Проектирование антенно-фидерных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Петербургский государственный университет путей сообщения

Кафедра "Радиотехника"

Курсовая работа

на тему: "Проектирование антенно-фидерных устройств"

Выполнил: Лысенко Дмитрий



Содержание

1. Исходные данные к проекту

2. Краткое описание конструкции антенны, ее электрическая схема и фидерная система

3. Расчёт входного сопротивления и геометрических параметров диапазонного вибратора

4. Расчет входного сопротивления антенны и КБВ в главном фидере

5. Расчет электрической прочности главного фидера и определение рабочего диапазона антенны

6. Расчет диаграммы направленности и КНД системы

7. Расчет геометрических параметров апериодического рефлектора



1. Исходные данные к проекту

На проектирование даны следующие параметры антенны:

1. Строительная длина волны ₀ = 24 (м).

2. Число этажей антенны m = 4 и число симметричных вибраторов в этаже n = 4.

3. Расстояние между этажами a = 0,5₀ = 12 м, расстояние между секциями b = ₀ = 24м, расстояние между полотном вибратора и рефлектором d = 0,24₀ = 5.76 м_..

4. Мощность передатчика Р = 30 кВт и вид модуляции - амплитудная (глубину амплитудной модуляции будем считать близкой к 100 %).

5. Волновое сопротивление вибраторов = 300 Ом, число проводов вибратора р = 8, радиус проводов r = 3 мм.

6. Коэффициент прозрачности рефлектора по мощности < 0,05.

7. Размеры двухпроводного фидера: расстояние между проводами D = 300мм, радиус проводов r = 3мм.

2. Краткое описание конструкции антенны, ее электрическая схема и фидерная система

Конструкция антенны СГД 4/8 РА показана на рис. 1, схема антенны СГД 4/8 РА с обозначением размеров приведена на рис. 2а и рис. 2б.

Основными элементами антенны являются диапазонные вибраторы, система фидеров, питающих вибраторы, апериодический рефлектор, представляющий собой сетку из горизонтальных проводов. Вибраторы выполняются по схеме Надененко (рис. 4) и соединяются палочными изоляторами в горизонтальные цепочки (этажи), которые с помощью леерных канатов натягиваются между мачтами.

Вертикальный ряд вибраторов принято называть секцией антенны. Число секций антенны очевидно совпадает с числом симметричных вибраторов в этаже n. Питание антенны осуществляется разветвленной системой двухпроводных фидеров (рис. 3). Синфазность возбуждения всех вибраторов обеспечивается на любой частоте, поскольку расстояния от главного фидера, идущего от передатчика, до каждого вибратора одинаковы. При такой схеме питания число секций антенны n=2^S, S=1,2,…. Для компенсации отражений, возникающих в точках ветвления, в схеме предусматриваются ступенчатые трансформаторы (отрезки AB, CD, EF, GH).

Рис. 3. Схема питания антенны СГД 4/8 РА

В настоящее время на трассах протяженностью от 2000 до 6000-8000 км. используются четырехэтажные антенны (m=4). На трассах протяженностью свыше 6000 км. используются, как правило, восьмиэтажные антенны (m=8).

Рис. 4. Вибратор Надененко

3. Расчёт входного сопротивления и геометрических параметров диапазонного вибратора

Определение зависимости входного сопротивления вибратора от частоты необходимо, во-первых, для правильного выбора самого вибратора, во-вторых, для расчета входного сопротивления всей антенны, которое, являясь нагрузкой главного фидера, определяет режим работы передатчика и диапазонные свойства антенны. антенна вибратор фидер сопротивление

В инженерных расчетах антенн СГД-РА обычно полагают, что поверхность земли и сетка проводов рефлектора в дека метровом диапазоне эквивалентны идеально проводящим плоскостям, что позволяет определить их влияние на параметры антенн методом зеркальных изображений.

