резонансната дължина:

Дължината на директорите е по-малка от резонансната дължина:

Освен това дължината на режисьорите намалява от първия до последния.

За система вибратор-рефлектор оптималното разстояние от гледна точка на максимална ефективност се избира в границите:

За системата вибраторът е първият директор:

Разстоянието между съседните директори се приема в границите:

Дължината на вълната се определя по формулата:

Къде е скоростта на светлината и е честотата на канала. защото дадени са ни 5 - 6 телевизионни канала, след което вземаме средната честота на заетите честотни ленти на тези два канала: , тогава дължината на вълната от формула (1.7) ще бъде равна на:

Нека изчислим дължините на вибраторите на антената и разстоянието между тях по формули (1.1 – 1.6):

Ще вземем общата дължина на антената и нейното изображение на Фигура 1.2 от програмата VIBRAT.

рисуване 1.2 - Общ изглед на изчислената директорска антена

За да намерим диаграмата на посоката на режисьорската антена в равнината, използваме формула (1.8):

Където е броят на вибраторите, k е вълновото число и е средното разстояние между вибраторите.

Замествайки (1.9) и (1.10) в (1.8) и числени стойности, получаваме израз за намиране на модела на дадена директорска антена:

Ще изградим нормализиран модел на излъчване с помощта на пакета Mathcad. защото е симетричен спрямо нула, тогава ще го конструираме за:

рисуване 1.3 - DN в равнина

От графиката можете да определите ширината на главния лоб и максималното ниво на страничните лобове: .

Коефициентът на насоченост и ширината на главния лоб се определят по формули (1.10-1.11):

Коефициентите и се определят от графиката на фигура 1.4:

рисуване 1.4 - Диаграма на коефициентите

Да определим дължината на вълната на антената:

Познавайки дължината на вълната на антената и използвайки фигура 1.4, определяме, че . Тогава:

Нека сравним получените резултати от изчислението с резултатите от изчислената директорска антена, моделирана в програмата. Резултатите имат леко разминаване поради факта, че използваните формули са приблизителни и не отчитат редица фактори.

рисуване 1.5 - Директорска антена изчислена във VIBRAT

Заключение: изчислихме фактора на насоченост, DP и параметрите на DP на директорската антена в даден честотен диапазон. С помощта на програмата VIBRAT ние симулирахме тази антена и проверихме валидността на получените параметри.

При 2,45 GHz дължината на вълната на WiFi сигнала е 122 mm. Поляризацията е вертикална. Мрежата предоставя интересна диаграма на биквадрат, извит около медна тръба с диаметър 10 см. Оказва се, че диаграмата на излъчване на такава антена е изкривена и опъната по азимут. Няма модели MMANA, за да видим какво точно се случва, но аматьорите твърдят, че този ход не е най-добрият (ще го разгледаме по-късно). Рупорните антени са подходящи за високи честоти, но са твърде обемисти за ниски честоти. Възможно ли е да направите антена за рутер със собствените си ръце под формата на високоговорител. В изключителни случаи (имитация на глас на езерна патица) определено да.

Малко хора мислят за физическия смисъл на антената. Обикновеният човек ще отговори, че е необходима антена за усилване на сигнала, но това е пасивно, неусилващо устройство. Той събира сигнал от голяма площ и го изпраща към малка, където се намира кабелът на приемника. Всички антени правят това без изключение. Какво може да събере един вибратор? Достатъчно е да запомните, че вълновият вибратор (парче тел, равно на дължината на вълната) е по-добър от полувълновия вибратор, който има предимство пред четвъртвълновия вибратор (равен на една четвърт от дължината на вълната). Колкото по-дълъг е вибраторът, толкова по-ефективен. В този случай се спазват определени пропорции. Това е продиктувано от вълновите закони на природата.

Известно е, че оперен певец, след като удари висока нота, счупи кристална чаша. Как се прави. Пеещият майстор удря леко инструмента и се вслушва каква нота струи от съда. Това е резонансната честота на обекта. Като изсвири същата нота с обучен глас, певецът предизвиква отговор от контейнера. Трептенията се натрупват, засилват се и не изчезват. В резултат на това стъклото се разпада на парчета. Абсолютно същото нещо се случва в антената. Събира и предава вълни, които са резонансни. И това е основната честота и хармониците (умножени по две, четири и т.н. честоти). Домашна антена за рутер ще помогне да премахнете ненужното. Сигналът ще бъде концентриран на правилното място.

Важно е да свържете проводника към антената правилно. Приемането на вълни и хармоници ще направи възможно създаването на хармонична антена, която приема честоти, чиито полувълни са кратни на размерите на устройството.

