Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в телерадиовещании

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ | назад |

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЮ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ДИСТАНЦИОННОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ.

1 ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Целью контрольной работы является расчет основных электрических характеристик и направленных свойств антенн, входящих в состав спутниковых систем радиосвязи , телевидения, и радиорелейных линий связи.

В зависимости от номера студенческого билета студент разрабатывает одну из указанных типов антенн.

Контрольная работа состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части, содержащей конструктивные чертежи и графики различных расчетных величин: диаграмм направленности, амплитудных распределений полей и т.д. Пояснительная записка включает в себя:

1. задание на контрольную работу;
2. технические требования на проектируемую антенну и ее элементы;
3. общую характеристику схемы построения проектируемой антенны и сравнение ее с антеннами других типов;
4. расчет основных характеристик антенны и фидерного тракта;
5. заключение, содержащее выводы о соответствии полученных характеристик данным технического задания;
6. список используемой литературы.

2 ВЫБОР ВАРИАНТА

Задание на контрольную работу содержит сто вариантов. Выбор варианта осуществляется по двум последним цифрам пароля (mn) в соответствии с формулой: , где m -предпоследняя , n-последняя цифры пароля. Например: пусть , тогда номер варианта будет равен .
Если результат расчета по формуле будет больше числа 99, то номер варианта будет определяться по формуле: . Например: , тогда номер варианта будет: .

3 ТРЕБОВАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ РАСЧЕТОВ И ОФОРМЛЕНИЮ

Расчетно-пояснительная записка должна быть представлена на рецензирование в рукописном или печатном виде, выполненная в соответствии с ГОСТом.

Все расчетные величины должны выражаться в единицах СИ, а обозначения величин соответствовать общепринятым в учебной и технической литературе.

Расчет нормированных диаграмм направленности антенн целесообразно проводить на ЭВМ. Интервал между расчетными точками следует выбирать индивидуально с учетом особенностей диаграммы направленности антенны. Все диаграммы направленности строятся в декартовых координатах.

Кроме главного лепестка диаграммы направленности должно быть рассчитано не менее двух боковых лепестков.

В заключение расчетно-пояснительной записки должна быть указана ширина главного лепестка по половинной мощности в градусах и уровень первого бокового лепестка в децибелах (дБ).

На основании расчета необходимо представить эскиз антенны с указанием основных размеров в формате А4.

4 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА (варианты 0 –29)

4.1 Задание на контрольную работу

Искусственный спутник Земли, находящийся на стационарной орбите, предназначен для ретрансляции телевизионных сигналов на линии Земля – ИСЗ – Земля. Спроектировать передающую антенну, установленную на борту спутника. Исходные данные для проектирования представлены в таблицах 4.1 и 4.2.

Таблица 4.1

Предпоследняя цифра пароля | Параметр
f0, ГГц | G2, дБ | Тип облучателя | Фидерный тракт
0 | 4 | 45 | а | ПВ
1 | 10 | 50 | б | КВ
2 | 6 | 49 | в | ПВ

Таблица 4.2

Параметр | Номер варианта
0 10 20 | 1 11 21 | 2 12 22 | 3 13 23 | 4 14 24 | 5 15 25 | 6 16 26 | 7 17 27 | 8 18 28 | 9 19 29
Р1, Вт | 40 | 45 | 42 | 43 | 47 | 44 | 50 | 46 | 41 | 48
Р2., дБ Вт | -110 | -110 | -110 | -110 | -110 | -110 | -110 | -110 | -110 | -110

4.2 Пояснения к заданию

Проектируемая антенна включает в себя:

- параболическое зеркало (отражатель);

- облучатель с элементами крепления;

- волноводный фидер.

В качестве облучателя в проекте предлагается использовать один из возможных типов:

а – пирамидальный рупорный облучатель;

б – открытый конец круглого волновода;

в – открытый конец прямоугольного волновода.

В таблицах использованы следующие обозначения:

f0 – средняя рабочая частота;

Р1 – мощность бортового передатчика;

Р2 – мощность сигнала на входе наземного приемника;

G2 – коэффициент усиления приемной антенны.

Протяженность радиолинии ИСЗ – Земля составляет 40000 км.

Фидерный тракт, подводящий сигналы СВЧ к облучателю, представляет собой прямоугольный (ПВ) или круглый (КВ) волновод стандартного сечения.

Потери в атмосфере Земли не учитывать.

Допустимый КБВ в тракте питания облучателя составляет ≥ 0,8.

4.3 Методические указания к выполнению работы

В качестве облучателей в контрольной работе предлагается использовать простейшие слабонаправленные антенны, обладающие однонаправленным излучением в сторону зеркала. Фазовый центр облучателя совмещается с фокусом зеркала.

