Краткие теоретические сведения. Общие методические указания

Общие методические указания

Специалистам по технической эксплуатации радиоэлектронного оборудования наряду с обслуживанием радиоэлектронных систем приходится выполнять также и обслуживание антенн. Основой технического обслуживания антенн является проверка параметров и характеристик излучения. Для коротких антенн, характерным примером которых является антенна приводной радиостанции, одним из важнейших параметров является входное сопротивление, потому что этот параметр определяет нагрузку генератора а, следовательно, и выходную мощность передатчика. Поэтому радиоспециалистам при ремонте, обслуживании и настройке приходится многократно измерять входное сопротивление антенны. В связи с этим будущим специалистам в области эксплуатации РЭО необходимо знать методы измерения входного сопротивления, уметь выбирать наиболее рациональные методы измерения, владеть практическими навыками при работе с измерительной аппаратурой, уметь оценивать надежность полученных результатов.

При выполнении лабораторной работы 1 необходимо обратить внимание на используемую измерительную аппаратуру, ее метрологические качества, способы обработки результатов измерений.

Цель работы

1. Изучение особенностей конструкции и основных параметров коротких антенн.

2. Овладение методикой измерения входного сопротивления коротких антенн резонансными методами.

3. Экспериментальное исследование зависимости входного сопротивления от частоты.

Краткие теоретические сведения

Под короткими антеннами подразумеваются антенны, длина которых меньше четверти длины волны. К этой группе относятся большинство антенн длинноволнового и средневолнового диапазонов, а также некоторые антенны коротковолнового диапазона, применяющиеся на самолетах. Короткие антенны представляют собой, несимметричные вибраторы, расположенные над поверхностью земли или обшивки самолета.

Рассмотрим особенности коротких антенн, расположенных над

поверхностью земли. Приводные радиостанции аэропортов гражданской авиации комплектуется, как правило, Т-образной антенной, выполняемой в двух вариантах. Горизонтальная часть антенны основного ва­рианта (рис.1) состоит из трех лучей (проводов), подвешенных на двух мачтах высотой 20 м. Одиночное снижение длиной 16 м присоединяют к горизонтальному полотну посредине. Вместо заземления используется противовес, который состоит из 16 лучей длиной 50 м каждый, радиально расходящихся во все стороны. Лучи противовеса подвешиваются на специальные колья на высоте 2 м от земли.

Антенна второго варианта - малая антенна отличается от антенны основного варианта только размерами снижения, мачт и горизонтальной части.

Лучи горизонтального полотна выполняются из антенного канатика сечением 4 мм² . Каждый луч состоит на средней части длиной 55 м и двух надставок длиной 7,5 м, которые присоединяются к концам средней части.

Рис. 1

Концы лучей заканчиваются крючками, с помощью которых луч цепляется за кольцо изоляторной цепочки. С другой стороны изоляторной цепочки, состоящей из четырех изоляторов, имеется крючок, которым цепочка крепится за кольцо реи. Последняя представляет собой дюралюминиевую трубу диаметром 40 мм. Горизонтальное полотно антенны с помощью рей натягивается и поднимается на вершину мачты. Для подъема антенны на концах реи ввернуты два болта, к которым цепляются стальные отростки подъемного фала.

Мачта состоит из 9 дюралюминиевых колен и нижнего составно­го колена, которое выполняется из дюралюминиевой трубы длиной 1 м и деревянного стержня длиной 1 м. Деревянная часть служит для изоляции тела мачты от земли и закрепляется в патрубке основания мачты.

На верхушке мачты закреплен блок подъемного фала. В вертикальном положении мачта удерживается пятью ярусами оттяжек из стального троса, которые разделены по длине орешковыми изоляторами. Оттяжки каждого яруса располагаются по отношению друг к другу под прямым углом.

Лучи противовеса выполнены из антенного канатика сечением 4 мм и подвешиваются между двух изоляторных цепочек, каждая из которых состоит из четырех орешковых изоляторов. В середине каждый луч поддерживается металлическим опорным колом, на верхушку которого одевается пластмассовый изолятор.

