Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Забайкальский государственный университет"

(ФГБОУ ВПО "ЗабГУ")

Факультет Дополнительного профессионального образования

Кафедра Физики и техники связи

КУРСОВАЯ РАБОТА (ПРОЕКТ)

по дисциплине "Физика и техника связи"

на тему: Установка, монтаж и расчет логопериодической антенны

Выполнил студент группы ТКО-12-1

Цветков А.С.

Руководитель работы: Зав. кафедрой ФиТС

Свешников И.В.

Чита 2013

Содержание

• Введение
• 1. Краткие теоретические сведения
• 2. Расчет логопериодической антенны
• 3. Монтаж логопериодической антенны
• 4. Установка логопериодической антенны
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Передача радио- и телепрограмм осуществляется с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве со скоростью света. Антенна - это устройство, предназначенное для излучения и приема радиоволн. Для передачи сигналов телевизионного изображения и звукового сопровождения используются определенные частоты диапазона ультракоротких волн.

Высококачественный прием возможен только при условии выбора наиболее подходящего для данного района типа антенны и правильной ее установки. Кроме того индивидуальная антенно-фидерная система для приема сигнала может содержать согласующие устройства, антенные усилители, сумматоры и разветвители сигнала, неправильное применение которых также приводит к ухудшению приема.

На качество приема влияет расстояния до передатчика, рельеф местности, наличие препятствий для прохождения радиоволн, типы кабеля и другие факторы.

В настоящее время существует множество типов антенн, такие как простые дипольные антенн (слабонаправленные антенны), антенны типа "волновой канал", зигзагообразные антенны, рамочные антенны, логопериодические антенны, синфазные решетки.

Логопериодическая антенна относится к числу широкополосных антенн. Она хорошо согласуется с коаксиальным кабелем, обеспечивает прием сигналов в десятикратном и более диапазоне частот. Также в выборе антенны сыграли свою роль простота конструкции и дешевизна реализации.

1. Краткие теоретические сведения

Каждая антенна как пассивное линейное устройство может работать в режиме передачи либо в режиме приема. В обоих режимах антенна характеризуется направленными, поляризованными, фазовыми свойствами и входным сопротивлением.

К основным характеристикам и параметрам, описывающим эти свойства, относятся:

- полоса пропускания;

- поляризация;

- входное сопротивление;

- коэффициент стоячей волны (КСВ);

- диаграмма направленности (ДН);

- коэффициент направленного действия (КНД);

- коэффициент усиления антенны (КУ);

- фазовая диаграмма антенны (ФД);

- коэффициент полезного действия антенны (КПД);

- шумовая температура антенны (Т_А).

Полоса пропускания - диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) антенны достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Ширина полосы пропускания определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний от максимальной снижается в корень из двух раз или мощность снижается в два раза. Этот уровень приблизительно соответствует -3 дБ.

Поляризация для электромагнитных волн - это явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля Е или напряженности магнитного поля Н.

Входное сопротивление антенны - это величина, которая определяется отношением напряжения на зажимах антенны к току на входе фидера. Величину входного сопротивления антенны необходимо знать для того, чтобы правильно согласовать антенну с кабелем и приемником (передатчиком): только при этом условии на вход поступает наибольшая мощность. При правильном согласовании входное сопротивление антенны должно равняться входному сопротивлению кабеля, которое, в свою очередь, должно быть равно входному сопротивлению приемника (передатчика).

Коэффициент стоячей волны - это отношение наибольшего и наименьшего значений амплитуды напряженности электрического или магнитного поля стоячей волны в линии передачи. КСВ характеризует степень согласования антенны и фидера (также говорят о согласовании выхода передатчика и фидера). На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и возвращается в передатчик. Отраженная энергия ухудшает работу передатчика и может его повредить. КСВ рассчитывается следующим образом:

КСВ = (W_пад+W_отр)/(W_пад-W_отр),

где W_пад - падающая энергия,W_отр - отраженная энергия.