Открытый конец прямоугольного волновода

Волновод прямоугольного сечения, как правило, работает на основной волне Н10. Для этого размеры его поперечного сечения выбираются из условий:

а ≈ 0,7λ, в ≈ 0,4λ

При расчете диаграммы направленности предполагается, что поле в раскрыве волновода соответствует невозмущенной структуре этой волны, т.е. отсутствуют затекающие на наружную поверхность волновода токи и отсутствует отраженная обратно внутрь волновода волна, а раскрыв представляет собой синфазную поверхность.

В этом случае нормированная диаграмма направленности определяется произведением двух сомножителей, один из которых описывает диаграмму направленности элемента Гюйгенса, а второй является множителем системы элементов Гюйгенса (множителем решетки). Таким образом,

Fобл (φ,θ) = F1(φ,θ) . F2(φ,θ)

в плоскости Е:

(4.1)

в плоскости Н:

Fобл ( (4.2)

Здесь а и в – размеры широкой и узкой стенок волновода соответственно, а углы φ и θ отсчитываются от нормали к поверхности раскрыва.

Открытый конец круглого волновода

В волноводе круглого сечения основной волной является, как известно, волна Н11. При расчете диаграммы направленности облучателя предполагается, что в раскрыве сохраняется структура поля этой волны. В плоскости Е формула для диаграммы направленности имеет вид:

(4.3)

а в плоскости Н:

(4.4)

где: R – радиус волновода;

J1(х), (х) – функция Бесселя первого рода первого порядка и ее первая производная.

Значения этих функций приведены в приложении 1.

Пирамидальный рупорный облучатель

При расчете диаграммы направленности рупорного облучателя исходят из предположения, что поле в раскрыве рупора имеет такую же структуру, какую и в питающем волноводе. Это означает, что, если в прямоугольном волноводе возбуждается основной тип волны Н10, то в раскрыве рупора, как и в волноводе в плоскости Е амплитуда напряженности электрического поля не зависит от координаты у, а в плоскости Н изменяется по закону косинуса, если начало координат находится посредине широкой стенки волновода а. При этом так же предполагается, что раскрыв рупора представляет собой синфазную поверхность. При указанных условиях диаграммы направленности рупора в плоскостях Е и Н выражаются формулами (4.1) и (4.2), где а и в – размеры раскрыва рупора (рис. 4.1).

Выбор геометрических размеров параболического зеркала

Радиус раскрыва зеркала определяется коэффициентом усиления антенны, необходимым для обеспечения на входе приемного устройства заданной мощности сигнала Р2.

Величина G1 находится из условия:

(4.5)

откуда:

(4.6)

где ηф1, ηф2 – коэффициенты полезного действия фидеров на передаче и приеме. В расчетах обе величины можно положить равными 0,8.

Радиус раскрыва (рис. 4.2) находится из условия:

(4.7)

где G1 – коэффициент усиления антенны,

ν - коэффициент использования поверхности раскрыва (ν = 0,4 – 0,5),

Sт – площадь облучателя, вызывающая теневой эффект.

Размеры раскрыва облучателя подбираются таким образом, чтобы его диаграмма направленности обеспечивала облучение края зеркала при заданной угловой апертуре ψ (ψ = 50 – 70°) на 10 дБ меньше (0,316 раз), чем облучение вершины зеркала. При этом коэффициент усиления параболической антенны будет максимальным. Длина рупорного облучателя обычно выбирается равной диагонали его раскрыва, а отношение .

Фокусное расстояние зеркала определяется из формулы:

, (4.8)

где ψ0 – угловая апертура зеркала (рис.4.2).

Профиль зеркала в декартовых координатах рассчитывается по формуле:

(4.9)

Примечание. В случае облучателя в виде открытого конца волновода угловая апертура ψ0 может превысить 90°.

Расчет диаграммы направленности антенны

Диаграмма направленности антенны рассчитывается приближенными методами. Обычно расчет производится по известному закону распределения поля в раскрыве зеркала. Поле в раскрыве рассчитывается по формуле:

, (4.10)

где Емакс – амплитуда поля у вершины зеркала.

Для большинства облучателей эта формула хорошо аппроксимируется выражением:

, (4.11)

что соответствует формуле для диаграммы направленности:

, (4.12)

где: Δ = 0,316,

U = kRsinΦ,

J1(U), J2(U) – функции Бесселя первого рода первого и второго порядка соответственно,

θ - угол, отсчитываемый от фокальной оси антенны.

Часть отраженных от зеркала лучей, на пути которых расположен облучатель, перехватывается этим облучателем. В результате в тракте питания облучателя возникает отраженная волна. Данное явление называется реакцией зеркала на облучатель. Наиболее простым и эффективным способом устранения реакции зеркала на облучатель является установка компенсирующей пластины у вершины зеркала (рис.4.3). Диаметр пластины d и ее расстояние от вершины зеркала t следует рассчитывать по следующим формулам:

, (4.13)

где f – фокусное расстояние зеркала.

