Проектирование синфазной многовибраторной антенной решетки

Размещено на http://www.allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Антенны

1.1 Общие сведения о многовибраторных антенных решетках

2. Техническое задание

2.1 Описание конструкции

3. Расчет параметров антенны

3.1 Определение размеров конструктивных элементов антенны

3.2 Определение коэффициента направленного действия антенны на средней частоте. Волновое сопротивление

3.3 Расчет диаграммы направленности в V и H плоскостях.

4. Выбор симметрирующего согласующего устройства и фидера

4.1 Выбор симметрирующего согласующего устройства

4.2 Выбор и расчет фидера

5. Моделирование в среде MMANA

6. Расчет радиотрасс. Электромагнитная совместимость

6.1 Расчет радиотрасс

6.2 Электромагнитная совместимость

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России, как и во всем мире, наблюдается бурное развитие систем радиосвязи. Это в первую очередь сотовая связь стандартов GSM, DAMPS, CDMA, транкинговая связь, беспроводной абонентский доступ (WLL) на основе систем DECT, TANGARA, системы беспроводной передачи данных (WLN). Пока еще сохраняет свои позиции и радиосвязь на основе домашних радиотелефонов.

Синфазные антенные решетки (САР) предназначены для приема телевизионных передач на больших расстояниях от телевизионных центров и ретрансляторов в зоне слабого неустойчивого сигнала и представляют собой сложную направленную антенную систему, собранную из отдельных слабонаправленных антенн, разнесенных в пространстве и расположенных так, что фазы наведенных в них сигналов оказываются одинаковыми. Антенны в решетке соединяются между собой и работают на общую согласованную нагрузку. Обычно синфазную решетку собирают из одинаковых антенн, расположенных в несколько рядов или несколько этажей (или то и другое вместе). Схема соединения антенн в решетке должна быть составлена так, чтобы не нарушалась синфазность сигналов, поступающих от каждой из антенн в нагрузку (обычно малошумящий мачтовый канальный усилитель), т.к. только при одинаковых фазах эти сигналы будут складываться. Кроме того, схема соединения антенн в САР должна обеспечить их согласование с нагрузкой (традиционно, 75 Ом), т.к. рассогласование общего входного сопротивления САР с сопротивлением нагрузки привело бы к уменьшению ее коэффициента усиления.

1. АНТЕННЫ

1.1 Общие сведения о многовибраторной синфазной решетке

Коротковолновые антенны с остронаправленным излучением в виде плоских синфазных решеток появились в середине 20-х годов.

Разработка таких антенн в Советском Союзе велась в Нижегородской радиолаборатории, созданной по указанию В. И. Ленина, под руководством М.М. Татаринова и М.А. Бонч-Бруевича. Применявшаяся в течение ряда лет в коротковолновом диапазоне синфазная горизонтальная антенна (СГ) являлась узкополосной. Ее можно было использовать только на одной рабочей волне.

На рисунке 1 показано полотно синфазной антенны. Полотно включает n_э рядов (этажей) вибраторов. Каждый этаж состоит из n_в полуволновых вибраторов (или из симметричных волновых вибраторов).

Расстояние между этажами составляет половину длины волны. Вертикальный распределительный фидер, питающий вибраторы разных этажей, перекрещивают при переходе от одного этажа к другому.

При распределении энергии от одного этажа к следующему волна, пройдя в вертикальном распределительном фидере путь l=0,5, отстает по фазе на угол kl=. Если перекрещивание фидера не делать, то вибраторы соседних этажей будут возбуждены в противофазах.

Вертикальный распределительный фидер питает группу вибраторов, называемую секцией. Секции вибраторов соединяются параллельно вблизи поверхности земли горизонтальными распределительными фидерами одинаковой длины, с соблюдением фазировки. К середине горизонтального распределительного фидера подключается главный питающий фидер.



Рисунок 1 - Синфазная горизонтальная антенна

Разработанная в СССР синфазная горизонтальная антенна (рисунок 2) работает без перестройки в непрерывном диапазоне волн с коэффициентом перекрытия 2-2,5 примерно (0,8-2), где - расчетная длина волны. Длина одного симметричного вибратора составляет примерно 0,82. С учетом уменьшения фазовой скорости в вибраторе можно считать, что является резонансной волной вибратора.