Диаграмма направленности приемной антенны - это график, который характеризует зависимость ЭДС, наведенной в антенне электромагнитным полем, от ориентации ее в пространстве. Лепесток, соответствующий максимальному сигналу или нулевому направлению, называют основным или главным, остальные - боковыми или задними (в зависимости от расположения по отношению к главному лепестку). Основным параметром диаграммы направленности является угол раствора (ширина) главного лепестка, в пределах которого ЭДС, наведенная в антенне электромагнитным полем, спадает до уровня 0,707, или мощность, спадающая до уровня 0,5 от максимальной. По ширине главного лепестка судят о направленных свойствах антенны. Чем эта ширина меньше, тем больше направленность антенны.

Коэффициент направленного действия антенны - это число, показывающее во сколько раз мощность, поступающая на вход приемника при приеме на направленную антенну, больше мощности, которую можно получить при приеме на ненаправленную антенну (при той же напряженности поля).

Коэффициент усиления антенны - отношение мощности на входе эталонной к мощности, подводимой к входу рассматриваемой антенны, при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности.

Коэффициент полезного действия антенны - это параметр, который характеризует потери мощности в антенне и представляет собой отношение мощности излучения к сумме мощностей излучения и потерь, т.е. к полной мощности, которая подводится к антенне радиопередающей станции от передатчика.

з = Р_и/(Р_и+Р_п),

где Р_и - мощность излучения, Р_п - мощность потерь.

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.

Шумовая температура антенны - характеристика мощности шумов антенны по приему. Источником этих шумов является не сама антенна, а шумящие объекты на Земле и в космосе.

ЛПВА была предложена и разработана в 1958 г. Избеллом на основе более ранней работы Дюамеля и Избелла по логарифмическим структурам. Эта антенна впервые была подробно исследована Кэррелом и результаты исследований опубликованы еще в 1961 г. и с тех пор эта работа многократно цитировалась. В нашей стране в 1964 г. вышел сборник статей, в котором опубликован перевод этой работы. В ней приведено много экспериментальных результатов и большое количество номограмм, позволяющих быстро рассчитать конкретную антенну.

Существует много разновидностей логопериодических антенн. Схема классической ЛПВА показана на рисунке 1. Антенна состоит из системы параллельных вибраторов, расположенных в одной плоскости.

Рис. 1 Схема расположения вибраторов в ЛПВА (а) и система координат (б)

Следуя Кэррелу, нумерация вибраторов начинается с самого длинного. Длины вибраторов и расстояния между ними изменяются в геометрической прогрессии со знаменателем ф < 1,0. Параметр у представляет собой отношение расстояния между соседними вибраторами d_n к 2*2h_n - удвоенной полной длине вибратора, т.е.

у = d_n/4h_n,

где h_n - длина плеча n-го вибратора. Величина у связана с ф соотношением

у = 0.25(1-ф)ctgб,

где б - угол между осью антенны и линией, проходящей через концы вибраторов.

На рис. 1 N - число вибраторов антенны, l_n - расстояние от вершины антенны до n-го вибратора.

Обычно длина максимального вибратора 2h₁ принимается равной л_max/2 или длина одного плеча

h₁ = л_max/4

где л_max - максимальная длина волны рабочего диапазона частот ЛПВА. Расстояние этого вибратора от геометрической вершины антенны

l₁ = h₁ctgб.

Все последующие размеры получаются из соотношений

h_n = h_n-1ф и l_n = l_n-lф.

Элементы структуры (вибраторы) возбуждаются противофазно-симметричным распределительным фидером, начиная с самого короткого вибратора. Питание можно подводить либо непосредственно симметричным фидером к вершине антенны (рис. 2а), либо коаксиальным кабелем, проложенным внутри одного из проводников симметричного распределительного фидера (рис. 2б). Центральная жила кабеля при этом должна быть присоединена ко второму проводнику симметричной линии. В этом случае двухпроводная линия одновременно играет роль симметричного трансформатора. Распределительный фидер обычно закорочен за первым, самым длинным вибратором на расстоянии л_max/8 от вибратора. Короткозамыкатель увеличивает прочность антенны, расстояние л_max/8 выбрано, скорее всего, из соображения, что входное сопротивление такого закороченного отрезка получается индуктивным и равным волновому сопротивлению распределительного фидера, т.е.

Z_вх = iW

где i - мнимая единица,W - волновое сопротивление распределительного фидера

Кроме того, короткозамыкатель обеспечивает грозозащиту антенны, так как все вибраторы по постоянному току оказываются подключенными к экрану (к земле).