Снижение антенного полотна выполнено однолучевым из антенного канатика. Один конец снижения разветвляется на три отростка, каждый из которых снабжен зажимом для присоединения к лучам горизонтальной части антенны. Второй конец снижения через антенный переключатель соединяется с выходным зажимом антенного контура.

Особенности этих антенн прежде всего вытекают из их относительных размеров. Излучательную способность проволочных антенн оценивают сопротивлением излучения в омах, которое для коротких антенн можно рассчитать по формуле

Так как действующая длина антенны не больше геометрической длины, то отношение значительно меньше единицы. Поэтому сопротивление излучения получается весьма малым. Следовательно, при излучении больших мощностей через зажимы короткой антенны должны протекать огромные токи, в связи с чем могут возникать перенапряжения. Кроме того, у коротких антенн реактивная составляющая входного сопротивления неизмеримо больше активной составляющей, что обуславливает довольно узкую полосу пропускания. Наконец, в связи с небольшой величиной сопротивления излучения, сопротивление потерь оказывается намного больше, причем его величина даже у антенн с весьма совершенным заземлением не падает ниже десятых долей ома. Последнее обстоятельство предопределяет низкий КПД коротких антенн.

Горизонтальная часть (нагрузка) коротких антенн позволяет более эффективно использовать высоту антенн. Чем более разветвленная горизонтальная часть, тем ближе действующая длина к геометрической высоте антенны.

Таким образом, горизонтальная часть позволяет увеличить сопротивление излучения антенны. Наличие емкостной нагрузки на конце вертикального провода уменьшает реактивную составляющую входного сопротивления, что приводит к уменьшению напряжений в антенне и расширению полосы пропускания.

Измерив активную составляющую входного сопротивления, можно найти сопротивление потерь из соотношения

Излучение короткой антенны в горизонтальной плоскости равномерное.

В вертикальной плоскости диаграмма направленности такая же, как и элементарного электрического вибратора. Горизонтальная часть антенны практически не оказывает влияния на диаграмму направленности, так как при небольшой высоте подвеса горизонтальная часть и ее зеркальное отображение создают в основном потенциальное поле точно также, как и двухпроводный фидер.

В настоящее время в качестве антенн дальней связи на некоторых самолетах все ещё находят применение Г-образные, Т-образные и наклонные наружные проволочные жесткие антенны. Таким антеннам свойственны многие недостатки: большое аэродинамическое сопротивление, широкие пределы изменения входного сопротивления в диапазоне рабочих частот, опасность обледенения, повышенная восприимчивость к электрическим помехам и т.д. Однако хорошие ДН, тщательность в отработке конструкции, являющаяся следствием многолетней эксплуатации, и простота обслуживания в ряде случаев заставляют авиаконструкторов предпочесть их другим типам самолетных антенн.

Так как диаграмма направленности короткой антенны, расположенной над поверхностью земли, известна, особое значение приобретают измерения входного сопротивления. Этот параметр необходим как для обеспечения согласования фидера с антенной, так и для расчета сопротивления излучения, сопротивления потерь и КПД.

Входное сопротивление представляет собой нагрузку для фидера, который питает антенну. Оно может быть выражено через напряжение на зажимах антенны и ток протекающий через входные зажимы

,

где - активная составляющая входного сопротивления; реактивная составляющая входного сопротивления.

Входное сопротивление антенны имеет большое значение для

определения режима работы фидера и генератора. Однако инженерные методы расчета входного сопротивления ввиду сложности задачи разработаны лишь для некоторых типов антенн. Мощность , которая подводится к антенне, может быть найдена через входное сопротивление и модуль тока на входе антенны

.

В подводимой мощности можно выделить активную и реактивную составляющие

,

где - мощность излучения; - активная мощность, характеризующая потери в антенне; - реактивная мощность.

Разделив их на половину квадрата тока, найдем, что

.

Таким образом, полное активное входное сопротивление антенны представляет собой сумму сопротивления излучения и сопротивления потерь, отнесенных к току на зажимах антенны.