4.4 Порядок расчета антенны

1. Используя энергетические параметры аппаратуры, применяемой на линии связи Земля – ИСЗ – Земля, определяют коэффициент усиления передающей бортовой антенны.
2. Рассчитываются параметры облучателя, размеры, диаграмма направленности и входное сопротивление.
3. Рассчитываются геометрические размеры параболического зеркала и его профиль.
4. Рассчитывается распределение поля на раскрыве зеркала.
5. Определяется диаграмма направленности, из которой находятся: ширина главного лепестка по уровню половинной мощности и нулевому уровню, амплитуда первого бокового лепестка.
6. Проектируется фидерный тракт облучателя: размеры фидера, согласование с облучателем, устройство устранения реакции зеркала на облучатель.

К графической части проекта относится:

1. Эскизный чертеж антенны с указанием основных ее размеров;
2. Нормированные диаграммы направленности облучателя и собственно антенны.

В последнем случае диаграмма направленности должна состоять из главного лепестка и первых двух боковых.

4.5 Литература

1. Г.Н. Кочержевский, Г.А. Ерохин, Н.Д. Козырев Антенно-фидерные устройства. Радио и связь, 1989;
2. Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин Антенны УКВ (1, 2 том). Радио, 1977;
3. В.П. Чернышов, Д.И. Шейман Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Радио и связь, 1989.
4. Лекционные материалы.

5 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА (варианты 30 – 49)

5.1 Задание на контрольную работу

Спутник находится на геостационарной орбите и используется как ретранслятор для прямого телевизионного вещания на линии Земля – ИСЗ – Земля. Спроектировать наземную антенну для непосредственного приема телевизионных программ в дециметровом диапазоне радиоволн.

Исходные данные для проектирования представлены в таблицах 5.1 и 5.2

Таблица 5.1

Предпоследняя цифра пароля | Параметр
ф1, м | Р2, пВт
0; 1 | 2 | 12
2 | 3 | 10

Таблица 5.2

Параметр | Последняя цифра номера студенческого билета
30 40 | 31 41 | 32 42 | 33 43 | 34 44 | 35 45 | 36 46 | 37 47 | 38 48 | 39 49
Рабочая частота f, МГц | 730 | 710 | 720 | 700 | 650 | 680 | 830 | 760 | 840 | 900
Р1, Вт | 300 | 280 | 340 | 300 | 240 | 340 | 300 | 280 | 260 | 220
G1, дБ | 20 | 22 | 25 | 25 | 23 | 24 | 22 | 20 | 20 | 21

5.2 Пояснение к заданию

В таблицах 5.1 и 5.2 использованы следующие обозначения:

ф1 – длина фидера, питающего передающую антенну;

Р2 – мощность на входе малошумящего приемного устройства;

f – несущая частота передающего устройства;

Р1 – мощность бортового передатчика;

G1 – коэффициент усиления бортовой антенны.

Протяженность радиолинии Земля – ИСЗ составляет 40000 км. Потерями в фидере приемной антенны можно пренебречь.

5.3 Методические указания к выполнению работы

Выбор конструктивных размеров антенн

Проектируемая антенна представляет собой синфазную решетку, элементом которой является спиральная антенна с небольшим количеством витков.

Количество элементов решетки определяется коэффициентом усиления антенны, необходимым для обеспечения заданного уровня мощности сигнала на входе приемного устройства.

Коэффициент усиления определяется по формуле:

, (5.1)

где r – расстояние от поверхности Земли до точки расположения спутника на орбите;

ηф1 – коэффициент полезного действия фидера передающей бортовой антенны;

ηф2 – коэффициент полезного действия фидера приемной антенны (положить равным единице);

F – множитель ослабления в земной атмосфере (положить равным 0,8);

После этого определяется количество витков в спиральной антенне из условия (рис 5.1):

, (5.2)

где ≈λ;

n – количество витков спирали;

d – шаг спирали.

Шаг спирали d определяется из формулы:

d ≈ λсosα; (5.3)

где α - угол захода спирали, который выбирается из условия:

α = 10 ÷ 15°

Расчеты показывают, что, как правило, количество витков в спирали оказывается весьма большим. Применять одиночную спираль с большим количеством витков совершенно нецелесообразно, так как эффективно работают только несколько первых витков.

Поэтому одиночную многовитковую спираль можно «разрезать» на отдельные спирали с малым количеством витков (n = 3 ÷ 7), из которых потом уже формируется синфазная решетка. При этом предполагается, что коэффициент усиления антенны остается неизменным. Расстояние между осями спиралей обычно выбирается равным 0,5 λ.

