Как измерить кпд антенны

RadiobookA

радиолюбительский портал

Воробьев И. М. Оборудование и эксплуатация радиостанций

  • Глава 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОСВЯЗИ
    • 1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
    • 1.2. ТРАКТЫ ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ
    • 1.3. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СЛУЖБ
  • Глава 2. АНТЕННО-МАЧТОВЫЕ И ФИДЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
    • 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
    • 2.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АНТЕНН
    • 2.3. ЗАЗЕМЛЕНИЯ И ПРОТИВОВЕСЫ
    • 2.4. АНТЕННЫ ДЛЯ ЛИНИЙ РАДИОСВЯЗИ ПРОТЯЖЕННОСТЬЮ 50. 100 км
    • 2.5. АНТЕННЫ ДЛЯ ЛИНИЙ РАДИОСВЯЗИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАДИОВОЛН
    • 2.6. ФИДЕРЫ АНТЕНН
    • 2.7. СОГЛАСУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
    • 2.8. МАЧТЫ
    • 2.9. ВЫБОР ТИПА И РАЗМЕРОВ АНТЕНН ДЛЯ ЛИНИЙ РАДИОСВЯЗИ
    • 2.10. РАЗМЕЩЕНИЕ АНТЕНН НА ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРРИТОРИИ РАДИОСТАНЦИИ
    • 2.11. ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АНТЕНН И ФИДЕРОВ
    • 2.12. БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АНТЕННО-МАЧТОВЫХ И ФИДЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
  • Глава 3. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ РАДИОСТАНЦИЙ
    • 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
    • 3.2. ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ
    • 3.3. БЕНЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИИ АГРЕГАТ АБ-1-П/30
    • 3.4. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПЕРЕДАЮЩИХ РАДИОСТАНЦИЙ
    • 3.5. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПРИЕМНЫХ РАДИОСТАНЦИЙ
    • 3.6. БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК НА РАДИОСТАНЦИЯХ
  • Глава 4. ОБОРУДОВАНИЕ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИХ РАДИОСТАНЦИЙ
    • 4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
    • 4.2. РАДИОСТАНЦИЯ 2Р20 («АНГАРА-1»)
    • 4.3. РАДИОПЕРЕДАТЧИК «АРКТИКА»

Глава 2. АНТЕННО-МАЧТОВЫЕ И ФИДЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

2.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АНТЕНН

Для оценки качества работы антенн используются следующие основные электрические показатели: коэффициент полезного действия, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления, ширина диаграммы направленности в горизонтальной и в вертикальной плоскостях, угол излучения, действующая длина.

Коэффициент полезного действия (КПД).

Коэффициент полезного действия передающей антенны ήа определяется отношением излучаемой в пространство мощности Р к полной мощности Рпер, подведенной от передатчика к входу антенны: ήа=P/Pnep.

Полная мощность, подведенная к антенне, расходуется на излучение антенной и на потери энергии в антенне: Рпер=Рп и ήа/(Р +Pp ) .

Мощность, теряемая в антенне, состоит из потерь в земле, проводах антенны, изоляторах, применяемых для подвески полотна антенны, в канатах, поддерживающих антенну. Основные потери энергии — потери в земле.

В силу принципа обратимости антенн коэффициент полезного действия приемной антенны оценивается тем КПД, который она будет иметь при использовании ее в качестве передающей. Так как мощность принимаемых радиоволн очень мала, то КПД приемной антенны может быть невысоким, но не менее 10 . 15%.

Коэффициент направленного действия (КНД).

Для работы линии радиосвязи требуется, чтобы передающая радиостанция обеспечила необходимую напряженность электромагнитного поля в месте расположения антенны приемной радиостанции. Значение напряженности поля в месте приема зависит от направленности передающей антенны и абсолютной величины излучаемой мощности.

Направленность антенны определяется коэффициентом направленного действия Д, а величина излучаемой мощности — коэффициентом полезного действия антенны.