Рисунок 2 - Синфазная горизонтальная диапазонная антенна

В этой антенне обеспечивается синфазность возбуждения всех вибраторов на любой длине волны благодаря тому, что расстояние от точек присоединения главного фидера до любого вибратора совершенно одинаково. Поэтому при изменении частоты направленные свойства не ухудшаются резко. Впервые такая схема питания была применена С.И. Надененко в разработанной им коротковолновой антенне для одновременной работы на двух волнах.

Диапазонность антенны по входному сопротивлению обеспечивается тем, что вибраторы имеют пониженное волновое сопротивление (280-470 Ом) благодаря выполнению их из ряда таких проводов по типу вибратора С.И. Надененко, либо они выполняются по схеме диапазонных шунтовых вибраторов.

Применяется специальная система распределительных фидеров. Эти фидеры делаются ступенчатыми - в них включаются трансформирующие вставки длиной /4, обладающие различным волновым сопротивлением. Тщательно подбирая волновые сопротивления распределительных фидеров и вставок, можно получить КБВ в главном фидере не ниже 0,6-0,65 в двукратном диапазоне волн. Можно также применить в качестве излучателей вибраторы, основанные на принципе самодополнительности. Самодополнительные вибраторы выполняются не сплошными металлическими, а для облегчения конструкции состоят из системы проводов. По экспериментальным данным КБВ в фидере такой антенны не падает ниже 0,6 в двукратном диапазоне волн.

В решетках, выполненных по принципу самодополнительности, можно уменьшить число этажей и упростить систему распределительных фидеров по сравнению с обычными вибраторными решетками. Это объясняется большими вертикальными размерами плеч вибраторов. Кроме того, увеличивается допустимая подводимая мощность.

Для создания однонаправленного излучения антенна снабжается рефлектором, причем в основном применяют пассивные рефлекторы двух типов: настраиваемые и апериодические.

Многовибраторные антенны рекомендуется использовать для радиовещания, так как благодаря высокому КПД и сравнительно низкому уровню боковых лепестков эти антенны при достаточно высоком КУ могут обслуживать значительный сектор пространства. Для коротковолнового радиовещания на дальние расстояния (выше 6000 км) в СССР были разработаны и внедрены остронаправленные восьмиэтажные многовибраторные антенны с апериодическим рефлектором, имеющие управляемые ДН в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Многовибраторные антенны получили также некоторое распространение в радиосвязи.

2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Рассчитать синфазную вибраторную антенную решетку с 32 элементами. Влияние земли на параметры не учитывать.

Исходные данные для расчёта:

1. Рабочая частота .

2. Волновое сопротивление антенны.

3. Коэффициент стоячей волны

4. Группа эксплуатации 4.

5. Мощность

Требуется:

1. Требует определить размеры конструктивных элементов антенны, коэффициент направленного действия антенны на средней частоте. Определить коэффициент усиления антенны, волновое сопротивление, рассчитать диаграммы направленности в V и Hплоскостях.

2. Рассчитать и спроектировать фазирующие и симметрирующие согласующие устройства.

3. Выбрать тип фидера и рассчитать его затухание на средних и крайних частотах диапазона.

4. Произвести моделирование антенны в среде MMANA.

5. Рассчитать радиотрассы и электромагнитную совместимость.

2.1 Описание конструкции

Синфазная горизонтальная антенна (рисунок 3) относится к группе настроенных остронаправленных антенн. Обозначается антенна СГ, что означает: синфазная горизонтальная антенна, имеющая п этажей, в каждом из которых находится р полуволновых вибраторов. При наличии рефлектора обозначение дополняется буквами РА (рефлектор апериодический) или РН (рефлектор настраиваемый).



Рисунок 3 - Синфазная горизонтальная антенна: а) - схема питания, б) - распределение напряжения в фидере одной секции вибратора

Конструкция многовибраторной антенной решётки должна удовлетворять следующим требованиям.

- необходимо обеспечить надежное крепление всей системы вибраторов;

- вибраторы по возможности должны занимать в пространстве горизонтальное положение (не провисать), а их взаимное расположение должно строго фиксироваться (расстояние между этажами b= и между центрами вибраторов по горизонтали ).

- вибраторы должны быть тщательно изолированы друг от друга и от земли.

- необходимо обеспечить возбуждение всех вибраторов в фазе и с равной амплитудой тока.