Расчет схемы питания антенны

Питание спиральной решетки осуществляется системой из отрезков коаксиального кабеля. Нужно так построить систему питания антенны, чтобы ее входное сопротивление равнялось волновому сопротивлению магистрального фидера (Wф = 75 Ом). Входное сопротивление одиночной спирали определяется по формуле:

, Ом (5.4)

где: - длина витка.

Для этой цели в качестве согласующих устройств применяют трансформаторы в виде четвертьволновых отрезков коаксиального кабеля. Пример построения схемы питания синфазной решетки из 4-х спиралей приведены на рис.5.2.

При длине отрезка кабеля входное сопротивление спирали пересчитывается в точку В с коэффициентом трансформации n = 1, где ε - отнисительная диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего кабель (ε = 2,2 – 2,4).

Поэтому общее сопротивление 4х спиралей в точке В. Ом.

Для согласования с магистральным фидером необходим - трансформатор с волновым сопротивлением Ом.

В этом случае можно использовать типовой кабель с волновым сопротивлением Wт = 50 Ом.

Питание синфазной решетки из спиралей можно организовать по какой – либо другой схеме. Автору проекта предоставляется решить эту задачу самостоятельно.

Расчет диаграммы направленности антенны

Формула для диаграммы направленности антенны имеет вид:

F(φ) = F1(φ) . F2(φ) . F3(φ),

где F1(φ) – множитель, характеризующую диаграмму направленности одного витка спирали;

F2(φ) – множитель, характеризующий направленные свойства одной спирали;

F3(φ) – множитель синфазной решетки.

Диаграмма направленности одного витка спирали приближенно можно описать выражением:

F1(φ) ≈ cosφ (5.5)

Так как спиральная антенна относится к классу решеток бегущей волны, то

(5.6)

где n – количество витков;

d – шаг спирали.

Множитель спиральной решетки описывается выражением:

(5.7)

где N – количество спиралей в данной плоскости;

dс – расстояние между центрами соседних спиралей.

Определение коэффициента полезного действия фидера бортовой антенны

В согласованном режиме коэффициент полезного действия фидера определяется по формуле:

(5.8)

где α - коэффициент затухания в фидере (принять равным 0,1 );

ф – длина фидера, м.

5.4 Порядок расчета антенны

1. Определяется КПД фидера передающей антенны;
2. Определяется коэффициент усиления приемной антенны;
3. Определяется количество элементов синфазной решетки;
4. Pазрабатывается и рассчитывается схема питания антенны;
5. Рассчитываются и строятся нормированные диаграммы направленности антенны в двух плоскостях;
6. Определяется ширина главного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности и по нулевому уровню.

К графической части работы относится:

1. Эскизный чертеж антенны с указанием основных размеров;
2. Нормированная диаграмма направленности антенны, которая должна состоять из главного лепестка и первых двух боковых.

5.5 Литература

1. Г.Н. Кочержевский, Г.А. Ерохин, Н.Д. Козырев Антенно-фидерные устройства. Радио и связь, 1989;
2. В.П. Чернышов, Д.И. Шейман Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Радио и связь, 1989.
3. Лекционные материалы.

6 КОНТРОЛЬНАЯ РВБОТА (варианты 50 – 59)

6.1 Задание на контрольную работу

Спутник находится на геостационарной орбите и используется как ретранслятор для телевизионного вещания.

Спроектировать приемную наземную антенну в сантиметровом диапазоне радиоволн.

Исходные данные для проектирования представлены в таблицах 6.1 и 6.2

Таблица 6.1

Варианты | 50 | 51 | 52 | 53 | 54
№ канала f, МГц | 4 11727 | 8 11861 | 12 11938 | 16 12015 | 21 12111
Р1, Вт | 85 | 65 | 76 | 88 | 50
G1, дБ | 37 | 35 | 38 | 36 | 37
Р2, дБВт | -110 | -111 | -112 | -114 | -115

Таблица 6.2

Варианты | 55 | 56 | 57 | 58 | 59
№ канала f, МГц | 26 12206 | 27 12226 | 31 12302 | 35 12379 | 39 12456
Р1, Вт | 89 | 66 | 68 | 65 | 67
G1, дБ | 37 | 37 | 37 | 37 | 37
Р2, дБВт | -114 | -111 | -112 | -113 | -114

6.2 Пояснения к заданию

В таблицах 6.1 и 6.2 использованы следующие обозначения:

f – несущая частота передаваемого сигнала;

Р1 – мощность передатчика;

G1 – коэффициент усиления бортовой передающей антенны;

Р2 – мощность на входе малошумящего приемного устройства.

Коэффициенты полезного действия фидеров на приеме и передаче положить равными 1. Протяженность радиолинии Земля – ИСЗ составляют 41700 км.