Например честоти, свързани като 1: 2: 4: 6 и т.н. Правилно начертаната линия ще ви позволи да хванете няколко вълни едновременно. Ако нарушите правилата, устройството няма да работи. Ето как да го направите:

1. Начертайте схематична диаграма на вибратор (права линия), върху която схематично са посочени законите за разпределение на токовете и напреженията за всички дължини на вълните.
2. Ако свържете проводниците в точката на антинода на напрежението, получавате захранване с напрежение.
3. Ако свържете проводниците в точката на антинода на всички токове, получавате захранване с ток.

Така се правят хармоничните антени. За да направите нещо подобно, например, за честота от 3,7 MHz (HF диапазон), имате нужда от парче тел с дължина 80 метра. Ясно е, че подобна ситуация може да не ви устройва. Поради това непрекъснато се търсят нови дизайни. Неотдавна те публикуваха описание на процеса на конструиране на феромагнитна антена за диапазона 3,7 - 7 MHz, която се побира в юмрук. Не твърдим, че ще замени 80 метра мед, но изследователите са наблюдавали положителен ефект от него, който се използва в радиоприемниците.

Роксови антени за рутер

Какво ще ви зарадва с рупорна усилвателна антена за рутер. Опростен дизайн. Ето я теорията:

• пирамидална (пресечена пирамида);
• секторен, секторен (сектор, направен от вълновод, дъното и таванът са успоредни един на друг, страните се разминават);
• коничен (пресечен конус);
• хибрид (формата на клаксона трудно може да се нарече измислена дума; тези, които са разглобявали сателитни конвертори, са запознати с рог със стъпала).

Ако клаксони се използват в сателитни комуникации на честоти над 5 GHz, тогава те са подходящи и за WiFi. Как да си направим антена за рутер. Роговете принадлежат към класа на микровълновите устройства. Антената е изработена от стоманено покритие отвътре. Това подобрява условията на проводимост, позволява на вълната да се движи свободно вътре и придава на стените твърдост. На практика картонът, покрит с фолио отвътре, е подходящ за остъклена лоджия. Фолиото, както знаете, е направено от алуминий, медта има най-добри качества. Някои хора сглобяват рупорни антени от PCB. След това повърхността се полира, например с гумичка, и се лакира. Запечатайте портала на рупорната антена с диелектрик, пластмаса, пяна и др.

важно! Без фолио клаксона няма да работи по очевидни причини. Диелектрикът не може да отразява електромагнитното излъчване.

Съединенията, в случая на PCB, са запоени, картонът е залепен. Вероятно е по-добре да вземете шперплат, защото правилната геометрия е важна за антената. И фурнирният лист държи формата си по-добре. Отвътре е необходимо да се залепят шевовете, а отвън да се намаже с грунд, който предотвратява проникването на влага вътре. След това се боядисва и се окачва навсякъде. При желание е възможно отгоре да закрепите хранилка за птици. Покрийте вътрешността на конструкцията с фолио, възможно най-равномерно (равномерността на залепването няма да повлияе на работата на антената). Предлагаме да направите пирамидален рог, който е по-прост и ще осигури приемлив модел на излъчване и надморска височина, в случай че непознати искат да влязат в нашата мрежа.

Диаграмата на излъчване на рупорна антена за рутер не е оригинална. Това е венчелистче, широко 15 градуса (в зависимост от дизайна) по азимут и височина. Това определя конкретното приложение. За да покрие къщата, антената се поставя на височината на средното разстояние. Така че основното венчелистче покрива всички потребители. Нека започнем с размерите на захранващия вълновод, който получава малко внимание. На уебсайта http://users.skynet.be/chricat/horn/horn-javascript.html има калкулатор; използвайте го, за да изчислите параметрите чрез заместване на честотата. По подразбиране е канал 6 (2437 MHz).

Дъното на захранващия вълновод е пробито отдолу с щифт, отдалечен от задната стена на една четвърт от дължината на вълната, а дължината на секцията е половината от дължината на вълната. Използвайки формула от физиката, намираме дължината на вълната: 299792458 / 2430000000 = 123 mm. Това е дължината на вълната в свободното пространство. Във вълновода има критична вълна, под нея не може да работи. Стойността е равна на два пъти дългата страна на вълновода. Нека следваме съвета на калкулатора и вземем стени 90 х 60 мм. Критичната дължина на вълната ще бъде 180 mm. Вътре във вълновода вълната се движи под ъгъл. Следователно дължината на вълната се увеличава, равна на частното от дължината на вълната в свободното пространство, разделено на косинуса на ъгъла на движение вътре.