Расчет антенны СГД-РА ведется с помощью разработанного В.В. Татариновым метода наведенных ЭДС, по которому сопротивление излучения каждого вибратора складывается из его собственного сопротивления излучения и сопротивлений, наведенных остальными вибраторами. При этом учитываются как реальные вибраторы антенного полотна, так и их зеркальные изображения, определяемые влиянием земли и рефлектора. Значения наведенных сопротивлений зависят от взаимного расположения вибраторов. Величины сопротивлений излучения разных вибраторов оказываются различными, однако при определении параметров антенны их усредняют.

Среднее входное сопротивление вибратора:

в многовибраторной антенне с апериодическим рефлектором можно с достаточной точностью определить с помощью приближенного метода. Согласно этому методу вибратор представляется в виде отрезка длинной линии с волновым сопротивлением длиной:

,

нагруженной на комплексное сопротивление , равное:

(1),

где - длина вибратора;

расстояние между этажами;

- расстояние между активным полотном и рефлектором;

- волновое число, равное:

.

В формуле (1):

.

.

, из графика на рис. 6.

Рис. 5. Зависимость от Р₀

Рис. 6. Зависимость от

Тогда:

.

Поделив выражение (2) на волновое сопротивление получаем,.

Входное сопротивление линии длиной с волновым сопротивлением , нагруженной на комплексное сопротивление:

, (3)

Тогда зная А и B, можно найти значение и:

.

.

Так как для антенны нагрузкой является свободное пространство, то длина вибратора считается подобранной верно, если реактивное сопротивление .

Тогда при и получаем ;.

Таким образом:

.

Для расчета входного сопротивления вибратора, используем эту же формулу (3), подставив в значение:

и получим:

.

Поперечные размеры вибратора определяются по заданному значению его волнового сопротивления из следующих соотношений:

,

,

где - эквивалентный радиус вибратора, то есть радиус, вибратора, выполненного из сплошной трубы и имеющего такое же волновое сопротивление;

- число проводов вибратора;

- радиус образующей;

- радиус проводов.

Тогда радиус образующей :

м.

4. Расчет входного сопротивления антенны и КБВ в главном фидере

Входное сопротивление секции антенны, а затем всей антенны определяется путем последовательного применения соотношения (3) к различным участкам схемы питания. Например, нагрузкой четвертьволнового трансформатора АВ является сопротивление , где:

.

В свою очередь входное сопротивление этого трансформатора:

.

является нагрузкой отрезка ВС и т.д.

Систему питания целесообразно строить на основе заданной двухпроводной линии, то есть положить:

Ом.

Тогда волновое сопротивление четвертьволновых трансформаторов, включаемых в точках ветвления фидеров, будут равны:

Ом.

Конструктивно трансформаторы выполняются в виде отрезков двухпроводной линии длиной с тем же расстоянием между проводниками мм, но из более толстых проводов (трубок).

Длины различных участков фидерной системы определяются размерами антенны. Например, для восьмиэтажной антенны имеем:

.

Длины , , зависят от величины угла снижения фидера , от высоты подвеса антенны и т.п. Возьмём их равными .

Характеристики всех участков фидерной системы сведены в таблице 1.

Таблица 1

Длина линии	Волновое сопротивление	Нагрузка	Входное сопротивление
Гл. фидер

Подставив данные получим:

Ом;

;

Ом;

Ом;

Ом;

Ом;

Ом;

Ом;

Ом.

Используя найденные значения входного сопротивления антенны, следует определить КБВ в главном фидере. КБВ в линии с волновым сопротивлением , нагруженной на комплексное сопротивление:

,

,

.

Зависимость КБВ в главном фидере антенны СГД-РА показана на рис. 6.

Рис. 6

5. Расчет электрической прочности главного фидера и определение рабочего диапазона антенны

Ширина рабочего диапазона антенны определяется минимально допустимым значением КБВ в главном фидере , которое зависит от электрической прочности главного фидера.