6.3 Методические указания к выполнению работы

Обычно в качестве приемной наземной антенны применяется звухзеркальная параболическая антенна (антенна Кассегрена) или ее аналог (антенна Грегори). В данной работе рекомендуется использовать антенну Кассегрена. Конструкция проектируемой антенны должна обеспечить заданное значение мощности на входе приемника, которое определяется ее коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления антенны G2 можно определить из формулы радиопередачи:

(6.1)

где r – расстояние между пунктом приема на Земле и точкой расположения спутника на орбите,

ηф1 и ηф2 – коэффициенты полезного действия фидеров на передаче и приеме,

F – множитель, характеризующий потери в атмосфере Земли (можно положить равным 0,8).

Диаметр большого зеркала Dб определяется из выражения:

(6.2)

где S – площадь раскрыва зеркала ( );

ν - коэффициент использования поверхности раскрыва.

Обычно ν принимают равным 0,7.

Рисунок 6. Антенна Кассергена

Основные конструктивные размеры (рис.6) определяются соотношениями, приведенными ниже.

Диаметр малого зеркала Dм = (0,06…0,2)Dб и уточняется по формуле:

fб = (0,3…0,5)Dб; tg ; ;

m = = 2 ÷ 5; ; ;

; (6.3)

Амплитудное распределение на раскрыве эквивалентного зеркала практически не отличается от распределения на раскрыве основного зеркала. Поэтому это распределение может рассчитываться как для однозеркальной антенны (см. указания к вариантам 00 – 29).

Таким образом, направленные свойства двухзеркальной антенны можно рассчитывать также, как и для однозеркальной с эквивалентными параметрами (fм, ψм) по методике 4.3.

Порядок выполнения работы

В работе необходимо:

1. Исходя из энергетики радиолинии рассчитать коэффициент усиления антенны;
2. Из соотношений (6.3) определить все основные конструктивные размеры антенны;
3. Простроить профиль большого зеркала;
4. Рассчитать распределение поля на раскрыве большого зеркала;
5. 5. Рассчитать диаграмму направленности антенны.

К графической части работы относится:

6. Эскизный чертеж антенны с указанием условных обозначений;
7. График распределения поля на раскрыве большого зеркала;
8. Диаграмма направленности облучателя;
9. Диаграмма направленности антенны, имеющая в своем составе главный лепесток и два первых боковых лепестка.

6.5 Литература

1. Г.Н. Кочержевский, Г.А. Ерохин, Н.Д. Козырев Антенно-фидерные устройства. Радио и связь, 1989;
2. Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин Антенны УКВ (1, 2 том). Радио, 1977;
3. Лекционные материалы.

7 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА (варианты 60 – 79)

7.1 Задание на контрольную работу

Спроектировать передающую телевизионную антенну при следующих исходных данных (таблицы 7.1 и 7.2)

Таблица 7.1

Предпоследняя цифра пароля | Параметр
Р1, кВт | ф, м | Wф, Ом | А х В, мм2 | Тип фидера
0; 1 | 5 | 120 | 75 | 1750 | К
2 | 4,5 | 130 | 75 | 1750 | К

Таблица 7.2

Параметр | Последняя цифра номера студенческого билета
60 70 | 61 71 | 62 72 | 63 73 | 64 74 | 65 75 | 66 76 | 67 77 | 68 78 | 69 79
Номер ТВ канала | 8 | 28 | 31 | 12 | 10 | 23 | 6 | 36 | 9 | 21
G1, дБ | 10 | 7 | 6 | 8 | 9 | 6 | 12 | 6 | 12 | 7

7.2 Пояснение к заданию

В таблицах 7.1 и 7.2 использованы следующие обозначения:

Р1 – мощность передатчика;

ф – длина фидера передающей антенны;

Wф – волновое сопротивление фидера передающей антенны;

А х В – размеры квадратного сечения опоры передающей антенны.

Во всех вариантах применяется горизонтальная поляризация излучаемой волны.

7.3 Методические указания к выполнению работы

Выбор типа панели и схемы питания вибраторов

В качестве передающих ТВ антенн большое распространение получили панельные антенны (рис.7.1).

Особенностью этих антенн является широкая полоса пропускания. Для этого в антеннах применяются вибраторы с пониженным волновым сопротивлением (Wв = 150 – 300 Ом) и используются схемы компенсации реактивной составляющей входного сопротивления. В панельных антенных используют симметричные волновые вибраторы цилиндрической формы из труб диаметром ~ (0,05 – 0,2λ) или полуволновые вибраторы выполненные в виде стальных пластин.