Коэффициент направленного действия характеризует способность антенны концентрировать большую часть энергии излучаемых электромагнитных волн в некотором направлении и определяется отношением квадрата напряженности поля Е, создаваемого антенной в заданном направлении на расстоянии г, к квадрату среднего значения напряженности поля Еср, которое создавалось бы в любой точке на расстоянии г от антенны при круговом излучении, т. е. если бы антенна являлась абсолютно ненаправленной:

Для приемной антенны КНД определяется отношением мощности, поступающей на вход приемника при приеме сигналов на эту антенну с данного направления, к мощности, поступающей на вход приемника при приеме этих сигналов на абсолютно ненаправленную антенну при условии, что напряженность поля, создаваемая передатчиком в месте нахождения антенн, одинакова: Д=Р/РСР.

Вам понравится:  Как определить дециметровую антенну

Так как мощность на входе приемника пропорциональна квадрату напряжения, то коэффициент направленного действия приемной антенны Д=Р/Рср= U 2 / U 2 ср.

Полуволновой вибратор, находящийся в свободном пространстве, имеет в главном направлении значение Д=1,64.

Коэффициент усиления.

Коэффициент усиления е антенны зависит как от направленности, так и от КПД антенны. Он более полно характеризует качество антенны, так как учитывает концентрацию энергии в определенном направлении благодаря направленности антенны и полезную мощность излучаемых электромагнитных волн.

Коэффициент усиления передающей антенны определяется отношением квадрата напряженности поля, создаваемого этой антенной, к квадрату напряженности поля, создаваемого полуволновым вибратором в точке приема на одном и том же расстоянии г: ε = Е 2 /Е 2 λ/2.

При этом предполагается, что к данной антенне и полуволновому вибратору подводится одна и та же мощность от передатчика, полуволновой вибратор находится в свободном пространстве и КПД полуволнового вибратора равен единице. Существует следующая зависимость между коэффициентом усиления, КНД и КПД антенны: ε =Дηа/1,64.

Коэффициент усиления приемной антенны определяется отношением мощности, поступающей на вход приемника при приеме сигналов на эту антенну с данного направления, к мощности, поступающей на вход приемника при приеме этих же сигналов на полуволновой вибратор без потерь при условии, что обе антенны ориентированы в одном направлении и напряженность поля в месте нахождения антенн одинакова: ε = Р 2 /Р 2 λ/2 = U 2 / U 2 λ/2 .

Диаграммы направленности антенны.

Передающая антенна излучает электромагнитные колебания во всех направлениях, однако в одном из направлений, называемом главным, излучает максимум энергии. Чтобы оценить интенсивность излучения энергии передающей антенной в различных направлениях, строится ее диаграмма направленности.

Диаграмма направленности ^представляет собой потоки энергии, излучаемые антенной в разных направлениях пространства. Форма диаграммы направленности соответствует телу вращения. Для лучшего представления диаграммы направленности ее форму проецируют на горизонтальную и вертикальную плоскости. Поэтому и различают диаграммы направленности антенн в горизонтальной (рис. 2.1,а) и вертикальной (рис. 2.1,6) плоскостях.

Рис. 2.1. Диаграммы направленности антенн:

а — в горизонтальной плоскости; б —в вертикальной плоскости

Обычно диаграмма направленности имеет несколько максимумов, называемых лепестками, разделенных друг от друга минимумами. Лепесток, соответствующий максимальному излучению, называется главным лепестком, противоположный главному, называется задним, а остальные — боковыми.

Диаграмма направленности антенны при приеме электромагнитных волн такая же, как и при передаче. Главный лепесток диаграммы направленности характеризуется углом раствора а в горизонтальной плоскости (см. рис. 2.1,а) и углом излучения р между поверхностью земли и серединой диаграммы в вертикальной плоскости (см. рис. 2.1,6). Угол а заключен между образующими, проведенными к сторонам диаграммы на уровне 0,7 от максимальной напряженности поля или на уровне 0,5 от максимальной мощности излучения (при этом максимальная напряженность поля и максимальная мощность излучения приняты за единицу).

Действующая длина антенны. Для оценки работы приемной антенны используется понятие действующей длины антенны, определяемой отношением электродвижущей силы е, наводимой в антенне, к напряженности поля Е в точке приема: l Д=е/Е.