Рис. 2 Схемы возбуждения ЛПВА: а - симметричным фидером, б - коаксиальным кабелем

2. Расчет логопериодической антенны

логопериодический антенна радиоволна

Точный расчет логопериодической антенны довольно сложен, но существует и простая методика расчета. Она позволяет сконструировать антенну, задавшись такими параметрами, как коэффициент направленного действия (КНД) и рабочий интервал частот. Интервал частот 870-960 Мгц (стандарт GSM-900).

Длины вибраторов логопериодической антенны и расстояния между ними должны изменяться в геометрической прогрессии со знаменателем ф, а расстояние (выраженное в длинах волн) между полуволновым наибольшим и соседним, меньшим, вибратором характеризуется параметром у. Параметры ф и у связаны между собой соотношением:

у = 0,25 (1 - ф) ctgб,

где б представляет собой угол между осью антенны и линией, проходящей через концы вибраторов. Выбор параметров ф и у носит компромиссный характер и влияет на число вибраторов и размеры антенны (на ее длину L между наименьшим и наибольшим вибраторами). Рекомендуется выбирать указанные параметры в соответствии со значением КНД по графику, изображенному на рис. 3

Рис.3 Кривые постоянного значения КНД для различных ф и у

На этом графике под оптимальным подразумевается значение у, которому соответствует минимальное значение ф при заданном КНД антенны.

В соответствии с этим, в нашем случае при КНД=10, у=0,17 ф=0,917. Следует отметить, что число вибраторов антенны N зависит, в основном, от значения ф, а ее размеры возрастают с увеличением у. Кроме того, оптимальному значению у соответствует минимуму коэффициента стоячей волны (КСВ), а при больших значениях у диаграмма направленности становится многолепестковой.

Выбрав параметры у и ф вычисляем угол б по формуле:

Следовательно, б=7⁰

Для определения ориентировочной длины антенны L и числа вибраторов N находят ширину "активной" области антенны B_s, под которой понимают зону, где находится резонансный вибратор с двумя другими, примыкающими к нему, из соотношения:

B_s= B*B_ar,

B = f_max/f_min

где B - заданный коэффициент перекрытия рабочего интервала частот, а B_ar - коэффициент, характеризующий ширину "активной" области. Коэффициент B_ar рекомендуется выбирать, исходя из ф и б по графику, изображенному на рис. 4



Рис. 4 Интерполированная зависимость 1/B_ar как функция б

В соответствии с графиком получаем: B_ar=1,6

Тогда:

Поскольку длина самого длинного вибратора равна л_max/2, то длину антенны можно определить по формуле:

Необходимое число вибраторов можно найти из соотношения:

После этого рассчитываем длину вибраторов и расстояние между ними, начиная с самого длинного, равного половине максимальной длины волны рабочего интервала частот, по формулам:

l_n+1=l_n*ф,

d_n=0.5(l_n-l_n+1)ctgб,

где d_n - расстояние между двумя вибраторами с номерами n и n+1.

Расчет геометрии антенны производился с помощью программы MMANA. Ниже на рис.5 приводится вид антенны после проведенной оптимизации.

Рис. 5 Общий вид антенны

Табл. 1 Геометрические размеры расчетной антенны

Номер вибратора	Длина вибратора, мм	Расстояние между вибраторами, мм
1	101	35
2	92	66
3	84	62
4	77	57
5	71	51
6	65	48
7	59	42

На рис. 6, 7, 8 представлены диаграммы направленности антенны, рассчитанные в свободном пространстве, на высоте л/4 и на высоте 5м соответственно.

Рис. 6 Диаграмма направленности антенны в свободном пространстве.

Рис. 7 Диаграмма направленности антенны на высоте л/4.



Рис. 8 Диаграмма направленности антенны на высоте 5м.

Далее покажем, что как ведут себя КСВ, усиление и Z в заданном диапазоне частот:

Рис. 9 Графики зависимости усиления и коэффициента F/B от изменения частоты в заданном диапазоне частот.



Рис. 10 График зависимости КСВ от изменения частоты в заданном диапазоне частот.

Рис.11 График зависимости активного и реактивного сопротивления от изменения частоты в заданном диапазоне частот.