Питание вибраторов в панели осуществляется с помощью 4-х проводной симметричной линии. Для согласования панели с коаксиальным кабелем применяется симметрирующее устройство. Для получения большого коэффициента усиления антенна имеет ряд этажей из панелей. Значения коэффициента усиления антенны в зависимости от числа этажей приведены в таблице 7.3

Таблица 7.3

Количество этажей, nэ | 2 | 4 | 8 | 10 | 12 | 16 | 24 | 50
G | 1,1 | 2,3 | 4,6 | 5,8 | 7 | 9,2 | 14 | 27,5
G, дБ | 0,4 | 3,5 | 6,6 | 7,6 | 8,5 | 9,6 | 11,5 | 14,4

Панель имеет два параллельно соединенных вибратора, следовательно, входное сопротивление каждого вибратора должно равняться 2Wф = 150 Ом. Соединительные линии от каждого вибратора до симметрирующего устройства используются как четвертьволновые трансформаторы. Их волновые сопротивления определяются из формулы:

(7.1)

Входное сопротивление полуволнового вибратора с учетом влияния соседних вибраторов и рефлектора равняется 140 Ом.

Входное сопротивление волнового вибратора определяется из формулы:

(7.2)

где Wв – волновое сопротивление вибратора, а RΣп сопротивление излучения вибратора, отнесенное к пучности тока. Для волнового вибратора RΣп = 280 Ом.

Для расчетов в КП для волнового вибратора можно принять Wв = 300 Ом.

Панели в этаже располагаются по сторонам опоры квадратного сечения (рис. 7.2).

При правильном выборе длины вибратора и вида питания в горизонтальной плоскости диаграмма направленности имеет вид близкий к круговой.

При проектировании предпочтение отдается панели с волновыми вибраторами, однако, если диаграмма направленности в горизонтальной плоскости будет иметь провалы, превышающие 30 % относительно круга, то необходимо перейти к панелям с полуволновыми вибраторами.

Наиболее равномерное излучение в горизонтальной плоскости дает антенна с синфазным питанием панелей в этаже с полуволновыми вибраторами, если расстояние между фазовыми центрами противоположных панелей не превышает 2λ.

Переменно-фазное питание расширяет полосу пропускания антенны, однако, увеличивает неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и применяется в случаях, когда сторона опоры не превышает λ. В крайнем случае, когда не удается получить приемлемую форму диаграммы направленности в горизонтальной плоскости даже в случае полуволновых вибраторов с синфазным питанием вибраторов в этаже, допускается некоторое уменьшение стороны опоры.

Окончательное решение о выборе типа панели и схемы питания панелей в этаже принимается только после проверки всех возможных вариантов.

Расчет диаграммы направленности антенны

В горизонтальной плоскости диаграмма направленности антенны в любом направлении формируется суммой полей двух соседних панелей. Поля излучения двух других панелей практически не участвуют в формировании диаграммы, так как экранируются рефлекторами.

(7.3)

где F1(φ) и F2(φ) – диаграммообразующие множители, характеризующие поля, создаваемые каждой панелью в пункте приема.

ψ - разность фаз этих полей в пункте приема, которая учитывает пространственную разность фаз и разность фаз по питанию панелей на этаже.

При синфазном питании панелей разность фаз определяется только разностью хода лучей до пункта приема. В этом случае:

(7.4)

где Rф – расстояние от оси опоры до фазового центра панели.

При переменно-фазном питании:

(7.5)

В случае полуволновых вибраторов диаграммообразующие множители для горизонтальной плоскости определяются как:

(7.6)

(7.7)

где:dр – расстояние от вибратора до рефлектора.

В случае волновых вибраторов:

(7.8)

(7.9)

В вертикальной плоскости антенна представляет собой синфазную решетку из вибраторов (рис.7.2).

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости вычисляется по формуле:

F(θ) = Fср(θ) . Fp(θ),

где: Fср(θ) – множитель синфазной решетки;

Fр(θ) – множитель рефлектора.

В окончательном виде формула для диаграммы направленности имеет вид:

F(θ) = (7.10)

где: nэ – число этажей, которое определяется исходя из заданного коэффициента усиления антенны (таблица 7.3 );

dэ – расстояние между этажами.

Основные конструктивные размеры панельной антенны выбираются следующими:

dэ = (0,45 – 1)λ; dр = (0,2 – 0,35)λ;

dв = (0,05 – 0,2) - диаметр вибратора.

Размеры апериодического рефлектора в Е и Н плоскости:

LE ≥ 0,6λ и LН ≥ (0,8 ÷ 1)λ – для полуволновых вибраторов;

LЕ ≥ (0,8 ÷ 1)λ LН ≥ (0,8 ÷ 1)λ –для волновых.

Rф = 0,5dр + 0,5LЕ + (50 ÷ 100).

Все величины в формулах в мм.