Трудността е намирането на ъгъла. Разработени са специални формули за изчисление, читателите ще ги намерят сами, но ние ще използваме резултатите. Първоначално калкулаторът ви моли да посочите размерите на клаксона. Нека дадем правилните стойности. Използвайки метода, намираме страните на паралелепипед, който включва отвора на клаксона (без захранващ вълновод). Оказва се:

1. Дължина P – 60см.
2. Ширина H – 25см.
3. Височина E – 10см.

Намерени са размерите на външния портал, а вътрешният е равен на входа на вълновода. Това ще определи геометрията на четирите стени. Кликнете върху Compute и ще получите готов шаблон. Обърнете внимание на колоната Качество на блендата. Трябва да съдържа фигура, по-малка от 1/8 от вълната (в този случай 15 mm). Една четвърт е публикувана с оригиналните данни от сайта, но авторът не е сигурен в тяхната точност. Не залепвайте плътно първия модел, а първо го тествайте на земята. Моля, обърнете внимание, че вече сме изчислили дължината на вълната във вълновода, цифрата е 16,85 см. Сега разбираме какво да правим с пръта:

• разстояние от задната заглушена стена на вълновода с 168,5 / 4 = 42,125 mm;
• вълноводната секция е с дължина 84 mm;

Това са важни параметри и трябва стриктно да се спазват. Тук сигналът се премахва от щифта. Как да настроите сайт. Щифтът стърчи от дъното до определена дължина, това е една четвърт от вълната в свободното пространство (31 mm). Трябва да вземете SWR метъра и да го преместите в различни посоки, докато получите стойност в областта на единството. Ако не работи дълго време, наклонете пръта леко към задната стена.

Е, външната антена на WiFi рутера е готова. След това ще има разговор за микровълновите технологии.

Прикрепен към тесния край на рога. Въз основа на формата на клаксона се разграничават Е-секторни, Н-секторни, пирамидални и конични рупорни антени.

Имоти

Рупорните антени са много широколентови и отговарят много добре на захранващата линия - всъщност честотната лента на антената се определя от свойствата на вълноводния вълновод. Тези антени се характеризират с ниско ниво на задните дялове на диаграмата на излъчване (до −40 dB) поради факта, че има малък поток от радиочестотни токове към страната на сянка на клаксона. Рупорните антени с ниско усилване са прости по дизайн, но постигането на високо (>25 dB) усилване изисква използването на устройства за фазово изравняване на вълната (лещи или огледала) в отвора на клаксона. Без такива устройства антената трябва да бъде направена непрактично дълга.

Приложение

Рупорните антени се използват както самостоятелно, така и като захранващи устройства за огледални и други антени. Роксовата антена, структурно комбинирана с параболичен рефлектор, често се нарича рупорно-параболична антена. Рупорните антени с ниско усилване често се използват като измервателни антени поради техния благоприятен набор от свойства и добра повторяемост.

Характеристики и формули

Коефициентът на усилване на рупорна антена се определя от нейната площ на отваряне и може да се изчисли по формулата:

$D=4\backslash pi\backslash frac(S)(\backslash lambda^2)\backslash nu$, Където $S=L\_EL\_H$- зона за отваряне на клаксона, $\backslash nu$- KIP (коефициент на използване на повърхността на рога), равен на 0,6 за случая, когато разликата в пътя на централните и периферните лъчи е по-малка, но близка до $\backslash pi/2$и 0,8 при използване на устройства за фазово нивелиране на вълната.

Ширина на главния лоб на лъча според нулево излъчване в равнината H:

$2\backslash phi\_(0H)=170^\backslash circ\backslash frac(\backslash lambda)(L\_H)$

Ширина на главния лоб на лъча според нулево излъчване в равнина E:

$2\backslash phi\_(0E)=115^\backslash circ\backslash frac(\backslash lambda)(L\_E)$

От Когато равни $L\_E$И $L\_H$Дъното в равнината H е 1,5 пъти по-широко; често, за да се получи еднаква ширина на лоба в двете равнини, те избират

$L\_H=1(,)5L\_E$

За поддържане на фазовите изкривявания в отвора на клаксона в приемливи граници (не повече $\backslash pi/2$) е необходимо да е изпълнено следното условие (за пирамидален рог):

$\backslash frac(\backslash pi)(4\backslash lambda)\backslash left(\backslash frac(L^2\_E)(R\_E)\; +\; \backslash frac(L^2\_H)(R\_H)\; \backslash right)\backslash leqslant\backslash frac(\backslash pi)(2)$, Където $R\_E$И $R\_H$- височината на лицата на пирамидата, образуваща рога.