Исследование структуры поля двухпроводной линии показывает, что максимальная напряженность электрического поля имеет место у поверхности проводов и составляет:

,

где - амплитуда напряжения между проводами.

Если это значение превосходит допустимое, начинается процесс ионизации воздуха, в результате чего у поверхности проводов может произойти пробой воздуха (явление факельного истечения). Напряженность поля, при которой имеет место самопроизвольное образование факела, составляет на низких частотах примерно 30 кВ/см, однако с повышением частоты она снижается. Поскольку в линии всегда имеются трудно учитываемые локальные повышения напряженности поля, связанные с механическими дефектами, попаданием на провода осадков, грязи и т.п., допустимым следует считать амплитудное значение

Это значение Е_доп соответствует работе передатчика в режиме частотной телеграфии, когда амплитуда излучаемого антенной сигнала постоянна. В случае амплитудной модуляции с глубиной, близкой к 100 % (телефонная работа, вещание), пиковая амплитуда напряженности поля может быть вдвое больше, чем в телеграфном режиме. Соответственно, можно ожидать уменьшения допустимой мощности в 4 раза. Однако, как показали экспериментальные исследования, из-за того, что пиковая напряженность поля имеет место в течение очень коротких промежутков времени, можно допустить пиковую амплитуду напряженности поля в раз больше и положить

Соответственно допустимая мощность при телефонии и вещании уменьшится не в 4, а в 2 раза.

Найдем допустимую мощность Р_доп для двухпроводного фидера с параметрами: , и. Найдём допустимое напряжение между проводами линии при

.

кВт.

.

Полученные соотношения позволяют определить диапазон антенны. В пределах рабочей полосы КБВ в главном фидере не должен быть ниже минимально допустимого значения:

.

Рисунок 6 иллюстрирует определение рабочего диапазона антенны при . При данном значении получаем и .

6. Расчет диаграммы направленности и КНД системы

Диаграмма направленности (ДН) антенны определяется в переднем полупространстве в предположении идеальной проводимости почвы и полного отражения сигнала от рефлектора.

Пользуясь теоремой перемножения, диаграмму направленности антенны можно представить в виде произведения диаграммы направленности вибратора на множитель решетки. При этом для диаграммы направленности в горизонтальной плоскости получим соотношения:

,

где n - число секций;

b - расстояние между ними;

d - расстояние между полотном вибраторов и рефлектором.

При на центральной частоте . Вследствие синфазности возбуждения секций максимум излучения всегда направлен по нормали к плоскости антенны: .

В силу симметрии антенны, то есть ДН в горизонтальной плоскости достаточно рассчитать в пределах (0 < ц < 90⁰).

ДН в вертикальной плоскости (ненормированную) удобно записать в следующем виде:

,

где h - высота подвеса центра полотна вибраторов над землей;

a - расстояние между этажами.

При на центральной частоте .

Очевидно,

.

,

.

.

ДН в горизонтальной плоскости рассчитывается на центральной частоте , то в вертикальной - на трех частотах: . Нормированные ДН строятся в прямоугольной системе координат. По рассчитанным ДН определяется ширина главного лепестка на уровне половинной мощности и максимальный уровень боковых лепестков.

.

Пример расчётадля .

Рис. 9 Рис. 10 Рис. 11

.

.

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны приближенно можно найти, используя формулу:

,

где - значение функции в направлении максимального излучения;

- эффективная площадь антенны, тогда:

КНД рассчитывается на частотах . Для антенны с параметрами , при получаем , и .

7. Расчет геометрических параметров апериодического рефлектора

При (r - радиус проводов, t - расстояние между проводами) коэффициент прозрачности рефлектора по мощности:

.

Значения t и r должны быть выбраны таким образом, чтобы на самой короткой волне рабочего диапазона выполнялось условие . Обычно r = 2…4 мм, . Тогда при , и, получаем.

Размещено на Allbest.ru

...