Прежде, чем окончательно выбрать тип антенны необходимо оценить неравномерность поля в горизонтальной плоскости , выбранной антенны в пределах φ = 0 ÷ 45°

Для увеличения напряженности поля у поверхности Земли диаграмма направленности в вертикальной плоскости должна иметь наклон под углом Δмакс ≈ 1 ÷ 20 относительно линии горизонта. Для этого каждый следующий по высоте этажа вибраторов питается с опережением по фазе на определенный угол. Эта величина определяется из условия ψ = кDsinΔмакс, где D – расстояние между соседними этажами. Тогда формула (7.10) принимает вид:

F(θ) = (7.11)

7.4 Порядок расчета

1. Исходя из средней частоты ТВ канала нужно выбрать тип панели
2. Для выбора типа питания необходимо сначала рассчитать диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости для переменно-фазного питания. В случае, если неравномерность диаграммы направленности превышает 30%, следует остановиться на схеме синфазного питания.
3. Рассчитать и построить в системе полярных координат диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости .
4. Исходя из заданного коэффициента усиления антенны по таблице 7.3 определить количество этажей антенны.
5. Определить требуемый фазовый сдвиг по питанию этажей антенны.
6. Рассчитать диаграмму направленности в вертикальной плоскости и построить ее в декартовых координатах. При построении диаграммы достаточно ограничиться двумя первыми боковыми лепестками.
7. Выбрать тип фидера и рассчитать его коэффициент полезного действия.
8. Рассчитать схему согласования панели с фидером.

К графической части работы относится:

1. Эскизный чертеж панели антенны с указанием основных размеров;
2. Графики диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости.

7.3 Литература

1. Г.Н. Кочержевский, Г.А. Ерохин, Н.Д. Козырев Антенно-фидерные устройства. Радио и связь, 1989;
2. В.П. Чернышов, Д.И. Шейман Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Радио и связь, 1989.
3. Лекционные материалы

8 КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА (вариант 80 – 99)

8.1 Задание на контрольную работу

Спроектировать передающую антенну для коротковолновой магистральной линии радиосвязи. Исходные данные для проектирования представлены в таблице 8.

Таблица 8

Варианты | 80/90 | 81/91 | 82/92 | 83/93 | 84/94 | 85/95 | 86/96 | 87/97 | 88/98 | 89/99
hдF2, км |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
Р, кВт | 15 | 20 | 18 | 25 | 12 | 20 | 22 | 16 | 13 | 14
NмF210-6 |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
r, км | 3900 | 3700 | 3500 | 3300 | 3100 | 1300 | 1500 | 1700 | 2100 | 2400

8.2 Пояснение к заданию

В таблице 8 использованы следующие условные обозначения:

hдF2 – действующая высота отражающего слоя F2;

Р – мощность передатчика;

NмF2 – максимум электронной концентрации отражающего слоя F2;

r – протяженность радиолинии.

На магистральных коротковолновых радиостанциях, как правило, используются ромбические антенны. Их условное обозначение - РГД , где РГД – ромб горизонтальный двойной;

Ф – половина тупого угла ромба в градусах;

L – длина стороны ромба, выраженная в длинах волн;

Н – высота подвеса ромба над поверхностью Земли, выраженная в длинах волн.

8.3 Методические указания к выполнению работы

Определение оптимальной рабочей частоты

Ромбические антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Для обеспечения режима бегущей волны ромб со стороны острого угла нагружен на активное сопротивление в виде двухпроводной поглощающей линии из проводов с большим удельным сопротивлением. Фидер, связывающий передатчик с антенной, подключается к антенне со стороны второго острого угла (рис. 8.1).

Для увеличения коэффициента направленного действия (коэффициента усиления) и подавления боковых лепестков применяют два полотна ромбических антенн, нагруженных на общую поглощающую линию (рис. 8.2).

Для определения конструктивных размеров ромбической антенны необходимо знать оптимальную рабочую частоту (ОРЧ) на радиолинии заданной протяженности.

В начале определяется максимально применимая частота (МПЧ) из условия:

МПЧ = fкр · secφ0, (8.1)

где fкр – максимальная частота вертикально падающего луча при отражении его в области отражения наклонного луча с углом падения φ0.

Угол падения φ0 (рис. 8.3) определяется из соотношения

(8.2)

где θ - геоцентрический угол;

а – радиус Земли (а = 6370 км);

(8.3)

где r в км; θ в градусах.

Критическая частота fкр = .

Оптимальная рабочая частота ОРЧ = 0,7 МПЧ.

Вертикальный угол наклона (угол возвышения) Δ определяют из условия:

(8.4)

Определение конструктивных размеров антенны

Оптимальное значение тупого угла Ф определяется из формулы

(8.5)

Длина стороны ромба:

(8.6)

Такая антенна на волнах длиннее 25 м оказывается весьма громоздкой, так как каждая сторона ромба будет превышать 150 м. На практике отступают от оптимальных размеров несколько уменьшая длину сторон или уменьшают тупой угол Ф. Обычно L = (2 ÷ 5)λ. Высота подвеса ромбической антенны:

(8.7)

Определение коэффициента усиления антенны

На рис. 8.4, 8.5, 8.6 приведены графики зависимостей коэффициентов усиления в зависимости от рабочей частоты и от угла прихода волны для различных типов ромбических антенн.