По этим графикам можно сказать, что в заданном диапазоне частот удалось добиться необходимого усиления (14дБ), а КСВ не превышает отметки в 2.6.

3. Монтаж логопериодической антенны

Все элементы антенн изготавливают из легких металлов, стойких к атмосферным воздействиям. При изготовлении антенны необходимо учитывать, что надежность ее работы зависит от правильности выбора материалов. Можно использовать такие материалы, как медь, сталь, латунь, алюминий и т.д.

При сборке элементов антенны из разнородных металлов необходимо учитывать, что в местах их соприкосновения образуется контактная разность потенциалов, разрушающая металл в месте соединения. Во избежание коррозии металла в месте стыка материалы для изготовления элементов антенны нужно выбирать в соответствии с табл. 2.

Табл. 2 Рекомендации по выбору материалов при изготовлении антенн

Основной материал	Вспомогательный материал
Допустимая контактная пара
Алюминий, дюралюминий Нелегированная сталь Медь, латунь, бронза	Нелегированная сталь, цинк Алюминий, дюралюминий, никель и оловянно-свинцовые припои Медь, бронза, латунь, легированная сталь, никель и оловянно-свинцовые сплавы
Недопустимая контактная пара
Алюминий, дюралюминий Нелегированная сталь и оловянно-свинцовые сплавы	Олово, бронза, медь, латунь, никель Медь

Например, вибратор из стальных трубок и медную жилу кабеля соединяют пайкой с предварительным лужением конца трубки и жилы кабеля или зажимом под стальной оцинкованный болт (жила облужена). Пропаивать или прижимать необлуженную жилу нельзя.

Соединять элементы антенны нужно так, чтобы не было плохих контактов. Для этого все соединения или сваривают, или спаивают. При пайке применяют только бескислотные флюсы (канифоль и т.д.). В качестве изоляционных материалов применяют текстолит, полистирол, гетинакс, плексиглас, фарфор, керамику и другие материалы, обеспечивающие хорошую электрическую изоляцию и не разрушающиеся от воздействия влаги, солнечных лучей и т.п. В исключительных случаях в качестве изоляционного материала используют дерево, но после обработки его парафином.

Один из простых вариантов антенны показан на рис.12. Антенна состоит из ряда параллельных вибраторов, подключенных к двухпроводной линии с последовательной переполюсовкой точек питания вибраторов. Длины вибраторов и расстояния между ними убывают в геометрической прогрессии в направлении к точкам подключения фидера. Позади самого длинного вибратора устанавливают короткозамыкающую перемычку, улучшающую согласование антенны с фидером и обеспечивающую симметрирование.

Рис. 12 Логопериодическая антенна

Кабель пропускают внутри одной из трубок двухпроводной линии и припаивают со стороны самого короткого вибратора, как показано на рис.12.

4. Установка логопериодической антенны

Стационарная антенна устанавливается на кронштейне или мачте на стене или крыше и направляется в сторону базовой станции, сигнал которой принимается устойчиво. "База" совсем необязательно должна быть ближайшей, так как все зависит от расположения антенны и рельефа местности. (Возможен и вариант, что база с самым сильным уровнем сигнала, возможно, не будет с вами работать, так как находится хоть и на прямой видимости, но на расстоянии, которое больше теоретического предела дальности для стандартного режима работы 35 км в GSM-900).

Ориентацию антенны необходимо выполнять очень внимательно, медленно вращая антенну "по горизонту" и наблюдая за индикатором уровня сигнала на дисплее мобильного телефона или с помощью функции инженерного меню - Net monitor. Так как изменение напряженности поля отображается на дисплее не сразу, а через 5-10 секунд, - вращать антенну нужно очень медленно, чтобы не проскочить направление на самый сильный сигнал. В меню сотового телефона необходимо включить "непрерывный поиск сети". Пока нет регистрации в сети, индикатор на дисплее многих моделей телефонов работать не будет, поэтому для настройки в тяжелых условиях желательно пользоваться телефоном с включенным Net monitor. В этом случае уровень принимаемого сигнала показывается в дБ, что гораздо точнее индикатора сотового телефона.

Обычно не удается существенно улучшить качество работы на границе зоны покрытия у телефонов, не имеющих антенного разъема, часто это аппараты со встроенными антеннами, которые приходится подключать к внешней антенне с помощью индуктивного антенного адаптера, а не через разъём на корпусе телефона.