Источник

Как измерить кпд антенны

Изначально хочется сказать, что метод калориметрии действительно показательный и не требует каких-то особенных инструментов для измерения. Единственный, на мой взгляд, недостаток — значительное количество времени для проведения таких измерений. Одно измерение занимает более часа, плюс охлаждение до «начальной» температуры бокса и «изделий», для проведения следующих измерений и т.д. В итоге проведение описываемых здесь измерений заняло не один день.

Вам понравится:  Карты для gsm розетки

Действительно КПД (Коэффициент Полезнгого Действия) ЕН антенны (как и всякой другой), является важной величиной. Он показывает сколько процентов энергии антенна излучила в окружающее пространство, и сколько процентов подведенной энергии превратилось в антенне в тепло (по причине несовершенства конструкции и неидеальности ее характеристик).

Есть несколько методов определения КПД, но все они сводятся к измерению (расчету) мощности: Полезной мощности, излученной антенной и той мощности, которая превратилась в тепло.
Один из методов измерения мощности, является калориметрический метод.

Калориметрические методы измерения мощности основаны на преобразовании электромагнитной энергии в тепловую в сопротивлении нагрузки, являющейся составной частью измерителя. Количество выделяемого тепла определяется по данным изменения температуры в нагрузке или в среде, куда передано тепло. Различают калориметры статические (адиабатические) и поточные (не адиабатические). В первых мощность СВЧ рассеивается в термоизолированной нагрузке, а во вторых предусмотрено непрерывное протекание калориметрической жидкости. Калориметрические измерители позволяют измерять мощность от единиц милливатт до сотен киловатт. Статические калориметры измеряют малый и средний уровни мощности, а поточные — средние и большие значения мощности

Калориметр (от лат. calor — тепло и греч. metreo — измеряю) — прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе.

Метод калориметрии обычно применяется для работы с СВЧ техникой (размеры устройств там не большие, а метод позволяет не предъявлять повышенные требования к компонентам измерительного оборудования). Этим методом можем воспользоваться и мы, так как размеры ЕН антенны также не велики. В свою очередь калориметрический метод также подразделяется на несколько вариантов. Мы воспользуемся методом статического калориметра, путем замещения.
Как будет выглядеть схема измерения? Она представлена на рисунке Рис.1

Рис. 1 Блок схема для измерения КПД ЕН антенны методом замещения.

+200 o C) соединенный с измерителем температуры, мультиметром «M890G», расположенным снаружи бокса. Для контроля за излучением используется также измеритель уровня э/м поля «АТТ-2593».

Порядок проведения измерений следующий:

  • В трансивере устанавливается частота 145,450 МГц и выходная мощность 10 ватт.
  • Выходная мощность, перед началом эксперимента, контролируется по уровню входного напряжения, непосредственно на «объекте», осциллографом «Tektronix TDS 2022B» (P=((0,7*U p) 2 )/R).
  • Подается питание на вентилятор.
  • Датчик температуры «ТР-01» подключается к мультиметру «M890G».
  • В качестве «Объекта» в бокс устанавливается ЕН антенна на 145 МГц и подключается к трансиверу.
  • Бокс плотно закрывается пенопластовой крышкой.
  • Перед началом эксперимента, в течении одной минуты, измеряется температурв воздуха внутри бокса (при эксперименте она была равна 21 o С)
  • Включается трансивер.
  • Дополнительно контролируется КСВ прибором «Diamond SX-600».
  • Для контроля измеряется уровень поля на расстоянии до трех длин волн.
  • С интервалом в 5 минут измеряется температура внутри бокса с помощью мультиметра «M890G».
  • Измерения производятся до прекращения существенного роста температуры внутри бокса (примерно в течении часа).
  • Далее пенопластовый бокс с открытой крышкой охлаждается до температуры окружающего воздуха.
  • Вместо исследуемой ЕН антенны включается эквивалент антенны 50 Ом.
  • Проверяется КСВ с включенным эквивалентом.
  • Включается трансивер и его выходная мощность подбирается такой, чтобы ход изменения температуры был такой же как и с ЕН антенной (эти действия повторяются несколько раз до совпадения графиков увеличения температуры как с ЕН антенной, так и с эквивалентом антенны 50 Ом).
  • С интервалом в 5 минут измеряется температура внутри бокса с помощью мультиметра «M890G».
  • По результатам измерений строится график.