Рисунок 8.4, 8.5, 8.6

В соответствии с вычисленными значениями Ф, L, Н по графикам выбирается тип антенны и определяется коэффициент усиления G в зависимости от Δ0.

Расчет диаграммы направленности антенны

В вертикальной плоскости формула для диаграммы направленности имеет вид:

(8.8)

В горизонтальной плоскости:

Расчет поглощающей линии

Поглощающая линия располагается параллельно поверхности Земли на небольшой высоте вдоль большой диагонали ромба (рис.8.1).

Обычно поглощающая линия выполняется из фехралевых, реже стальных проводов диаметром 1 ÷ 3 мм.

Длина двухпроводной поглощающей линии

(8.10)

Wпл – волновое сопротивление линии (обычно выбирается равным 300, 350 Ом), R1 -сопротивление на единицу длины.

Величина R1 определяется из формулы:

(8.11)

Здесь μ - относительная магнитная проницаемость провода;

ρ - удельное сопротивление провода, Ом · м.

Для фехраля и стали на высоких частотах μ ≈ 80. Удельное сопротивление стали ρ = 10-7 Ом · м, фекраля – приблизительно ρ = 10-6 Ом · м.

Расчет согласования ромбической антенны с фидером

Антенна РГД питается двухпроводным фидером с волновым сопротивлением Wф = 600 Ом, который присоединяется к антенне при помощи фидерного трансформатора, понижающего волновое сопротивление от 600 до 300 ОМ ( волновое сопротивление РГД Wр ≈ 300 Ом).

Трансформатор представляет собой отрезок четырехпроводной линии, волновое сопротивление которой плавно изменяется вдоль линии по экспоненциальному закону (рис. 8.7).

Рисунок 8.7 Экспоненциальный трансформатор

Необходимая длина трансформатора:

(8.12)

где

(8.13)

Коэффициент бегущей волны (КБВ) обычно принимает значение 0,95.

8.4 Порядок выполнения работы

В работе необходимо:

1. Определить оптимальную рабочую частоту (ОРЧ);
2. Определить вертикальный угол прихода луча Δ0;
3. Выбрать конструктивные размеры антенны: углы при вершинах, длину стороны и высоту подвеса над Землей;
4. Выбрать типовой вариант антенны;
5. Определить коэффициент усиления антенны;
6. Рассчитать диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
7. Рассчитать согласование антенны с фидером;
8. Рассчитать основные параметры и геометрию поглощающей линии.

К графической части работы относятся:

1. Эскизный чертеж антенны с указанием основных размеров;
2. Графики диаграмм направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскости.

8.5 Литература

1. Г.Н. Кочержевский, Г.А. Ерохин, Н.Д. Козырев Антенно-фидерные устройства. Радио и связь, 1989;
2. Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин Антенны УКВ (1, 2 том). Радио, 1977.
3. Лекционные материалы.

Приложение 1

Графики зависимости функций Бесселя первого рода первого и второго порядков для аргумента Х

(0 < Х < 16)

Графики зависимости производной функций Бесселя первого рода первого порядка для аргумента Х

(0 < Х < 16)

Приложение 2

Основные данные, коаксиальных кабелей со сплошной изоляцией из стабилизированного полиэтилена

Марка кабеля | Коэффициент затухания, /номинальная мощность, Вт
0,2 ГГц | 1 ГГц | 3 ГГц
РК-50-4-11 | 0,14/350 | 0,33/150 | 0,63/80
РК-50-7-11 | 0,1/600 | 0,27/250 | -
РК-50-7-21 | 0,1/2400 | 0,28/800 | 0,53/450
РК-50-9-23 | 0,055/3000 | 0,27/1200 | 0,45/700
РК-50-13-17 | 0,06/1200 | 0,17/400 | -
РК-50-24-17 | 0,045/2500 | 0,13/650 | -
РК-50-33-17 | 0,04/4000 | 0,12/900 | -
РК-50-44-17 | 0,032/5000 | 0,1/1000 | -
РК-75-4-11 | 0,15/320 | 0,36/130 | 0,7/70
РК-75-4-12 | 0,16/300 | 0,38/120 | 0,8/60
РК-75-4-21 | 0,14/1000 | 0,3/400 | 0,6/200
РК-75-7-11 | 0,1/600 | 0,27/250 | 0,52/140
РК-75-17-12 | 0,055/1800 | 0,16/600 | 0,35/300
РК-75-24-18 | 0,07/1500 | 0,18/600 | -
РК-75-24-41 | 0,048/5600 | 0,088/400 | 0,16/1400
РК-75-17-31 | 0,025/2900 | 0,75/800 | 0,17/460

назад