Реактивная составляющая входного сопротивления характеризует реактивную мощность поля, связанного с антенной в ближней зоне.

При измерении входного сопротивления короткой антенны используются два метода: вариации частоты и замещения.

Сущность метода вариации частоты заключается в следующем: если к конденсатору колебательного контура параллельно присоединить исследуемую антенну, то изменится собственная частота контура и полоса пропускания. С помощью измерительного генератора можно найти ширину полосы пропускания и частоту, при которой наступает резонанс. Пусть параметры колебательного контура без антенны известны. Тогда найденные значения собственной частоты и полосы пропускания позволяют рассчитать новые значения параметров колебательного контура, а отсюда и входное сопротивление антенны.

Известно, что параметры колебательного контура зависят от частоты, т.е. колебательный контур, составленный из идеальных элементов (сопротивления, индуктивности и емкости), является схемой замещения реального контура только для одной какой-либо частоты. В связи с этим способ измерения входного сопротивления по методу вариации частоты несколько отличается от описанного.

Практически измерения выполняются на частотах, для которых известны эквивалентные параметры колебательного контура. Частоту генератора изменяют в небольших пределах, достаточных для определения ширины полосы пропускания и позволяющих пренебрегать изменением эквивалентных параметров контура. Настройку колебательного контура в резонанс производят с помощью конденсатора, потери которого чрезвычайно малы. В этом случае по изменению емкости конденсатора можно судить о реактивной составляющей входного сопротивления антенны.

Принципиальная схема измерения входного сопротивления антенны по методу вариации частоты изображена на рис.2. Схема состоит

Рис. 2

из генератора высокой частоты (ГВЧ), индикатора напряжения V, трансформатора связи , катушки переменной индуктивности , переменного конденсатора и ключа К для подключения антенны А. Процесс измерения делится на два этапа. На первом этапе замыкается ключ К, ротор конденсатора устанавливается в положение минимальной емкости, значение которой равно (или же вообще конденсатор отключается от схемы). Генератор настраивается на требуемую частоту питающего контур напряжения, а индуктивность изменяется до совпадения собственной частоты колебательного контура с частотой питающего напряжения. Момент резонанса отмечается индикатором напряжения по максимуму отклонения стрелки.

Небольшими вариациями частоты питающего напряжения находят значения частот и , при которых показания индикатора составляют 0,707 от максимума. Первый этап измерений заканчивается отключением исследуемой антенны. На втором этапе измерений емкость переменного конденсатора устанавливают таким образом, чтобы показания индикатора при частоте были максимальны. Емкость конденсатора при этом будет равна . На уровне 0,707 от нового максимума отклонения стрелки индикатора при вариации частоты генератора определяет значения и . При правильной установке ёмкости имеет место равенство

.

Процесс измерений считается завершенным посоле определения величин , , , , , , которых вполне достаточно для расчета входного сопротивления антенны. Штрих указывает на то, что величины относятся к первому этапу измерений, два штриха - ко второму этапу.

На первом этапе измерений колебательный контур состоит из индуктивности L, емкости и активного сопротивления . Здесь - собственное сопротивление контура, -активная составляющая входного сопротивления антенны. На втором этапе измерений колебательный контур состоит из той же величины индуктивности L, емкости и собственного сопротивления контура .

Так как на первом и на втором этапах измерений собственная частота контура остается неизменной и равной , индуктивность контура постоянна, то эквивалентная входная емкость короткой антенны равна .

Если на первом этапе измерений конденсатор отключается от схемы колебательного контура, то начальная емкость равна нулю и входная емкость .

Отсюда реактивная составляющая входного сопротивления антенны

.

Разность полных активных сопротивлений колебательного контура равна активной составляющей входного сопротивления антенны .

Из ширины полосы пропускания можно определить полное активное сопротивление колебательного контура

и

,

где - реактивное сопротивление колебательного контура.

Из последних двух выражений можно получить

.

Учитывая, что ,

окончательно находим

.

Следовательно, полное входное сопротивление антенны равно

.