Видове рупорни антени

• Пирамидален рог - антени във формата на четиристенна пирамида, с правоъгълно напречно сечение. Те са най-широко използваният тип рупорна антена. Излъчва линейно поляризирани вълни.
• Секторен рог - пирамидални рога с разширение само в една равнина E или H.
• Коничен рог - отвор във формата на конус с кръгло напречно сечение. Използва се с цилиндрични вълноводи за производство на кръгово поляризирани вълни.
• Вълнообразен рог - отвор от рогове с успоредни прорези или жлебове, който е малък в сравнение с дължината на вълната. Жлебовете покриват вътрешната повърхност на рога, напречно на оста.

Вълнообразните рогове имат по-широка честотна лента, по-ниски странични листове и по-малко кръстосана поляризация. Те се използват широко като захранващи устройства за сателитни антени и радиотелескопи.

Хорн параболична антена

Хорн-параболичната антена е вид антена, в която парабола и рупор са структурно свързани. Предимството на този дизайн в сравнение с хорн е ниското ниво на страничните лобове и тясната диаграма на насоченост. Недостатъкът е, че тежи повече от параболичните антени. Пример за използване е рупорно-параболичната антена в космическата станция Мир, антени за радиорелейни станции.

Настройка на антената

SWR на антената се регулира в нейната вълноводна част или в KVP чрез избор на позиция и размер на захранването на KVP. Регулирането във вълноводната част се извършва с помощта на щифтове или диафрагми.

Напишете отзив за статията "Рукора антена"

Връзки

• Разпространение на радиовълни, антенно-фидерни устройства В. П. Чернишев, Д. И. Шейнман “Комуникация”, 1973 г.
• Микровълнови устройства и антени. Д. И. Воскресенски, В. Л. Гостюхин, В. М. Максимов, Л. И. Пономарев. Учебник за ВУЗ

Бележки

Откъс, характеризиращ рупорната антена

Излъчването идва от отворения край на вълновода. За насочване на електромагнитната енергия се използват правоъгълни или кръгли вълноводи.

Въпреки това вълноводите могат да се използват не само за канализиране на електромагнитна енергия, но и за нейното излъчване.

Отвореният край на вълновода може да се разглежда като обикновена микровълнова антена.

Отвореният край на вълновода е платформа с електромагнитно поле.1

Характеристики на електромагнитното поле в отворения край на вълновода.

1. Вълната не е напречен тип ТЕМ. (има по-сложна структура).

2. Освен падаща вълна има и отразена.

3. Наред с основния тип вълна, в края на вълновода присъстват по-високи видове вълни.

В допълнение, полето присъства не само в отвора на вълновода, но и на външната повърхност поради потока на токове върху тази повърхност от края на вълновода.

Вземането под внимание на тези фактори значително усложнява проблема за определяне на радиационното поле от отворения край на вълновода и неговото строго математическо решение среща големи трудности. Поради тази причина обикновено се използват методи за приблизителни решения. За това решение проблемът е разделен на две задачи: вътрешна и външна.

1) Вътрешната задача е да се намери полето в отвора на вълновода.

2) Външната задача е да се намери радиационното поле от известното поле в отвора.

Помислете за правоъгълен вълновод.

Основен тип вълна.

Ориз. 45. Правоъгълен вълновод (а) и структурата на полето в него за вълна от тип: в равнината xOy (б); в равнината xOz (c); в равнината yOz (g).

Интензитетът на падащото електромагнитно поле в средата на отвора на вълновода.

Дължина на вълната във вълновода.

Дължина на вълната в свободното пространство.

Сложно отразяване.

Outfield поле:

Характеристичен импеданс на вълновия фронт в отворения край на вълновода.

Характерният импеданс на средата е .

Отчитайки намерените полеви съотношения в главните равнини

Област на отваряне на вълновода.

Диаграма на излъчване на отворения край на правоъгълен вълновод.

Ориз. 46. ​​Диаграма на излъчване от отворения край на правоъгълен вълновод при

Както се вижда от фигурите, ширината на диаграмата на излъчване е голяма. За да се получи по-рязък модел на излъчване, напречното сечение на вълновода може постепенно да се увеличава, превръщайки вълновода в рупор. В този случай структурата на полето във вълновода основно се запазва.

Плавното увеличаване на напречното сечение на вълновода подобрява координацията му със свободното пространство.

Ориз. 47. Основни видове електромагнитни клаксони.

Най-разпространени са секторните и пирамидални рога.

Помислете за надлъжното сечение на правоъгълен рог с равнина E или H.

