Włodzimierz Zieniutycz
PROJEKT 1
Część wstępna
1. Prezentacja wykresu Smitha
a) pojęcie impedancji charakterystycznej,
b) wizualizacja impedancji w danym przekroju linii,
c) wizualizacja przekrojów maksimum i minimum,
d) wizualizacja stopnia dopasowania.
2. Prezentacja programu PCAAD
a) wykres Smitha,
b) wykres WFS, wsp. odbicia [dB].
c) metoda momentów [3] (funkcje bazowe, pobudzenie)
DIPOL PÓŁFALOWY
I Zadania do wykonania
I.1 Przebadać wpływ ilości funkcji bazowych na wyniki obliczeń (w szczególności impedancji wejściowej) anteny dipolowej o długości 25 cm, średnicy 1, 3, 6 mm na częstotliwości 600 MHz. Ilość funkcji bazowych: od 3 do 15 co 2. Określić, ile funkcji bazowych jest niezbędnych aby części: rzeczywista i urojona w dwóch kolejnych iteracjach (dla n, i dla n+2)nie róŜniły się więcej niŜ o 1%.
I.2 Przebadać wpływ średnicy przewodu na częstotliwość środkową, rezystancję rezonansową, względną szerokość pasma zdefiniowaną na poziomie WFS=2 (jako
impedancję odniesienia przyjąć rezystancję rezonansową).
Dane do symulacji
- ilość funkcji bazowych – określona na podstawie pkt. I.1.
- średnice przewodu: 1, 3, 6 mm,
- długość anteny – 25 cm (co odpowiada w przybliŜeniu f = 600 MHz).
ANTENA UDA-YAGI
II Zadania do wykonania
II.1 Przebadać wpływ dodatkowego elementu (reflektora) na charakterystykę promieniowania (szerokość wiąŜki 3dB, poziom promieniowania wstecznego), kierunkowość i impedancję wejściową anteny. Zmieniać częstotliwość wokół częstotliwości środkowej izolowanego dipola ±100 MHz co 10 MHz.
Dane do symulacji
- ilość funkcji bazowych – określona na podstawie pkt. I.1.
- średnice przewodów dipola i reflektora: - 3 mm,
- długość elementu aktywnego – 25 cm, reflektora – 26 cm
- odległość reflektor – dipol – 12 cm
II.2 Zaprojektować antenę Uda-Yagi z jednym dyrektorem na częstotliwość środkową f0 =
560 MHz tak, aby uzyskać optymalny kompromis pomiędzy kierunkowością a
promieniowaniem wstecznym Wykorzystać wyniki symulacji z poprzedniego punktu.
ZałoŜyć, Ŝe długość direktora moŜe zmieniać się od 22 cm do 24 cm (co 5mm), zaś odległość direktor-element aktywny od 10 cm do 14 cm (co 5 mm). Podać uzyskane dopasowanie, wartość zysku, stosunek promieniowania przód-tył.
Podstawy teoretyczne:
Dipol półfalowy to jedna z podstawowych anten zaliczanych do grupy tzw. anten liniowych.
W swojej klasycznej postaci jest odcinkiem nieskończenie cienkiego przewodu, wykonanego z idealnego przewodnika, o długości równej połowie długości fali (w wolnej przestrzeni).
PrzybliŜona analiza teoretyczna pozwala określić impedancję wejściową tej anteny, pobudzonej w środku odcinka (rys. 1).
z
λ/2
y
Zwe
Rys. 1 Dipol półfalowy w układzie współrzędnych
Wartość tej impedancji to zwe ≅ 73 +j 42.5 [Ω]. Jeśli antenę nieco skrócimy, to uzyskamy impedancję wejściową rzeczywistą, równą w przybliŜeniu 70 [Ω]. Zysk kierunkowy takiej anteny wynosi D = 1.64. Charakterystyka promieniowania anteny wyraŜa się wzorem:
π cosθ
cos
2
fθ =
(1)
sinθ
W praktyce dipole wykonuje się z przewodnika o skończonej średnicy. Średnica
przewodu powinna być tak dobrana, aby zapewnić antenie trwałość mechaniczną niezaleŜnie od warunków środowiska, w której się ona znajduje. Antenę liniową, której średnicy przewodu nie moŜna zaniedbać w analizie (co prowadzi do błędów nie do zaakceptowania) określa się mianem anteny cylindrycznej. Dla anteny cylindrycznej określenie jej parametrów wymaga rozwiązania określonych równań całkowych (Poclingtona lub Hallena [1]) metodami przybliŜonymi (numerycznymi). W chwili obecnej na rynku są dostępne programy o róŜnym stopniu złoŜoności, umoŜliwiające symulację własności anten cylindrycznych lub anten stanowiących układy anten cylindrycznych (np. anteny Uda-Yagi, anteny LPDA). W
literaturze technicznej i naukowej dostępne są wyniki symulacji własności półfalowych dipoli
cylindrycznych. Dla tego typu anten (tj. anten cylindrycznych) często wprowadza się pojęcie współczynnika smukłości:
L
s =
(2)
d
gdzie L oznacza długość anteny, zaś d jest średnicę przewodu, z którego wykonano antenę.