Изначально была предпринята попытка использовать выходную мощность с трансивера около 40-50 ватт, но такая попытка привела к очень быстрому росту температуры внутри небольшого, по объему, бокса выше 60 o C, и предрасположенности к оплавлению частей бокса, при испытании эквивалента антенны. В итоге выбор максимальной выходной мощности был остановлен на 10 ваттах.
Аналогичные измерения (как указано в вышеприведенном списке) производятся и для второй ЕН антенны на диапазон 145 МГц, а затем и для эквивалента антенны 50 Ом (измеряется лишь для наглядности). Измерения также были повторены и для маленькой (уменьшенной по размерам ЕН антенны для диапазона 27 МГц). Таким образом, измерения проводились для эквивалента антенны 50 Ом, двух ЕН антенн на диапазон 145 МГц и для маленькой (меньшей по рекомендуемым для ЕН антенн размерам), для диапазона 27 МГц.
После построения графиков на мощности 10 ватт, в бокс устанавливается эквивалент антенны 50 Ом и проводятся измерения температуры при понижении мощности от трансивера до такой величины (как позже оказалось менее 1 ватта), чтобы ход кривой температуры с использованием эквивалента, был такой же как и с использованием ЕН антенны при мощности 10 ватт. Величина мощности также записывается (амплитуда напряжения на нагрузке 50 Ом и ЕН антенне регистрируется с помощью осциллографа «Tektronix TDS 2022B»).
Теперь можно подсчитать КПД антенны по формуле:

Вам понравится:  Lub12 schneider electric схема подключения

Где:
Р ант. — мощность подводимая к исследуемой антенне.
Р экв. — мощность подводимая к эквиваленту антенны и создающая такую же температуру в боксе-термостате, как и температура, при измерениях с исследуемой антенной.

Ниже на фотографиях, можно посмотреть условия проведения эксперимента.

Рис. 2 Расположение элементов стенда с ЕН антенной.

Рис. 3 Расположение элементов стенда с эквивалентом.

Источник

3.7. Определение кпд антенны.

КПД решетки можно определить по следующей формуле:

;

где — излучаемая мощность;

— мощность на входе антенны;

— число излучателей в решетке.

3.8. Расчет предельной и допустимой мощностей.

Предельной называют наибольшую мощность, которою можно передать в однородной линии передач без электрического пробоя.

Для прямоугольного волновода с волной :

; (3.21)

где — предельная напряженность поля для воздуха при нормальном атмосферном давлении, нормальной ионизации и нормальной температуре.

Подставив в (3.21) численные значения получим:

.

Допустимая (рабочая) мощность:

; (3.22)

.

Наибольшая вероятность пробоя у питающего волновода. Поскольку, то наша конструкция проходит по мощности.

Т. к. антенна устанавливается на борту корабля, то необходимо предусмотреть средства защиты от внешних воздействий. Эту защиту обеспечит радиопрозрачный обтекатель.

4. Описание конструкции

В качестве одиночного излучателя излучающего элемента выбираем конический стержень из полистирола. Управление положением луча остронаправленной антенной решетки осуществляется изменением фазовых соотношений между токами в излучающих элементах. Для этой цели используют систему ФВ, включенных в фидерную систему, возбуждающую излучатели. За счет направленных ответвителей извлеченная из питающего волновода энергия направляется в сторону фазовращателя , включенного в фидерную систему. Отраженная волна через волноводы возбуждает диэлектрический стержень. Для обеспечения надежного электрического контакта между соединяемыми устройствами используем притертые фланцы.

4.1. Направленный ответвитель.

Направленный ответвитель – это элемент излучающего модуля, от свойств которого существенно зависят характеристики самого модуля.

Схема крестообразного направленного ответвителя показана на рисунке 4.1.

Расстояние от стенок волноводов до центра отвевителя:

;

Литература.

Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского. М: Радио и связь,1981.

Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского. М: Советское радио,1972.

Справочник по элементам волноводной техники. А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич. М.-Л. Госэнергоиздат, 1963.

Антенны и устройства СВЧ Д.М. Сазонов. М.: Высшая школа, 1988.

Источник

Оцените статью
Частотные преобразователи