Ориз. 48. Надлъжен разрез на правоъгълен рог.

Отваряне на клаксона

Ширина на отвора на клаксона.

Дължина на рога.

Върхът на рога.

Изследването на рога обикновено се извършва с помощта на приблизителни методи поради математически трудности.

Първоначално се определя полето в отвора. При решаването на този проблем се приема, че рогът е безкрайно дълъг, а стените му са идеално проводими.

След решаване на вътрешния проблем, външният проблем се решава по обичайния метод, т.е. е радиационното поле.

H – планарен секторен рог.

За да намерим структурата на полето в клаксона, използваме цилиндрична координатна система.

Вълната ще има компоненти.

Ориз. 49. Цилиндрична координатна система за анализ на секторни рогове.

Решавайки системата от уравнения на Максуел и използвайки асимптотични изрази на функциите на Ханкел за големи стойности на аргумента, получаваме следните стойности за компонентите на полето

Тук напрегнатостта на електрическото поле в точката на клаксона с координати и .

Формули (1) показват, че при големи компоненти и полето в клаксона представлява напречна електромагнитна цилиндрична вълна. Поради факта, че повечето от използваните клаксони са с плоска апертура и вълната в клаксона е цилиндрична, полето в апертурата няма да бъде във фаза.

За да определите фазовите изкривявания в отвора, разгледайте надлъжното сечение на клаксона. Кръгова дъга с център на върха на рога следва фронта на вълната и следователно е линия от равни фази. В произволна точка с координата , фазата на полето изостава от фазата в средата на отвора (в точка ) с ъгъл

Ориз. 50. Към определяне на фазовите изкривявания в апертурата на рупора.

Тъй като обикновено е в рога, можем да се ограничим до първия член на разширението

Формула (2) е приблизителна. Те могат да се използват, когато или. При използваните рога тези условия обикновено са изпълнени.

Понякога е удобно да се определят максималните фазови грешки в отвора на рупор чрез неговата дължина и половината от ъгъла на отвора.

Формулата е вярна за всяко и .

От формулата става ясно, че за дадено поле в апертурата, колкото по-малка е разликата от синфазното поле, толкова по-голяма е дължината на клаксона. Ограниченията на размерите изискват намиране на компромисно решение, т.е. определяне на дължината на клаксона, при която максималното фазово изместване в неговия отвор няма да надвишава определена допустима стойност. Тази стойност обикновено се определя от най-голямото усилване на посоката, което може да се получи от рупор с дадена дължина. За секторен рог максимално допустимото фазово изместване е , което съответства на следната връзка между оптималната дължина на клаксона, размера на отвора и дължината на вълната:

За да определим разпределението на амплитудите на полето в отвора на клаксона, вземаме

По този начин полето в апертурата на секторен рог може окончателно да бъде представено чрез изразите

Диаграма на излъчване в равнината

По-долу са дадени характерните зависимости на коефициента на насоченост от относителния отвор на рупор за различни дължини на рупор.

Ориз. 51. KND зависимост Н -секторен рог върху относителната ширина на отвора

при различни дължини на рога.

За да се елиминира зависимостта на дирекционния коефициент от ординатната ос, се изобразява произведението. От графиките става ясно, че за всяка дължина на рупор има определена апертура на рупор, при която коефициентът на насоченост е максимален. Намаляването му с по-нататъшно увеличаване се обяснява с рязко увеличаване на фазовите грешки в блендата.

Рогът, който за дадена дължина има максимален коефициент на насочване, се нарича оптимален. От кривите, показани на фиг. 3, става ясно, че в максималната точка на кривите съответства равенството

Ако дължината на клаксона се вземе по-дълга, тогава при същата площ на отваряне коефициентът на посока се увеличава, но не много. Максималните точки на коефициента на насочване съответстват на коефициента на използване на площта на отваряне.

Ако дължината на клаксона се увеличава непрекъснато, тогава в границата при ще получим синфазно поле в отвора на клаксона. Коефициентът на използване на синфазната зона с косинусово разпределение на амплитудата на полето е равен на . По този начин увеличаването на дължината на клаксона в сравнение с оптималната му дължина не може да увеличи коефициента на насоченост с повече от

Поради ниските загуби ефективността на рупорните антени практически може да се приеме за единица.

Секторен клаксон на електронен самолет.

Поле в отвора на планарен секторен рог

Тук ; разстояние от гърлото на клаксона. на планарния рог е същият като този на отворения край на вълновода. планарен рог, т.е. .

Когато избирате размерите на планарния рог, можете да се ръководите от същите съображения, които бяха посочени по-горе във връзка с планарния рог.