Współczynnik smukłości określa więc, w jakim stopniu antena odbiega od idealnej anteny liniowej. W zaleŜności od współczynnika smukłości określa się impedancję wejściową anteny, co pozwala określić częstotliwość rezonansową czy teŜ wymiar rezonansowy anteny.
W tablicy 1 podano przykładowe długości rezonansowe dla kilku wybranych
współczynników smukłości.
Tablica1
Długości rezonansowe anteny cylindrycznej w zaleŜności od współczynnika smukłości [2]
Współczynnik smukłości
Długość rezonansowa
5000
0.49 λ
50
0.475 λ
10
0.455 λ
Jednocześnie, z maleniem współczynnika smukłości rośnie pasmo pracy liczone dla z góry zadanego współczynnika fali stojącej WFS. W większości zastosowań wystarczającym jest poziom WFS=2.
Antena Uda-Yagi (lub po prostu antena Yagi) naleŜy do grupy anten z falą bieŜącą. W
zakresie częstotliwości do kilku gigaherców oferuje moŜliwości uzyskania zysku rzędu kilkunastu dB przy stosunkowo prostej budowie. W swojej klasycznej postaci antena składa się radiatora wzbudzającego pole elektromagnetyczne, reflektora oraz tzw. direktorów.
Schematycznie antenę przedstawiono na rys. 2.
dipol
reflektor
direktory
Rys. 2 Budowa klasycznej anteny Uda-Yagi
Radiatorem wzbudzającym pole elektromagnetyczne jest najczęściej dipol prosty lub dipol pętlowy. Reflektor spełnia funkcję obniŜania promieniowania wstecznego. W najprostszej postaci jest to dipol o długości nieco większej niŜ λ/2, jakkolwiek stosuje się równieŜ bardziej rozbudowane układy reflektorów [1]. Direktory to równieŜ anteny liniowe, lecz o długości nieco mniejszej niŜ λ/2. Zysk trzyelementowj anteny Yagi (reflektor, dipol, dyrektor) wynosi ok. 9 dB. PowyŜej pięciu elementów przyrost zysku anteny Yagi staje się wyraźnie mniejszy.
Z punktu widzenia maksymalnej kierunkowości odległości pomiędzy elementami powinny wynosić od 0.15 λ do 0.25 λ. Długość reflektora powinna być o ok.5% większa a direktora o ok. 5% mniejsza od długości radiatora wzbudzającego. Precyzyjne projektowanie wymaga uŜycia symulatorów komputerowych.
Forma sprawozdania (dotyczy wszystkich sprawozdań)
Nazwa skompresowanego pliku zawierającego sprawozdanie powinna mieć następującą formę:
nazwisko1_nazwisko2_grupaX_ projektY.zip
gdzie nazwisko1,2 to nazwiska wykonawców projektu (bez polskich liter), X to numer grupy a Y numer projektu.
Sprawozdanie powinno zawierać się na 3 (maksymalnie 4) stronach dokumentu Word (czcionka max. 12pt., 1.5 interlinii) i powinno zawierać następujące elementy: 1. Numer i tytuł projektu.
2. Nazwiska wykonawców, numery indeksów i data wykonania.
3. Cel projektu (zadania).
4. Rysunek konfiguracji anteny wraz z oznaczeniami istotnych dla projektu wymiarów.
5. Omówienie sposobu realizacji projektu (strategia projektowania).
6. Wstępne wyniki obliczeń, niezbędne dla właściwych obliczeń projektowych (np.
określenie ilości funkcji bazowych w metodzie momentów).
7. Prezentacja wyników obliczeń związanych z projektem oraz ich omówienie.
8. Ostateczny wynik projektu zawierający wymiary struktury oraz parametry anteny.
Literatura
[1] D. Bem: „Anteny i rozchodzenie się fal radiowych”, WNT, Warszawa, 1973.
[2] W.L. Stutzman, G.A. Thiele: „ Antenna Theory and Design”, J. Wiley & Sons, 1981
[3] W. Zieniutycz: „Anteny – podstawy polowe” WKŁ, 2001