- механическое крепление вибраторов должно быть увязано с системой питания антенны (рисунок 3, а).

Фидер от генератора в точках 5-6 разветвляется на две линии, каждая из которых в точках 1-2, 3-4 подключается к двухпроводным линиям 9, непосредственно подводящим питание к вибраторам. Так как каждый вибратор имеет электрическую длину в полволны, то в точках подключения линии к вибраторам находятся пучность напряжения и узел тока, а следовательно, в данном случае входное сопротивление вибратора велико и больше волнового сопротивления линии. В результате в линии 9 наряду с бегущими волнами возникают стоячие. Как видно (рисунок 3, б), одноименные вибраторы соседних этажей подключаются к противоположным проводам линии питания. Поскольку расстояние между этажами , стоячие волны в линии питания обеспечивают синфазное возбуждение вибраторов. Для облегчения согласования антенной системы длина участков фидера от сечений 1-2, 3-4 до сечения 5-6 (рисунок 3, а) должна быть одинаковой и кратной . Основой для крепления антенны являются свободно стоящие металлические башни или деревянные мачты с оттяжками (рисунок 4). Вибраторы каждого этажа механически соединяются между собой изоляторами 10, 11, причем изоляторы 10 имеют специальную (крестообразную) форму, позволяющую фиксировать взаимное расположение проводов линии 9 и получить перекрещивание в схеме питания для синфазного возбуждения вибраторов. Крайние вибраторы каждого этажа соединяются, со стальными тросами 12, которые через блоки 14 создают натяжение соответствующего ряда вибраторов.

В многовибраторных антеннах этого обычно недостаточно для того, чтобы исключить провисание горизонтальных проводов. В таких случаях конструкцию дополняют верхним стальным тросом 15, называемым леером, к которому через вертикальные тросы 13 подвешиваются линии питания 9, Снизу эти линии прикрепляются к тросам 16, которые, так же как тросы 12, натягиваются через блоки.

Для компенсации емкости изоляторов между вибраторами последние дополнительно укорачивают. Обычно длина вибратора меньше половины длины волны на 3-8%. Вибраторы и линии питания должны быть тщательно изолированы от тросов. Кроме того, тросы необходимо разбить на небольшие участки с целью исключения паразитного резонанса. Для этого предназначены изоляторы 17.

Таким образом, многовибраторная антенна конструктивно представляет собой жесткую систему, которую в соответствии с ее внешним видом называют полотном или решеткой вибраторов.

Рефлектор антенны является полной аналогией собственно антенны. Полотно рефлектора (не показанное на рисунке 4) расположено параллельно полотну антенны на расстоянии (0,25л) от него. Рефлектор так же может быть активным. Питание антенны с активным рефлектором показано на рисунке 5. Для создания сдвига фаз в 90⁰ между токами антенны и рефлектора, в цепь антенны включается линия длиной равная л/4. для поглощения отраженных от антенны волн на расстоянии л/4 от точек включения фидера ставятся балластные сопротивления R.

Рисунок 4 - Крепление полотна вибраторов синфазной горизонтальной антенны

Рисунок 5 - Схема питания антенны с активным рефлектором

3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ

3.1 Определение размеров конструктивных элементов антенны

Исходя из технического задания, можно сделать определенный выбор относительно конструкции антенны. Так как рабочая частота антенны равна 430 МГц, то длина волны . Примем диаметр вибратора равным d=0,008 м.

Определим длину плеча излучателя. Так как в качестве излучателя будет использоваться волновой вибратор, то длина излучателя должна равняться длине излучаемой волны. Но реальный излучатель будет немного короче, так как надо учитывать электрические потери и габаритные размеры излучателя. Все эти характеристики можно учесть, используя коэффициент укорочения (V), который находится из графика зависимости коэффициента от отношения (рис. 6).

Рисунок 6 - График зависимости коэффициента укорочения от отношения л/d без учета (А) и с учетом (В) концевого эффекта

Для выбранных частот и диаметра излучателя коэффициент укорочения равен V=0,88 м.

Используя полученные данные, получим следующую длину вибратора:

.

Откуда получим длину плеча излучателя:

Длина рефлектора:

Для получения требуемого количества элементов, т.е. 32, примем, что количество рядов - n и количество этажей m соответственно будут равны n=4, m=4, где расстояние d₁=d₂=0,35 м - расстояние между рядами и этажами.

3.2 Определение коэффициента направленного действия антенны на средней частоте. Волновое сопротивление

Рисунок 7 - КНД

Коэффициент направленного действия (КНД) показывает, во сколько раз можно уменьшить мощность излучения, отнесенную к единице телесного угла в дальней зоне, в направленной антенне по сравнению с мощностью излучения, отнесенной к единице телесного угла, изотропного (точечного) излучателя, чтобы на одинаковых расстояниях получить одинаковую напряженность поля (рисунок 7):

при , где и - суммарная мощность излучения и мощность излучения, отнесенная к единичному телесному углу, для направленной антенны; и - аналогичные мощности для изотропного излучателя.

Как видно из рисунка 7, КНД в данном направлении характеризует выигрыш в мощности излучения за счет направленных свойств антенны. КНД антенны максимален в направлении максимума главного лепестка ДН (см. рисунок 7):

Определим действующую высоту (ДВ). Действующая высота (ДВ) - это длина такого воображаемого излучателя с постоянным распределением тока, равным току на клеммах данной антенны, который в дальней зоне в экваториальной плоскости на одинаковом расстоянии создает такую же напряженность поля, что и данная антенна в максимуме излучения. Действующую высоту () еще называют эффективной длиной, поскольку она характеризует эффективность излучения антенны сданным (неравномерным) распределением тока по сравнению с постоянным.

Откуда коэффициент направленного действия симметричного электрического вибратора (КНД СЭВ):

Волновое сопротивление СЭВ:

Входное сопротивление СЭВ:

Выражение общего сопротивления излучения для решетки 4х4 будет выглядеть так:

где - сопротивления излучения решетки4 х 4 (без учета рефлектора); - сопротивления излучения вибраторов первого ряда с учетом наводимых другими вибраторами решетки сопротивлений излучения; - сопротивления излучения вибраторов второго ряда с учетом наводимых другими вибраторами решетки сопротивлений излучения; - сопротивления излучения вибраторов третьего ряда с учетом наводимых другими вибраторами решетки сопротивлений излучения; - сопротивления излучения вибраторов четвертого ряда с учетом наводимых другими вибраторами решетки сопротивлений излучения.

Для расчета входного сопротивления всей решетки воспользуемся «методом наведенных ЭДС», который учитывает взаимное влияние вибраторов на общее сопротивление антенной решетки.

Данные, полученные методом наведенных ЭДС

	199,2	-17,7	14,7	-10,8
	-17,7	24,9	-3,9	-3,9
	14,7	-3,9	-17,4	4,2
	-10,8	-3,9	4,2	-0,6

где - собственные сопротивления излучения полуволновых вибраторов; - сопротивления излучения наведенное вибратором р на вибратор п.

Пользуясь данными таблицы, найдем сопротивление излучения всех вибраторов решетки:

Учитывая то, что конструкция решетки симметрична сопротивление симметрично расположенных вибраторов будет одинаково:

Учитывая симметричность конструкции:

Так как конструкция симметрична, то сопротивление излучения первого ряда будет равно сопротивлению излучения четвертого, а сопротивление излучения третьего ряда будет равно сопротивлению излучения второго.

Тогда сопротивление всей антенной решетки:

3.3 Расчет диаграммы направленности в V и H плоскостях

Диаграммы направленности (ДН) различают «по мощности» и «по напряженности поля». Нормированной ДН «по мощности» называется зависимость нормированной мощности излучения, отнесенной к единице телесного угла в дальней зоне от направления при постоянном расстоянии от антенны:



где - единичный телесный угол, - мощность в пределах этого телесного угла

Нормированной ДН «по напряженности поля» называется зависимость нормированной амплитуды вектора напряженности электрического поля в дальней зоне от направления при постоянном расстоянии от антенны:

Зависимости и также представляют собой ненормированные ДН. При разных мощностях на выходе генератора ненормированные ДН одной и той же антенны будут различными, неудобными для сравнения. Поэтому и вводятся понятия нормированных ДН, не зависящих от способа возбуждения антенны [2]. ДН характеризуются вторичными параметрами - шириной главного лепестка "по нулям" и "по половине мощности" и уровнем боковых лепестков.

Определим диаграммы направленности для симметричного вибратора (СВ).

Представим эти диаграммы на рисунках 8 и 9.

Рисунок 8 - Нормированная ДН СВ

Рисунок 9 - Ненормированная ДН СВ

Определим ДН выбранного типа антенной решетки (АР). Для ненормированной ДН получим следующее выражение:

.

Для нахождения коэффициента направленного действия (КНД) всей решетки используем следующее соотношение:

,

Откуда: , .

Рисунок 10 - Нормированная диаграмма направленности АР

Рисунок 11 - Ненормированная диаграмма направленности АР

Общий КНД горизонтальной синфазной антенны, с учетом влияния Земли можно приближенно определить по формуле:

.

Коэффициент усиления антенны будет рассчитываться из соотношения:

.

Тогда:

,

.

Диаграмма направленности антенны будет рассчитываться по методу перемножения диаграмм направленности элементов входящих в эту антенну.

Множители диаграммы направленности для симметричных вибраторов в V и H плоскостях:

;

Множители диаграммы направленности для антенной решетки:

;

,

где n, m- количество рядов и этажей АР; d₁,d₂ - расстояния между соседними рядами и этажами АР.

Множители диаграммы направленности для рефлекторов:

Построим ДН направленности синфазной антенной решетки:

где - ДН в плоскости Н, - ДН в плоскости V.



Рисунок 12 - Диаграммы направленности СГАР в плоскости H



Рисунок 13 - Диаграммы направленности СГАР в плоскости V

4 ВЫБОР СИММЕТРИРУЮЩЕГО СОГЛАСУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА И ФИДЕРА

4.1 Выбор симметрирующего согласующего устройства

Для питания антенны используем коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Так как кабель не симметричен, то для того что бы сделать его симметричным нужно симметрирующие устройство. Для этого берется четвертьволновый согласующий шлейф, который сочетает удобство установки с оптимальностью согласования и представляет собой элемент, требующий минимальных затрат на реализацию.

Шлейф применяется в первую очередь для согласования коротковолновых проволочных антенн с любыми симметричными фидерами. В силу своей частотной зависимости шлейф пропускает не все частоты рабочей полосы антенны, поэтому его нецелесообразно использовать вместе с широкополосными антеннами.

Если линию, которая короче , нагрузить активным сопротивлением, меньшим ее волнового сопротивления Z, то на другом конце линии образуется комплексное сопротивление в виде параллельного соединения сопротивлений - активного и реактивного. Чтобы сделать чисто активным, требуется скомпенсировать индуктивную составляющую равновеликим параллельным емкостным сопротивлением.

Обратный случай имеет место, когда нагрузочное сопротивление превышает волновое сопротивление линии Z. В этом случае приобретает заметную емкостную составляющую , для компенсации которой необходимо параллельно подключать индуктивность.

Согласующий шлейф является практическим применением этих положений. Фидер с волновым сопротивлением Z подключается непосредственно к входу антенны , представленному неким сопротивлением. Если Z не равно , согласования не происходит, и возникают стоячие волны, причем КСВ прямо определяется отношением .

На расстоянии С от клемм питания полное сопротивление соответствует волновому сопротивлению Z фидера, но здесь оно отягощено реактивной составляющей. Если скомпенсировать эту составляющую шлейфом, то Z станет активным, а антенна - согласованной.

При <Z компенсация осуществляется разомкнутым шлейфом (рисунок 14, а), а при >Z используется короткозамкнутый шлейф (индуктивность) согласно рисунку 14, б.

Рисунок 14 - Схема согласующего шлейфа: а) - разомкнутый, б) - замкнутый

Расстояние С между входом антенны и точками подключения шлейфа, а также длина шлейфа В зависят от волнового сопротивления Z фидера и соотношения между и Z. Поскольку или определяют также КСВ, расстояние С и длина В являются функциями S. При равенстве волновых сопротивлений фидера и шлейфа при выполняется соотношение , при будет выполняться

Наилучшее согласование обеспечивается при наличии измерителя КСВ. Сначала определяют КСВ антенны с фидером, но без шлейфа. Знание КСВ позволяет находить точные значения С и В. Не отсоединяя фидер, к его отводам припаивают шлейф В на расстоянии С от входа антенны - и звено согласования готово.

Из-за разницы между графическими представлениями шлейфов создается впечатление, что там показаны два типа согласования. На самом же деле они слегка различаются конструкциями, будучи совершенно равноценными по электрическим свойствам. На рис.22 изображены варианты применения согласований. В данной курсовой работе будем применять вариант согласования - волновой вибратор (рис.15, б).

Рисунок 15 - Варианты согласования: а) - полуволновой вибратор, б) - волновой вибратор, в) - антенна с концевым питанием

4.2 Выбор и расчет фидера

Волновое сопротивление в коаксиальной ЛП:

где м и е - относительные магнитная и диэлектрическая проницаемости проводников и диэлектрика, заполняющего коаксиальную ЛП; м=1 и е=2,35.

Длина волны в коаксиальной ЛП:

,

л - длина волны в свободном пространстве, л=0,3 м; Л = 0,3/2,35^0,5 = 0,196 м.

Коэффициент затухания в коаксиальной ЛП обусловлен потерями в проводниках б_R, дБ/м и диэлектрике б_е, дБ/м:

,

.

Для медных проводников:

,

где - тангенс угла потерь, г - проводимость среды; f, МГц.

Предельная и допустимая мощности, передаваемые по коаксиальному кабелю:

,

,

где Е_пр, В/м - пробивное напряжение коаксиального кабеля.

Е_пр=40 кВ/мм=4·10⁷ В/м;

P_доп=49,09 МВт.

Выбор волнового сопротивления в коаксиальной ЛП. Коэффициент затухания в проводнике зависит как от электрических свойств проводника и длины волны, так и от соотношения D/d, т.е. от геометрических размеров. Анализ показывает, что при D/d = 3,6 достигается минимум коэффициента затухания коаксиальной ЛП, что соответствует волновому сопротивлению W_л = 77 Ом в линии с воздушным заполнением. В то же время для передачи по коаксиальному фидеру большой мощности необходимо соблюдение условия D/d = 1,65, что соответствует волновому сопротивлению W_л = 50 Ом в линии с воздушным заполнением. Таким образом, для передачи по коаксиальной ЛП электромагнитных колебаний большой мощности необходимо соблюдение условия D/d = 2...3, если же за критерий выбора коаксиальной ЛП принять минимум потерь, то D/d = 3...6. Поэтому в настоящее время промышленность выпускает коаксиальные фидеры со стандартными значениями волновых сопротивлений: W_л = 50 Ом для применения в трактах передачи большой мощности (от передатчика к антенне); W_л = 75 Ом, если основным параметром фидера является минимум потерь (от антенны к приёмнику).

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ В СРЕДЕ MMANA

Для моделирования в среде MMANA необходимо задать геометрические размеры антенны, материал и её рабочую частоту.

Рисунок 16 - Общий вид антенны

Произведем расчет антенны с помощью MMANA, результаты которого представлены на рис. 17.

Рисунок 17 - Расчет параметров антенны



Рисунок 18 - Диаграмма направленности для V+H поляризации

Рисунок 19 - Частотная зависимость входного сопротивления



Рисунок 20 - Частотная зависимость КСВ

Рисунок 21 - Частотная зависимость КУ и уровня обратного излучения

6 РАСЧЕТ РАДИОТРАСС. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ

6.1 Расчет радиотрасс

Наиболее простой метод расчета радиотрассы применяется в случае распространения радиоволн при небольших расстояниях между пунктами передачи.

Причем поверхность Земли является плоской и однородной на протяжении всей трассы. Изучим метод расчета такой трассы, в котором применяются поднятые антенны.

Поднятая антенна - это антенна, у которой фидерный (питающий) тракт не излучает и в высоту антенны укладывается несколько длин волн.

Рассмотрим трассу, схема которой показана на рисунке 22.

Рисунок 22 - Схема радиотрассы

Пусть в пункте передачи А антенна поднята на высоту, в пункте приема В - на высоту . Б.А.Введенский в 1922 году предложил, что в месте приема электромагнитное поле можно рассматривать как интерференцию двух лучей: прямого 1 и отраженного от Земли 2. Лучи, выходя из одного источника, являются когерентными, поэтому в пункте В лучи 1 и 2 будут интерферировать между собой.

Действующую напряженность поля подсчитаем из известной ранее формулы:

.

Задача сводится к нахождению множителя ослабления F.

Мгновенное значение напряженности поля прямого луча определяется:

.

Мгновенное значение напряженности поля для отраженного луча:

.

где - комплексный коэффициент отражения, - значение пути, проходимого отраженным лучом, ?r - разность хода между прямым и отраженным лучом. Причем

Сделаем следующие ограничения:

1. Считаем, что высоты, на которые подняты антенны существенно меньше расстояния между начальным и конечным пунктами радиолинии, т.е. <<r, <<r, где r - расстояние между пунктами.

2. Считаем, что лучи 1 и 2 излучаются передающей антенной почти в одном направлении. Коэффициенты направленности для обоих лучей имеют одно значение.

3. Учтем, что отраженный луч проходит больший путь, т.е. разность хода составляет или набег фазы составляет . Кроме того, можно считать, что расстояния . Иными словами, расстояние, проходимое каждым лучом, можно считать равным расстоянию между пунктами А и В.

Учитывая сделанные допущения, мгновенное значение напряженности результирующего поля в пункте В найдем:

.

где - угол изменения фазы при отражении, - набег фазы за счет разности хода прямого и отраженного лучей.

Выполним преобразование сомножителя, стоящего в квадратных скобках:

где .

Тогда с учетом преобразования принимает вид:

.

Множитель ослабления Fопределяется равенством:

,

где R - коэффициент отражения, И - фаза коэффициента отражения, - набег фазы за счет разности хода между лучами.

Действующее значение напряженности результирующего поля определяется формулой:

.

В эту формулу входят три неизвестные величины: R - модуль коэффициента отражения, И - угол потери фазы при отражении, - разность хода лучей.

Из электродинамики известно, что Rи И можно определить, если знать угол скольжения г (рис. 19). Угол скольжения определяется:

где - высоты антенн, r - расстояние между пунктами передачи и приема.

Там же доказано, что разность хода определяется выражением:

.

Из формулы видно, что множитель ослабления является величиной переменной. В случае, когда функция =1, значения множителя ослабления являются максимальными ; если =-1, то и множитель ослабления принимает минимальные значения . Отсюда видно, что название множителя ослабления носит условный характер. На рисунке 23 показана зависимость множителя ослабления от расстояния.

Рисунок 23 - Зависимость множителя ослабления от расстояния при конечном значении коэффициента отражения

Так, при малых значениях угла скольжения г для большинства видов земной поверхности коэффициент отражения можно принять , а угол потери фазы при отражении .

Принимая указанные значения и , можно после преобразования множителя ослабления получить преобразованную формулу множителя ослабления F:

.

Изменение расстояния r, приводит к чередованию максимальных и минимальных значений синуса. Можно определить такие расстояния r, на которых множитель ослабления принимает только максимальные или минимальные значения.

Максимальные значения множитель ослабления F достигает на расстояниях:

где n=0,1,2,…

Первый максимум наблюдается со стороны больших расстояний:

Минимальное значение множителя ослабления F достигается на расстояниях:

Первый минимум расположен на расстоянии от передатчика:

.

Максимальное значение множителя ослабления соответствует , минимальное - . На рис.21 показан график зависимости множителя ослабления F от расстояния при R=1.



Рисунок 24 - Зависимость множителя ослабления от расстояния при R=1

6.2 Электромагнитная совместимость

синфазный антенна многовибраторный решетка

Электромагнитная совместимость (ЭМС) радиоэлектронных средств, способность радиоэлектронных средств (РЭС) различного назначения работать одновременно (совместно) так, что помехи радиоприёму (с учётом воздействия источников радиопомех индустриальных), возникающие при такой работе, приводят лишь к незначительному (допустимому) снижению

качества выполнения РЭС своих функций. При одновременной работе РЭС (а также электротехнических устройств, излучающих электромагнитные волны) помехи радиоприёму неизбежны. Интенсивность помех определяется количеством действующих излучателей, их мощностью, расположением в пространстве, формой диаграммы направленности антенн, условиями распространения радиоволн и т. д. Обеспечение ЭМС сводится к созданию условий для нормальной совместной эксплуатации всего разнообразия РЭС.

Обеспечением ЭМС начали заниматься почти одновременно с практическим освоением радиоволн (например, для радиосвязи). Постепенно эта задача усложнялась и, наконец, с 50-х гг. 20 в. переросла в сложную проблему главным образом из-за возросшей загрузки освоенных диапазонов радиочастот, непрерывного увеличения кол-ва и мощности излучающих средств, повышения чувствительности радиоприёмников, несовершенства РЭС (например, наличия у радиопередатчиков внеполосных и побочных излучений, а у радиоприёмников - внеполосных каналов и каналов побочного приёма), усложнения функций РЭС и режима их работы (частые включения и выключения, перестройка по частоте, перемещения в пространстве и т. п.) и многих других факторов.

Меры по обеспечению ЭМС подразделяются на организационные и технические. К организационным относятся: применение пространственного разделения (разноса) РЭС - одновременного использования одних и тех же частотных диапазонов в различных зонах земного шара, если это не грозит взаимными радиопомехами; временного разноса - поочерёдной работы РЭС на одной несущей частоте по определённой программе во времени: частотного разноса - одновременной работы на различных несущих частотах и др. К техническим относятся: создание радиопередающих и электротехнических устройств, более совершенных с точки зрения уменьшения мешающих излучений; разработка радиоприёмных устройств, обладающих меньшей чувствительностью к таким излучениям, и др.

В СССР обеспечение ЭМС возложено на Государственную комиссию по радиочастотам СССР (ГКРЧ СССР; создана в 1958; до 1972 называлась Междуведомственной комиссией по радиочастотам). Эта комиссия, осуществляя единую техническую политику в вопросах, связанных с рациональным распределением и использованием радиочастотного спектра, занимается нормированием параметров радиоизлучений и приёма РЭС и другими аспектами ЭМС. Среди норм, утвержденных ГКРЧ СССР, - общесоюзные нормы на ширину полосы радиочастот и внеполосные спектры излучений радиопередающих устройств, на допустимые отклонения частоты радиопередатчиков и уровни их побочных излучений, на допускаемый уровень индустриальных радиопомех и т.д. Эти нормы являются обязательными для всех министерств и ведомств, разрабатывающих, изготавливающих, закупающих в других странах и эксплуатирующих РЭС всех назначений, а также электротехнические устройства, создающие индустриальные радиопомехи. Разработку рекомендаций, направленных на обеспечение ЭМС, осуществляет Международный союз электросвязи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте была спроектирована многовибраторная синфазная антенна с 32 элементами, для работы на длине волны равной 39 см. В ходе выполнения данного проекта были сделаны следующие выводы:

- с увеличением числа вибраторов сопротивление излучения антенны увеличивается, а входное сопротивление падает;

- с увеличением числа вибраторов увеличивается КНД, а также и коэффициент усиления;

- диаграмма направленности в горизонтальной плоскости зависит только от количества вибраторов в этаже. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости зависит только от количества этажей. При чем при увеличении числа вибраторов или этажей диаграмма направленности сужается.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Антенны: (современное состояние и проблемы)/ под ред. Л.Д. Бахраха и Д.И. Воскресенского. М.: Советское радио, 1989. - 209 с.

2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учебник для радиотехнических специальностей ВУЗов./Д.М. Сазонов. - М.: Высшая школа, 1988.- 432 с.

3. Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 2. (11 издание): Пер. с нем. - М.: Данвел, 2007. - 416с.

4. Гончаренко И. В. Антенны КВ и УКВ. Часть 1. Компьютерное моделирование. MMANA. - М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио», 2004. - 128с.

5.Айзенберг Г.З. Антенны УКВ. Ч2. М.: «Связь», 1977. - 288с.

6. Малков, Н.А. Антенны СВЧ: Учебное пособие / Н.А. Малков. - Тамбов: Издательство Тамбовского государственного технического университета, 2000. - 104 с.

7. Трошин Г.И. Фидерные тракты средств радиосвязи и радиовещания. Актуальные вопросы проектирования антенно-фидерных устройств средств радиосвязи и радиовещания / под ред. Г.И. Трошина - М.: «Сайнс - Пресс», 2001. - 72с.

8. Печурин В.А., Петров А.С. Делители-сумматоры мощности СВЧ - диапазона. Успехи современной радиоэлектроники. 2010 №2, С5-41.

9. Романычева, Э.Т, Иванова, А.К. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА / Э.Т. Романычева, А.К. Иванова. - М.: Радио и Связь, 1989. - 448с.

Размещено на Аllbеst.ru