Антенна устанавливается в вертикальной поляризации (штыри на стреле антенны направлены "с неба в землю", стрела располагается горизонтально и параллельно земле). При установке антенны в городе при многоэтажной застройке и работе на отраженном сигнале лучшая поляризация может измениться, и нужно искать оптимальный угол экспериментально. Для смены поляризации с вертикальной на горизонтальную достаточно повернуть крепление на 90 градусов.

От длины кабеля зависит коэффициент усиления всей антенной системы, подключенной к сотовому телефону. Паспортные данные внешних антенн не учитывают длину кабеля (это касается и автомобильных антенн с круговой диаграммой направленности). Если без внешней антенны удается хоть иногда провести разговор, то можно обойтись направленной антенной с усилением 10-11 дБ при длине кабеля до 10 метров. Если же установка антенны в том же месте требует 15-20 метров кабеля, то нужно или улучшить его качество, или использовать антенну с усилением 13-16 дБ, что обычно дешевле.

На границе зоны покрытия особенную важность приобретает качество согласования антенны с кабелем. У логопериодических антенн кабель подключается непосредственно к контактам, расположенным на полотнах с противоположной стороны от скоб крепления к мачте. Он может быть с волновым сопротивлением от 50 до 75 Ом.

Настроенную антенну необходимо тщательно закрепить и загерметизировать контакты подключения кабеля.

На большинстве телефонов есть разъем для внешней антенны. Кроме того, для каждого типа телефона есть так называемый антенный переходник, который подключается к указанному разъему и представляет собой короткий кусок кабеля, с одной стороны которого - специфический телефонный высокочастотный разъем, а с другой - стандартный высокочастотный разъем. При включении переходника в телефон происходит автоматическая антенного тракта телефона на внешний разъем. Обычно затухание в антенном переходнике не превышает одного децибела.

Если кабель между антенной и телефоном не больше 3 метров, то потери в нем можно не учитывать. Антенна для ее нормальной работы должна быть хорошо сделана и настроена, использование некачественной конструкции может не улучшить связь, а ухудшить. При большей длине линии связи вопрос выбора кабеля приобретает первостепенную роль. Причем имеет значение не только затухание, но и волновое сопротивление кабеля, лучше использовать 50-омные.

Заключение

Проведенные выше расчеты показали, что логопериодическая антенна, относящаяся к числу широкополосных антенн, имеет высокий коэффициент усиления и хорошо согласуется с коаксиальным кабелем, обеспечивает удовлетворительный прием сигналов в заданном диапазоне частот, а также сыграли свою роль простота конструкции и дешевизна реализации. Также габариты получившейся в результате расчетов антенны позволяют без труда ее установить и получить оптимальные результаты приема в заданной полосе частот.

Проведя оценку правдоподобности нашей работы мы видим, что полученные нами данные (КСВ2,6; КУ=14 дБ), в целом соответствуют техническим характеристикам логопериодической антенны П 6-122 (таблица 3).

Таблица 3

Наименование параметров	Допустимые значения
Диапазон рабочих частот, МГц	От 300 до 3000
Коэффициент усиления антенны в диапазоне рабочих частот, дБ, не менее	4,0
КСВН входа, дБ, не более	2,6
Масса антенны, кг, не более	1,1
Габаритные размеры (длинаЧ ширинаЧвысота), мм, не более	726Ч659Ч33

Список использованных источников

1. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Всё о программе MMANA. - М.:ИП РадиоСофт, Журнал "Радио", 2002. - 80 с.

2. Логопериодические вибраторные антенны. Учебное пособие для вузов - М: Горячая линия - Телеком, 2005. - 239 с.

3. Жовна И.А. Самодельные телевизионные антенны. - К.: Техника, 1995. - 32с.

4. Все об антеннах: Справочник / сост. В.И. Назаров, В.И. Рыженко. - М.: Издательство Оникс, 2008. - 240 с.

5. Андрей Хартов. Антенны мобильных телефонов [Электронный ресурс] URL: http:// http://www.mobil.ru/article.php?advice=17 (дата обращения: 16.12.2011).

Размещено на Allbest.ru

...