Знак минус указывает емкостный характер реактивной составляющей .

Рассмотренному методу присуща систематическая погрешность. На втором этапе измерений было принято, что потери колебательного контура определяются величиной . Однако, если учесть потери в конденсаторе , то

.

Таким образом, систематическая погрешность

,

где - истинное значение активной составляющей входного сопротивления.

Относительную величину систематической погрешности можно определить как

.

Систематическую погрешность вызывают также внешние поля. Так как в колебательный контур включается антенна, то наведенные ЭДС могут значительно исказить результаты измерений. Для уменьшения влияния наведенных ЭДС применяют избирательные индикаторы напряжения.

Случайные погрешности определяются ошибками установки частоты , емкости конденсатора , точностью отсчета емкости , частот и и показаний индикатора напряжения.

Погрешность измерения реактивной составляющей входного сопротивления находят так же, как и погрешность измерения емкости резонансным методом

где - погрешность градуировки конденсатора.

Относительную величину случайной погрешности при определении активной составляющей входного сопротивления вычисляют обычным способом по формуле

.

В этом выражении - относительная погрешность отсчета частоты, - относительная погрешность установки и отсчета емкости, - относительная погрешность измерения напряжения при резонансе на первом этапе, - относительная погрешность измерения напряжения при резонансе на втором этапе.

Метод вариации частоты близок к методу куметра и методу добавочного сопротивления, которые также косвенными измерениями позволяют определить составляющие входного сопротивления антенны.

Измерение входного сопротивления антенны по методу замещения заключается в замещении исследуемой антенны эталонным сопротивлением при условии, что эталонное сопротивление при подключении к колебательному контуру будет вызывать такой же эффект, как и антенна. Одна из возможных схем, использующая метод замещения, приведена на рис.3.

Рис. 3

Схема состоит из генератора высокой частоты ГВЧ, трансформатора связи , катушки с переменной индуктивностью , индикатора напряжения V, переключателя П, эталонного сопротивления , эталонной емкости и исследуемой антенны А. Процесс измерения заключается в следующем: переключатель П ставят в положение 1 и устанавливают необходимую частоту генератора. Переменную индуктивность меняют до тех пор, пока на индикаторе напряжения V не установится максимальное отклонение стрелки . Отмечают показания индикатора V и переключатель П переводят в положение 2. В этом положении изменяется емкость конденсатора , пока собственная частота контура не совпадет с частотой генератора. Момент резонанса отмечается максимальным отклонением стрелки индикатора напряжения . После этого регулировкой величины эталонного сопротивления добиваются, чтобы показания индикатора напряжения возвратились к величине . Очевидно, что при этом схема замещения из сопротивления и конденсатора образует с индуктивностью такой же колебательный контур, как и входное сопротивление исследуемой антенны. Поэтому

и .

Систематическая ошибка метода такая же, как и при измерении входного сопротивления антенны методом вариации частоты. Для ее уменьшения следует применять конденсатор с малыми потерями, а индикатор напряжения должен обладать хорошей избирательностью.

Случайная погрешность измерения состоит из ошибки настройки контура в резонанс, погрешности отсчета и градуировки эталонного конденсатора и сопротивления, неточности отсчета максимального напряжения на индикаторе.

Величина погрешности при определении активной составляющей входного сопротивления антенны равна

,

где - относительная ошибка градуировки и отсчета эталонного сопротивления; - относительная ошибка измерения и отсчета напряжения .

Величину случайной погрешности измерения реактивной составляющей входного сопротивления антенны можно приближенно оценить выражением

,

где - погрешность отсчета и градуировки конденсатора

Преимуществом метода замещения является простота процесса измерений и возможность получения искомого результата без промежуточных вычислений.

Задание

1. Ознакомиться с резонансными методами измерения входного сопротивления антенны и измерить входное сопротивление короткой антенны.

2. Оценить погрешности измерения входного сопротивления и сравнить метод вариации частоты с методом замещения.

3. Определить сопротивление потерь и коэффициент полезного действия по результатам измерений и расчетным данным.

Поиск по сайту: