Расчет антенной решетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Постановка задачи и анализ возможных решений

Антенной называется радиотехническое устройство для излучения или приёма электромагнитных волн.

Это необходимый элемент всякой радиотехнической системы. Антенны применяются в радиосвязи, радиовещании, телевидении, радиолокации, радиоастрономии, радионавигации, радиоуправлении.

Электромагнитные колебания высокой частоты вырабатываемые генератором, преобразуются передающей антенной в электромагнитные волны и излучаются в пространство. Обычно электромагнитные колебания подводятся от генератора к антенне не непосредственно, а при помощи линии передачи (фидерной линии). При этом вдоль фидера распространяются связанные с ним электромагнитные волны, имеющие плоский фронт. Передающая антенна преобразует их в свободные сферические волны, распространяющиеся в пространстве. Это преобразование энергий должно происходить с максимально возможным коэффициентом полезного действия.

Устройства, аналогичные антеннам, применяют также для возбуждения электромагнитных волн в различных направляющих системах (волноводы, объёмные резонаторы).

Даже самые простые антенны (элементарные вибраторы) излучают электромагнитные волны неодинаково в различных направлениях. Способность антенны излучать электромагнитные волны с различной интенсивностью в разных направлениях характеризуется её направленными свойствами.

Направленные антенны позволяют без увеличения мощности передатчика увеличивать напряжённость электромагнитного поля в нужном направлении в сотни тысяч, миллионы раз путём концентрации электромагнитных волн в узкие пучки.

Рассмотрим основные параметры антенн. Направленные свойства передающей антенны позволяют увеличить интенсивность излучения в заданном направлении, повысить напряжённость поля полезного сигнала в месте приёма при заданной мощности излучения или получить заданное отношение сигнал / помеха при меньшей мощности передатчика. Направленные свойства антенны определяются её диаграммой направленности.

Диаграммой направленности называют зависимость напряжённости поля, создаваемую антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве.

Диаграммы направленности можно сравнивать по коэффициенту направленного действия, который является мерой концентрации электромагнитной энергии в пространстве, осуществляемой антенной.

Коэффициентом направленного действия в данном направлении называют отношение квадрата напряжённости поля, созданного антенной в данном (обычно главном) направлении к среднему (по всем направлениям) значению квадрата напряжённости поля.

Численное значение коэффициента направленного действия показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряжённостей поля в главном направлении.

Не вся подводимая к антенне мощность излучается в виде энергии электромагнитных волн. Часть подводимой энергии будет теряться в антенне. Параметром, характеризующим направленные свойства и учитывающим потери в антенне, является коэффициент усиления.

Коэффициентом усиления антенны называют отношение плотности потока мощности или квадрата напряжённости поля, созданного антенной в направлении максимального излучения, к потоку или квадрату напряжённости поля, созданному эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам мощностей.

Коэффициент усиления является определяющим параметром передающих антенн, поскольку он показывает, во сколько раз надо уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряжённость поля в главном направлении осталась неизменной.

Коэффициентом полезного действия антенны называют отношение излучаемой мощности к подводимой мощности.

Ещё одним важнейшим параметром антенны является входное сопротивление, величина которого определяет метод согласования, коэффициент полезного действия антенны, а также фазовую характеристику антенно-фидерного тракта.

Антенная система, являясь обязательным элементом любой линии радиосвязи, в значительной степени определяет технические возможности этой линии - телевизионного вещания. Влияние антенны на характеристики и на условия работы этой линии оценивается с помощью вышеперечисленного ряда параметров.

Введение этих параметров позволяет сравнивать различные типы антенн, судить о пригодности какой-либо антенны для решения конкретных задач.

Телевизионное вещание производится на волнах метрового и дециметрового диапазонов.

Антенны передающих телецентров должны удовлетворить ряду требований. Для увеличения зоны уверенного приёма эти антенны следует располагать на специальных башнях высотой в сотни метров. При этом увеличиваются механические нагрузки, создаваемые ветром, а также вероятность попадания в антенну грозовых разрядов. В связи с этим телевизионные антенны должны иметь повышенную механическую и электрическую прочность. Для увеличения электрической прочности и улучшения грозозащищённости в антенных конструкциях обычно применяют металлические изоляторы.

Как правило, телецентр находится в центре обслуживаемой территории, поэтому антенна должна обладать направленными свойствами в горизонтальной плоскости.

Для сужения диаграммы направленности в вертикальной плоскости вибраторы антенны располагают в несколько этажей.

Для снижения уровня помех при приёме желательно, чтобы излучаемые антеннами электромагнитные волны имели горизонтальную поляризацию. В связи с этим, как правило, для передачи и приёма телевизионных сигналов применяют горизонтальные антенны.

Телевизионные антенны должны пропускать без искажений полосу частот примерно 10 МГц. При этом коэффициент бегущей волны в питающей линии (в качестве фидеров обычно применяют коаксиальные линии) во всей полосе пропускания антенны должен быть не менее 90 %.

Желательно, чтобы напряжённость поля во всех точках территории, обслуживаемой телецентром (от телецентра до границ прямой видимости), была приблизительно одинаковой.

Распределение излучаемой мощности по обслуживаемой территории зависит от направления максимального излучения антенны и формы её диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Очевидно поэтому, направление максимального излучения должно составлять некоторый угол с линией горизонта и диаграмма направленности должна быть достаточно узкой, чтобы исключить излучение в свободное пространство. Регулировать направление максимального излучения можно созданием соответствующих сдвигов фаз между токами в различных этажах антенны.

Напряжённость поля электромагнитной волны (без учёта потерь в земле) убывает пропорционально расстоянию, поэтому для равномерного облучения всей территории, обслуживаемой телецентром, необходимо, чтобы антенна в вертикальной плоскости имела диаграмму направленности, обеспечивающую возрастание напряжённости поля прямо пропорционально расстоянию. Это будет при диаграмме направленности косеканcного вида F(?) = ?, изображённой на рисунке 1.1.

Рис. 1.1.

Реальные диаграммы направленности обычных телевизионных антенн (рис. 1.2.) резко отличается от идеальной; напряжённость поля убывает с ростом расстояния; близкая антенне территория облучается электромагнитным полем, сосредоточенным в боковых лепестках, и в направлении глубоких минимумов получаются зоны плохого приёма; при большом уровне боковых лепестков возрастает неравномерность облучения ближней к телецентру территории.

Рис. 1.2.

Для более равномерного облучения обслуживаемой территории выгодно применять антенны с узкими главными лепестками диаграммы направленности и без глубоких минимумов между лепестками. Диаграмма направленности без глубоких минимумов может быть получена, если в одном или двух средних этажах антенны создать дополнительный ток, сдвинутый по фазе относительно основного тока на 90є. Понизить уровень боковых лепестков можно, если питать вибраторы крайних этажей токами с меньшей амплитудой. Сужение диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости и, как следствие, улучшение равномерности облучения территории, а также увеличение напряжённости поля на большом расстоянии от антенны достигаются увеличением вертикального размера антенны - расстоянием между крайними этажами антенны.

Существуют различные конструкции передающих телевизионных антенн. Рассмотрим наиболее часто использующиеся в отечественной технике.

Многоэтажные турникетные антенны, базирующиеся на применении плоскостных Ж - образных вибраторов (рис. 1. 3.), используют в метровом диапазоне волн. Каждый этаж этой антенны выполняется из двух таких взаимно перпендикулярных вибраторов высотой около (0,6...0,7)л0, питаемых со сдвигом 90є, что обеспечивает почти круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Вибратор присоединяется накоротко к мачте как в точках В, В, так и в точках А, А. Питание к вибратору подводится в середине (точки С, С)

Ж- образный вибратор



Рис. 1. 3.

Панель Антенна с радиальными штыревыми вибраторами

Рис. 1.4 Рис. 1.5.

с помощью коаксиальной линии и симметрирующего устройства, помещаемого внутри мачты. Благодаря специальной форме вибратора увеличивается жёсткость конструкции и уменьшаются токи, имеющие вертикальное направление и текущие по вертикальным частям внешней обрамляющей рамы. Турникетная антенна явилась первой удачной конструкцией широкополосной передающей антенны метрового диапазона.

Но в о же время антенна обладает рядом существенных недостатков. Так, диаграмма направленности в горизонтальной плоскости значительно зависит от диаметра трубы, на которой крепятся вибраторы. Для получения круговой диаграммы направленности с малой неравномерностью диаметр трубы не должен превышать (0,1-0,15)л. Это создаёт трудности изготовления турникетной антенны с большим коэффициентом усиления, так как для его получения необходима большая высота антенны. Практически длина турникетной антенны редко превышает 12...15 метров, что связано с механической прочностью трубы малого диаметра.

Большими коэффициентами усиления (до 20..50) обладают так называемые панельные антенны. Основным элементом такой антенны является блок (панель), представляющий собой синфазную антенну, состоящую из двух или четырёх симметричных вибраторов (полуволновых или волновых), расположенных соответственно в два или четыре этажа (рис. 1. 4.). Расстояние между соседними этажами берётся равным л0 / 2. Вибраторы крепятся к решетчатому (апериодическому) рефлектору в узлах зарядов металлическими изоляторами. Коаксиальный кабель, идущий от генератора, присоединяется к двухпроводным линиям, питающим вибраторы с помощью симметрирующего устройства. Такая антенна обладает однонаправленными свойствами в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Для получения близкой к круговой диаграммы направленности в горизонтальной плоскости панели устанавливают по периметру сечения антенной опоры (призмы) на её гранях. Питание панелей осуществляется как синфазное, так и переменно-фазовое со сдвигом фаз 90є. Диаграмму направленности в вертикальной плоскости можно изменять в широких пределах, располагая панели одна над другой и меняя их число. Число этажей панельной антенны можно легко увеличивать, так как эта антенна может крепиться на опоре с большим поперечным сечением. По этой же причине на одной опоре можно располагать несколько многоэтажных панельных антенн, обслуживающих различные диапазоны.

Недостатком антенн данного типа является достаточно сложная конструкция, требующая предварительной отладки в процессе эксплуатации.

Предполагается также весьма удобный вариант передающей телевизионной антенны с радиальными штыревыми вибраторами, установленными непосредственно на опоре (рис. 1. 5.). При размещении на круглой опоре диаметром 0,7 л0 восьми штыревых вибраторов (в плоскости поперечного сечения), питаемых по схеме вращающегося поля (так в каждом следующем вибраторе сдвинут относительно предыдущего по фазе на 90є), в горизонтальной плоскости получаются достаточно равномерное излучение и достаточно хорошее согласование. Для наклона диаграммы направленности вниз применяется расфазировка вибраторов по вертикали.

Основной недостаток такой антенны - громоздкая схема питания.

Перечисленные типы передающих телевизионных антенн используются в современной технике уже очень значительное время. Реальностью дня сегодняшнего, да и завтрашнего, является постоянно растущий поток информации, что влечёт за собой увеличение объёма вещания. Наличие огромного числа телевизионных каналов создаёт ряд проблем. Прежде всего это уплотнение диапазона телевизионного вещания и необходимость установки всё большего числа антенн, что практически трудно реализуемо. Башни передающих телевизионных центров настолько перегружены, что зачастую установка новой антенны просто невозможна - нет места.

В какой-то мере разрешить сложившуюся ситуацию может применение в телевизионном вещании щелевых антенн.

Щелевые антенны обладают рядом преимуществ по сравнению с антеннами других типов. К ним относятся простота конструкции, малые габариты и масса, высокая надёжность в эксплуатации, технологичность в изготовлении. Используют щелевые антенны в диапазоне дециметровых волн.

Использование композиционным материалов для опорных труб позволяет делать лёгкие и прочные конструкции этих антенн, пригодные для установки как на новых высотных опорах, так и на опорах старой конструкции. Это особенно важно для случаев, когда прочностные характеристики высотного сооружения не позволяют устанавливать серийно выпускаемые типовые антенны.

В условиях загруженности опорного сооружения, простота конструкции и её габариты позволяют легко наращивать этажи антенны в случае необходимости.

Идея применения антенн данного типа известна. В специальной литературе имеются общие сведения о щелевых антеннах различного предназначения. В частности в [1] описывается многощелевая антенна. Описываемая антенна (рис. 1. 6. ) включает в себя центральный металлический стержень, на который надет ряд втулок из диэлектрика с нанесёнными на их внешнюю поверхность слоем металла. Втулки отделены друг от друга кольцами из диэлектрика, в результате чего между ними образуются щели. Таким образом, антенна представляет собой многоэлементную антенную решётку на основе коаксиального волновода с поперечными кольцевыми щелями. На верхнем конце центрального стержня установлен металлический наконечник, размеры которых равны размерам втулок из диэлектрика. В нижней части центрального стержня имеется отверстие, служащее в качестве гнезда, а на внешнем металлическом проводник сделана резьба, в результате чего формируется коаксиальный разъём, служащий для подключения антенны к приёмнику или передатчику.

Данная антенна хоть и не имеет непосредственного отношения к передаче телевизионного сигнала, но представляет интерес как один из способов реализации щели.

Щелевая антенна круговой поляризации, описание которой опубликовано в [2], используется в качестве передающей телевизионной антенны, обеспечивающей излучение волн круговой поляризации.

Щелевая антенна

Рис. 1. 6.

1- центральный стержень; 2-втулка диэлектрическая; 3-кольцо; 4-щель; 5-внешний проводник; 6-наконечник; 7- резьба; 8-коаксиальный разъём.

Щелевая антенна круговой поляризации

Рис. 1. 7.



Антенна представляет собой вертикальный металлический цилиндр (рис 1.7.), в поверхности которого в несколько «этажей» прорезаны щели.

Щели одного этажа имеют наклон - 45 ? к образующей цилиндра, а щели соседнего этажа + 45 ?. Расстояние между этажами составляет л / 2, расстояние между концами щелей соседних этажей равно л / 4.

Внутри цилиндра установлена питающая коаксиальная линия с воздушным диэлектриком, имеющая на уровне середины цилиндра отверстие, закрытое изолятором. Электромагнитная волна, выходя из этого отверстия, распространяется между внутренней поверхностью цилиндра и внешней поверхностью линии, возбуждая щели.

Отличительной особенностью антенны является стойкость к ветровым нагрузкам и устойчивая работа в условиях обледенения. Антенна не излучает в направлении оси цилиндра и хорошо согласуется с передатчиком.

Антенна для телевизионного и УКВ - радиовещания, работающая на высоком уровне мощности, описана в [3], где даны общие сведения. Построена на основе ассиметричного круглого или квадратного волновода, возбуждаемого у нижнего конца.

Волновод одномодовый, причём требуемая поляризация направляемой волны поддерживается периодически расположенными через расстояние, равное длине волны в волноводе, металлическими штырями. Между штырями в плоскости, перпендикулярной их осям, в боковых стенках волновода выполнены продольные полуволновые щели - излучатели. Для увеличения связи щелей с внутренним пространством волновода применяются устанавливаемые рядом со щелями зонды.

В [4] предлагается конкретный принцип устройства передающей телевизионной щелевой антенны (рис. 1.8.).

Цилиндрическая щелевая антенна



Рис. 1. 8.

В стенке металлической трубы диаметром примерно л / 8 прорезано несколько щелей, длинной 3 / 4л каждая. Щели питаются синфазно с помощью коаксиального фидера, протянутого внутри трубы. Вокруг цилиндра поле распределяется неравномерно: оно сильнее с той стороны, где находится щель. При малых диаметрах цилиндра эта неравномерность невелика и излучение в горизонтальной плоскости можно считать ненаправленным. Длина всей щели взята 3 / 4л потому, что при этой длине наступает резонанс между ёмкостной проводимостью щели и индуктивной проводимостью плоскости, образуемой внутри цилиндра. При применяемом способе питания все щели оказываются включенными в параллель, что даёт на входе сопротивление порядка 100 Ом.

Проведённый анализ литературы показал, что оптимальным вариантом с точки зрения поляризации антенны для передающих телевизионных центров является щелевая антенная решётка, выполненная на основе коаксиальной конструкции.



2. Основные принципы построения разрабатываемой антенны

Щелевая антенна представляет собой излучающее отверстие в форме узкой щели, прорезанной в стенках волновода, объёмного резонатора или в оболочке коаксиала. Излучение из щели связано с нарушением экранировки. Пересекая линии тока, текущие по внутренней поверхности волновода (резонатора, цилиндра), прорезанная щель вызывает вытекание тока на внешнюю поверхность, что и приводит к излучению.

Процесс излучения щелевой антенны можно рассмотреть на основании принципа Гюйгенса - Френеля, так как при пересечении щелью линий тока между краями щели возникает электромагнитное поле.

Например, на стенках волновода, в которых прорезаны щели, имеются три составляющие вектора плотности поверхностного электрического тока - две поперечные Iх и Iу, вызывающие продольной составляющей Нz магнитного поля и одна продольная Yz, вызываемая поперечной составляющей Ну магнитного поля.

Если щель пересекает линии плотности поверхностного тока, то последние переходят в токи смещения, текущие перпендикулярно краям щели. В щели возникает электрическое поле, соответствующее этим токам и между её краями создаётся разность потенциалов. Установлено, что в узкой щели, длина которой близка к л / 2, напряжённость электрического поля распределена вдоль щели по закону синуса. Условием возбуждения щели является наличие составляющей вектора плотности поверхностного электрического тока, перпендикулярной оси щели. Если щель ориентирована вдоль линий плотности поверхностного тока, то в ней не возникает ток смещения, то есть не возбуждается и не излучает.

В дециметровом диапазоне для телевизионного вещания волноводные конструкции не могут быть использованы, так как в этом случае геометрические размеры волновода становятся неприемлемыми. Этот факт говорит в пользу применения коаксиальных систем.

Впервые подобный тип антенн был предложен в 1940 году М. С. Нейманом. После работ А. А. Пистолькорса, опубликованных в 1944 году, щелевые антенны стали широко применяться в технике сверхвысоких частот. А. А. Пстолькорсу принадлежит заслуга в формировке и доказательстве так называемого принципа двойственности, позволяющего производить расчёты щелевых антенн путём обобщения результатов расчёта проволочных антенн той же конфигурации, что и щель. Строго говоря, он справедлив для случая щели, прорезанной в безграничной идеально проводящей плоскости, однако практически им можно пользоваться для большинства щелевых антенн.

Принцип двойственности применительно к щелевым антеннам гласит: векторы Е и Н поля щелевой антенны, прорезанной в безграничном плоском экране, имеют такое же направление в пространстве и являются такими же функциями координат, как векторы Н и Е поля симметричного ленточного вибратора, имеющего такие же размеры, как и щель, и распределение плотности тока, такое же, как распределение тангенциальной составляющей напряжённости электрического поля по щели.

В качестве примера применения принципа двойственности приведём формулы для расчёта поля излучения прямолинейной щели длиной 2l, прорезанной в бесконечно плоском металлическом экране и возбуждаемой в центре напряжением Uа.

С этой целью воспользуемся формулой поля симметричного металлического вибратора длинной 2l:

1? = 120H14 = * * (2.1)

Переходя к полю Н2? и E2ц щелевой антенны с помощью следущих соотношений:

1 = -б и = б,

где б - постоянный произвольный множитель, и выражая ток вибратора через напряжение щели, можем написать:

- б = 120рб = * *

Отсюда получаем:

= - 120H2? = * * (2.2)

На рисунке 2.1 показана структура электрического и магнитного полей прямолинейной щели и, для сравнения, структура поля прямолинейного вибратора. Картины полей щели и вибратора отличаются взаимной переменной векторов и . Характеристика направленности щели в каждом полупространстве над экраном также совпадает с характеристикой направленности вибратора, но компоненты поля и взаимно меняются. Кроме того, в отличии от поляризации компоненты вибратора, поляризация компоненты щели в верхнем и нижнем полупространствах над экраном оказывается противоположной. Из сравнения видно, что для совпадения амплитуды во всех точках пространства напряжённостей поля щели и вибратора должно выполняться соотношение:

= 60р.

Структура электрического и магнитного полей: а)прямолинейной щели и б)прямолинейного вибратора



Рис. 2. 1.

Аналогичным путём могут быть написаны выражения и для щелевой антенны любой другой формы.

Итак, диаграмма направленности узкой прямой щелевой антенны в безграничном экране такая же, как у симметричного вибратора. Поляризация поля перпендикулярна по отношению к поляризации поля вибратора.



2.1 Влияние формы и размеров объекта на параметры щелевых антенн

В независимости от назначения щелевой антенны требуется обеспечить необходимые аэродинамические свойства и механическую защищённость. Форма и размеры поверхности, в которой прорезается щель, оказывают существенное влияние на направленные свойства и проводимость излучения щелей и должны учитываться при расчёте и конструировании.

Принцип двойственности и установленные с его помощью соотношения между параметрами щели и эквивалентного ей металлического вибратора справедливы лишь для щелей, прорезанных в бесконечном плоском металлическом экране. Чем меньше размеры и радиусы кривизны поверхности объекта, в сравнении с длиной волны, тем менее справедливы соотношения, выведенные на основании принципа двойственности.

В частности, устройство щелей на образующей металлического цилиндра требует учёта влияния последнего на диаграмму направленности и проводимость излучения (рис. 2. 1. 1.).

Для тонких цилиндров диаграмма излучения близка к всенаправленной, с увеличением диаметра цилиндра теневой эффект возрастает. Для получения ненаправленной диаграммы в этом случае может быть примерно несколько синфазных щелей. Зависимость проводимости излучения продольной полуволновой щели на круговом цилиндре от диаметра последнего (параметр ma) представлена на рис. 2. 1. 2. При aпроводимость излучения стремиться к её значению для бесконечной плоскости = 1,03 ммо .

Влияние цилиндрической поверхности проявляется также в искажении фронта волны.

Устройство щели на образующей цилиндра: а)поперечной и б)продольной



Рис. 2. 1. 1.

Рис. 2. 1. 2.

Изменение фазы ш поля, измеренной на одинаковых расстояниях от оси цилиндра, в зависимости от угла ц показано на рис. 2. 1. 3. для ряда отношений =0,0318n, где n- целое число.

Диаграмма направленности продольной щели в плоскости, проходящей через ось цилиндра, при малых диаметрах цилиндра сохраняет форму восьмёрки. С возрастанием диаметра цилиндра задняя половина восьмёрки заметно уменьшается. Зависимость отношения максимума напряжённости поля, излучаемого в обратном направлении (ц = 180є) к напряжённости поля в переднем полупространстве (ц = 0є), от относительного размера диаметра цилиндра (kD) показана на рис. 2. 1. 4.

Проводящая цилиндрическая поверхность оказывает заметное влияние на резонансную длину и проводимость продольной щели. Объясняется это тем, что фазовая скорость волны, распространяющейся вдоль щели, как вдоль двухпроводной длинной линии, нагруженной проводящей поверхностью цилиндра, зависит от диаметра последнего. В длинной линии, шунтированной индуктивностью, фазовая скорость больше скорости света.

Зависимость фазы ш поля щели от угла ц:

Рис. 2. 1. 3.

Рис. 2. 1. 4.



2.2 Описание и обоснование выбранной конструкции

Возбуждение щелевой антенны может быть произведено различными способами. Так называемое распределённое возбуждение щели будет иметь место в случае, когда щели возбуждаются бегущей волной тока. В таком случае антенна представляет собой щелевую антенную решётку бегущей волны. Решёткой бегущей волны называется система излучателей, в которой каждые два соседних имеют токи, отличающиеся по фазе на угол:

Ф = оkd (2. 2. 1.),

где о - коэффициент укорочения волны в линии, k - волновое число, d - расстояние между излучателями.

При работе решётки бегущей волны на передачу, когда фазовая скорость равна скорости света, каждый последующий излучатель (щель) питается током с запаздыванием фазы на угол kd. При распространении волны вдоль линии в сторону нагрузки запаздывание фазы за счёт питания компенсируется опережением фазы за счёт разности хода лучей и в этом направлении поля складываются синфазно, образуя главный максимум диаграммы направленности. При распространении в любом другом направлении под углом ? запаздывание фазы за счёт питания не будет равно опережению фазы за счёт разности хода лучей, следовательно, в этих направлениях поля от отдельных вибраторов складываются в разных фазах и результирующее поле будет ослаблено.

Линия, питающая решётку бегущей волны, на конце замыкается на сопротивление, равное её волновому сопротивлению. Если этого не сделать, то от конца линии будет распространяться отражённая волна, которая вызовет увеличение обратного лепестка диаграммы направленности.

Множитель решётки бегущей волны определяется из формулы для множителя системы излучателей.

F (ц) = (2.2.2),

где n - число излучателей в системе; k - волновое число; d - расстояние между излучателями; - сдвиг по фазе между соседними излучателями.

Подставив в неё значение сдвига фаз за счёт питания из выражения (2.2.1) получаем:

F (ц) = * (2.2.3)

Когда фазовая скорость меньше скорости света (о >1) или равна скорости света (о = 1), максимум множителя решётки бегущей волны совпадает с осью расположения излучателей. Так как антенна щелевая, а щель излучает с максимальной интенсивностью перпендикулярно своей оси и не излучает вдоль оси, то максимум, соответственно, располагается перпендикулярно оси расположения излучателей. Отсчёт углов удобнее производить от оси решётки множитель решётки бегущей волны при отсчёте углов от оси решётки (нормированный) равен:

F (?) = (2.2.4)

Диаграмма направленности на плоскости имеет один главный лепесток.

Телевизионная щелевая антенная решётка бегущей волны состоит из отрезка цилиндра, в котором прорезаны четыре ряда прямоугольных щелей, возбуждаемых при помощи зондов. При таком питании распределение напряжения вдоль щели оказывается аналогичным распределению тока вдоль эквивалентной металлической антенны, когда на последнюю воздействует электрическое поле, совпадающее по структуре с магнитным полем, существовавшим на месте прорезания щели. При отсутствии зондов щели не возбуждаются, так как магнитное поле вдоль щелей равно нулю. При наличии зондов происходит следующее: под действием электрического поля в каждом зонде появляется ток. Магнитное поле этого тока имеет составляющую, направленную вдоль щели, что и обуславливает её возбуждение. Расположены зонды с одной стороны у каждой щели для возбуждения со сдвигом фаз.

Изменением глубины погружения зондов можно регулировать связь щелевых излучателей с питающей линией (рис. 2.2.1).

Щели чётных рядов смещены относительно нечётных вдоль оси на четверть средней длины волны. Расстояние между щелями в ряду равно длине волны.

Возбуждение щели при помощи зондов

Рис. 2.2.1.

Диаграмма направленности такой антенны зависит от распределения мощности между излучателями. Рассмотрим два случая: 1) когда связи между щелевыми излучателями с питающей линией одинаковы; 2) когда все щелевые излучатели возбуждаются одинаковыми амплитудами напряжения.

Обозначим отношение мощности, прошедшей в щелевые излучатели этажа, к мощности в линии через t и назовём его коэффициентом связи:

t = , (2.2.5)

где - мощность, излучаемая щелевыми излучателями этажа, - мощность высокочастотной энергии в линии в точке расположения этого этажа. Предположим, что для всех излучателей t одинаковы. Тогда для i - го этажа:

= t.

Остаточная энергия:

= - t , (2.2.6)

где N - число этажей антенны.

На рис. 2.2.2. приведены графики распределения мощности вдоль длины антенны, а на рис. 2.2.3 зависимость мощности в нагрузке . Как следует из графиков, более равномерное распределение мощности по длине антенны имеет место при более слабой связи, однако более высок уровень остаточной мощности, которая должна быть поглощена нагрузкой.

Рассмотрим другой случай - когда излучатели возбуждаются одинаковыми амплитудами напряжения. Поскольку этажи расположены через нечётное число четвертей волн и их связи с фидером слабы, можно считать, что отражённые от них волны компенсируются, то есть присутствует только падающая волна, мощность которой равна:

= ,

где - квадрат напряжения падающей волны; с - волновое сопротивление линии.

В первом от генератора этаже мощность:

= n ,

- входная проводимость щелевых излучателей первого этажа. На

Распределение мощности вдоль длины антенны

Рис. 2.2.2.

Зависимость мощности в нагрузке

Рис. 2.2.3 участке линии между первым и вторым этажами щелей мощность равна разности между и :



= - = (1 - ),

где = - нормированная проводимость первого этажа щелевых излучателей. Напряжение на этом же участке:

= (1 - ) .

Мощность в щелевых излучателях второго этажа:

= = (1 - ) .

И для этажа с номером n:

= . (2.2.7.)

При одинаковых амплитудах возбуждающего напряжения должно выполняться условие:

= ... = .

Тогда:

= (1 - ) = ... = . (2.2.8)

Сравним два последних члена произведения:

=.



Для излучения полной мощности от генератора в антенну необходимо, чтобы последний этаж щелей имел проводимость = 1, а

= .

Отсюда = . Продолжая рассуждения, получим:

= ,

= , 2.2.9

= =

При одинаковых напряжениях на щелевых излучателях их входные проводимости изменяются по экспоненциальному закону.

Щелевые излучатели, возбуждаемые зондами, вносят в фидер неоднородности.

Эквивалентная фазовая скорость распределения электромагнитной волны в фидере зависит от фазовой задержки, вносимой щелевыми излучателями. Фазовая задержка приводит к искажению формы диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости и изменению наклона главного лепестка. Поэтому при проектировании щелевых антенн бегущей волны необходимо учитывать изменение фазовой скорости волны. Определяется величиной связи щели с питающей линией, то есть глубиной погружения зонда.

Фазовые задержки оказывают влияние также на равномерность излучения антенны в горизонтальной плоскости.

Другой способ возбуждения щелевой антенны - сосредоточенное возбуждение, подразумевает подключение к противоположным краям щели проводников двухпроводной или центрального проводника и экранной оболочки коаксиальной линии с симметрирующим устройством, проложенной внутри цилиндра. Для обеспечения синфазности возбуждения всех щелей расстояние от точек присоединения главного фидера до любой щели должно быть одинаково или кратно л .

При таком способе питания щелевая антенна реализуется как синфазная эквидистантная линейная антенная решётка. Линейная, так как имеет место система щелевых излучателей, центры излучения которых расположены на прямой, называемой осью решётки.

В синфазной решётке при излучении энергии на большие расстояния в направлении, перпендикулярном линии расположения вибраторов, лучи от отдельных излучателей проходят одинаковые пути. Разность хода лучей в этих направлениях равна нулю, следовательно, поля отдельных излучателей складываются синфазно.

Множитель синфазной системы (решётки) может быть получен из общего выражения (2.2.2), если в нём принять = 0:

F (ц) = (2.2.10)

Полученное выражение представляет собой нормированный множитель синфазной решётки.

Множитель системы максимален при условии:

kdsin - ш = 0 (2.2.11)

При этом поля от всех элементов антенны в точке наблюдения, характеризуемой углом , имеют одинаковую фазу, так как сдвиг фаз из-за несинфазности возбуждения ш компенсируется пространственным сдвигом фаз:

= kdsinц

Из условия (2.2.11), получаем:

sin = . (2.2.12)

Таким образом линейный закон изменения фазы возбуждающего поля приводит к изменению направления максимального излучения. Это направление отклоняется от перпендикуляра к оси решётки на угол sin .

Так как излучение максимально в том направлении, в котором происходит взаимная компенсация сдвигов фаз ш и , то диаграмма направленности поворачивается обязательно в сторону отставания фазы возбуждающего тока.

Поворот диаграммы направленности, то есть управление ею путём изменения величины сдвига фаз ш, широко применяется.

Конструкция щелевой антенной решётки, обладающей описанными свойствами, несколько отличается от предыдущего варианта. Четыре ряда прямоугольных щелей, прорезанных в отрезке цилиндра, расположены строго параллельно без какого-либо смещения относительно друг друга.



3. Расчёт основных параметров и характеристик антенны

Антенны рассматриваемого типа могут применяться для передачи любого телевизионного канала дециметровых волн. Разрабатываемая антенна предназначена для работы на 24 телевизионном канале.

Расчёт основных параметров и характеристик я буду проводить в программах MathCAD14 и Excel 2014.

3.1 Расчёт размеров антенны

Выбранному каналу передачи соответствует полоса частот (494..502) МГц.

Приступая к расчёту антенны, опираясь на изложенный в предыдущих главах материал, определим значения средней длины волны:

= , (3.1.1)

где - соответственно нижняя и верхняя частоты диапазона.

= . (3.1.2)

Подставляя значения в (3.1.1) и (3.1.2), получим:

= = 489 МГц ;

= = 0,6 м .

В дальнейшем все геометрические соотношения определяются длинной волны канала.

Согласно техническому заданию, разрабатываемая антенна должна обеспечивать коэффициент усиления не менее 18 дБ (относительно полуволнового вибратора). По заданному коэффициенту усиления определим соответствующий коэффициент направленного действия:

G = , (3.1.3)

где - коэффициент направленного действия ; - коэффициент полезного действия антенны ; = 1,64 - коэффициент направленного действия эталонной антенны, относительно которой определяется коэффициент усиления, полупроводникового вибратора для нашего случая.

Принимая = 1, решаем (3.1.3) относительно :

= = 1,64 * 63,1 = 103,5 .

Относительно антенны определяется известными коэффициентом направленного действия и длиной волны из отношения:

= (7..8) . (3.1.4)

Решая (3.1.4) относительно , получаем:

= = = 10 м .

Относительная длина щели:

= 0,5 ,

то есть щель полуволновая.

Относительное расстояние между щелями:

= 1 ,

таким образом щели соседних этажей разнесены относительно друг друга на расстояние, равное длине волны.

В соответствии с техническим заданием и полученными данными, разрабатываемая антенна должна иметь шестнадцать этажей.

Диаметр отрезка цилиндра, в котором прорезаны щели, примем равным половине длины волны.

Далее рассмотрим в отдельности каждый из способов реализации возбуждения антенны.

3.2 Щелевая антенная решётка бегущей волны

Возбуждая щели бегущей волны и при соответствующем расположении возбуждающих зондов вдоль щелей, обеспечиваем переменно - фазное питание антенны. Что позволяет получить лучшее согласование в широкой полосе частот.

Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости формируется двумя соседними этажами щелевых излучателей, разнесённых на расстояние, равное четверти длины волны. Щели соседних этажей развёрнуты относительно друг друга в азимутальной плоскости на 90є, поэтому в проекции на горизонтальную плоскость имеем четыре щелевых излучателя, которые возбуждаются напряжением с фазовым распределением: 0є; -90є ; 0є; -90є , которое соответствует установке возбуждающих зондов с одной и той же стороны у всех щелей. Данное распределение позволяет улучшить равномерность излучения антенны и получить диаграмму направленности близкую к круговой.

Характеристика направленности щелевой антенной решётки бегущей волны в горизонтальной плоскости рассчитывается по формуле:

Е(ц) = , (3.2.1)

где = , (3.2.2)

= (3.2.3)



характеристики направленности отдельных щелевых излучателей, излучающих в перпендикулярных направлениях;

= kR ( ) + 0,5П (3.2.4)

сдвиг по фазе, обусловленный разностью хода волн (опережением).

= = 2П * = 360 * 0,25 = 90є.

Расчёт характеристики направленности антенны в горизонтальной плоскости по (3.2.1), (3.2.2), (3.2.3) и (3.2.4) сведён в таблицу 3.1.

Величина неравномерности излучения из неравенства соответствует требованию (рис. 3.2.1.):

>= 0,7.

Расчёт диаграммы направленности в горизонтальной плоскости

ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ РБВ в горизонтальной плоскости

Расчёт диаграммы направленности производим в интервале углов ц = (0є..90є), так как в дальнейшем она повторяет свою форму.

Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости не должна иметь провалов до нуля между главным и боковым лепестками, а её максимум должен быть наклонён к земле на некоторый угол (2є..3є).

Диаграмма рассчитывается по следующей формуле:

F(?) = (?) * (ц) , (3.2.5)

где первый множитель характеризует направленные свойства решётки бегущей волны; второй множитель характеризует направленные свойства одиночного щелевого излучателя.

По формулам (2.2.4) и (3.2.3) выражение принимает вид:

F (?) = * .

Расчёт выполнен в программе MathCAD14 (прил. 1). Результаты сведены в таблицу 3.2 (рис. 3.2.2.)

Для расчёта коэффициента укорочения волны в антенне примем равным 1,01. В таком случае максимум излучения соответствует = 90є.

Для обеспечения нужного угла наклона диаграммы направленности необходимо произвести расфазировку верхних этажей антенны. Что осуществляется изменением глубины погружения возбуждающих зондов.

На конце антенны помещён короткозамыкающий поршень. Его перемещением добиваются того, чтобы последний этаж щелей имел проводимость равную единице, для излучения полной мощности от генератора в антенну, для поддержания режима бегущей волны.

С этой же целью щели чётных рядов смещены относительно нечётных вдоль оси на четверть средней длины волны. Волна, идущая наверх, отражается от соседних по высоте щелей, это создаёт сдвиг фаз отражённых волн в 180є. Волны компенсируют друг друга, обеспечивая режим бегущей волны.

Расчёт диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Рис. 3.2.2.

Оценим направленные свойства рассчитанной конструкции, определив коэффициент направленного действия антенны. Диаграмма направленности в нашем случае не зависит от угла ц. Так как максимум излучения перпендикулярен оси симметрии, то пользуемся формулой:

= , (3.2.6)

где - рассчитываемая диаграмма направленности.

Рассчитан коэффициент направленного действия на ЭВМ.

Принимаются во внимание значения КНД, рассчитанные в плоскостях и . При этом КНД всей антенны рассчитывается по формуле:

= . (3.2.7)

КНД в горизонтальной плоскости равен приблизительно единице, так как диаграмма близка к круговой.

В вертикальной плоскости коэффициент направленного действия равен по (3.2.6)

= 11276.

Отсюда согласно (3.2.7) получаем:

= = 106,2.

Тогда из формулы (3.1.3) коэффициент усиления антенны:

.

Полученное значение удовлетворяет техническому заданию.

Эскиз конструкции приведён на рисунке 3.2.3.

Щелевая антенная решётка бегущей волны

Рис. 3.2.3.



3.3 Возбуждение антенны с помощью системы фидеров

антенна фидер щелевой конструкция

В данном случае возбуждение антенны осуществляется непосредственным поведением отрезков питающей линии к щелям.

Для удобства рассмотрения антенна развёрнута в плоскости (рис. 3.3.1). Согласование щелевых излучателей со схемой питания осуществляется с помощью четвертьволновых трансформаторов. Волновое сопротивление линии, образующей трансформатор, подсчитывается по формуле:

, (3.3.1)

где - сопротивление на выходе трансформатора, подлежащее трансформации; - требуемое сопротивление со стороны входа трансформатора. Трансформатор обеспечивает эффективное согласование в полосе частот +- 20% от средней частоты.

Рассмотрим схему питания для двух рядов щелей. Для двух других рядов схема изображается и рассчитывается аналогично.

Схема питания и согласования

Рис. 3.3.1.



Первое сопротивление, подлежащее трансформации, представляет собой параллельное соединение четырёх щелевых излучателей, каждый из которых имеет сопротивление приблизительно 500 Ом, то есть

= = 125 Ом .

Как видно из схемы, две пары параллельно включенных щелей соединены так же параллельно с двумя парами аналогично включённых нижележащих излучателей, и так по всей длине антенны. Образованные таким образом системы опять соединяются попарно - параллельно. Два получившихся блока после параллельного опять же соединения подсоединяются к основной питающей линии - коаксиальному фидеру с волновым сопротивлением равным 75 Ом. Для согласования на каждом участке соединения применим согласующие устройства - трансформаторы сопротивлений. По формуле (3.3.1) определим необходимые величины волнового сопротивления трансформаторов:

= = 177 Ом;

= = 194 Ом .

Рассчитаем размеры двухпроводных фидеров, при помощи которых осуществляется возбуждение антенн.

Волновое сопротивление симметричного двухпроводного фидера:

, (3.3.2)

где - расстояние между проводниками, - диаметр проводников.

Примем = 3 мм, исходя из величины мощности передаваемой по фидеру, которая задана в техническом задании.

Зная волновые сопротивления, и решая (3.3.2) относительно , получаем:

= 13 мм ,

для = 250 Ом;

19 мм ,

для = 300 Ом;

6 мм ,

для = 150 Ом.

Как уже было сказано в главе 2, при осуществлении такого способа возбуждения антенны она реализуется, как синфазная эквидистантная линейная антенная решётка.

Характеристика направленности такой антенны в горизонтальной плоскости рассчитывается по формулам (3.2.1), (3.2.2) и (3.2.3). Сдвиг по фазе в случае синфазного питания:

?ш = kd ( . (3.3.3)

Рассчитанная диаграмма удовлетворяет всем требованиям по форме и величине неравномерности излучения (рис 3.3.2) .

Диаграмма направленности синфазной антенной решётки в горизонтальной плоскости

Рис. 3.3.2.



Диаграмма направленности в вертикальной плоскости рассчитывается по формуле:

, (3.3.4)

где - множитель синфазной решетки; - множитель, характеризующий направленные свойства одиночного щелевого излучателя.

= - так как полуволновая щель из принципа двойственности по форме диаграммы направленности эквивалентна полуволновому вибратору.

Согласно формул (2.2.10) и (3.2.3), выражение (3.3.4) принимает вид:

F (?) = * .

Расчёт выполнен в программе MathCAD14.

Как уже было говорено в главе 2, изменения направления максимального излучения можно достичь, изменяя фазу возбуждающего поля. Необходимый наклон (2..3)є достигается тем, что каждый следующий по высоте этаж антенны питается с опережением фазы.

Для направления максимального излучения под углом = (2..3)є необходимо, чтобы в этом направлении сдвиг фазы k?r, обусловленный разностью хода лучей (?r), был скомпенсирован сдвигом фаз за счёт питания ?ш (рис 3.3.3.).

?ш = k?r = kd , (3.3.5)

где d - расстояние между соседними этажами антенны.



?ш = є = 18,8є.

Полученное значение показывает, что для обеспечения наклона направления максимального излучения необходимо питать верхние этажи антенны со сдвигом фазы по линейному закону на 18,8є.

С этой целью нужно рассчитать, как сместится точка присоединения питающей линии на определённом отрезке фидера относительно его середины.

Так как d = = 2л =1,2 м ,

где и - расстояния от середины отрезка фидера.

К наклону диаграммы направленности

Рис. 3. 3. 3.

Диаграмма направленности линейной антенной решётки



Рис. 3. 3. 4.

= = 0, 584 м ,

= = 0, 615 м .

В результате наклон диаграммы направленности составил почти 2є градуса (рис. 3.3.4).

Коэффициент направленного действия антенны не зависит от угла наклона максимума излучения. КНД линейной решётки можно рассчитать по формуле:

, (3.3.6)

где - ширина диаграммы направленности по половинной мощности, рад.

Из диаграммы (рис. 3.3.4):

= 2,8є = 0,048 рад .

Отсюда:

50 ,

тогда коэффициент усиления такой антенны получается порядка 18 дБ.

3.4 Выбор фидера и расчёт его параметров

На телевизионных центрах антенны располагаются на высоких мачтах или башнях, при этом передающая аппаратура может быть установлена вблизи основания мачты. В этих условиях антенна соединяется с передатчиком посредством линии, называемой фидером.

В дециметровом диапазоне, для работы в котором предназначена разрабатываемая антенна, в качестве фидеров применяются коаксиальные линии.

В нашем случае выбираем гибкий коаксиальный радиочастотный кабель со сплошной изоляцией марки РК 75-24-18.

Волновое сопротивление коаксиального фидера:

= ,

где - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

а - коэффициент заполнения фидера диэлектриком.

Гибкий коаксиальный кабель имеет сплошное заполнение (а = 1) внутреннего пространства диэлектриком.

Волновое сопротивление в таком случае равно:

= . (3.4.1)

В нашем случае

= 24 мм - диаметр по изоляции,

= 4 мм - диаметр внутреннего проводника,

= 1,52 - диэлектриков служит полистирол.

Подставляя значения в (3.4.1), получаем:



= = 75 Ом .

Длина волны в нашем фидере

= . (3.4.2)

Имеем = = 0,4 м .

Активное сопротивление фидера на единицу длины, обусловленное потерями в металле:

= [(] , Ом/м . (3.4.3)

Подставляя имеющиеся значения, получаем:

= [(] = 0,56 Ом/м,

где и - в миллиметрах, - в метрах.

Коэффициент затухания фидера рассчитывается следующим образом:

б = , (3.4.4)

где - сопротивление потерь из (3.4.3).

б = = 0,0038.

Коэффициент полезного действия согласованного фидера:

= , (3.4.5)

где (м) - длина фидера, заданная техническим заданием. Отсюда:

= = 0,32 .

Эффективное значение напряжения в максимуме на фидере:



= , (3.4.6)

где -мощность, подводимая к фидеру, равная, согласно техническому заданию 2 кВт; - коэффициент бегущей волны в фидере, также заданный, равен 0,85 .

= = 420 В.

Кабель рассчитан на максимальное напряжение = 25 кВ .

Таким образом, требования электрической прочности соблюдены.

Разрабатываемая антенна является симметричной. При питании антенны несимметричной фидерной линией (коаксиальный кабель), кроме согласования сопротивлений, необходимо выполнить симметрирование. Непосредственное подключение коаксиальной линии к симметричной системе приводит к затеканию токов высокой частоты на внешнюю поверхность наружного проводника кабеля. Эти токи являются источником паразитного поля излучения с вертикальной поляризацией.

В качестве симметрирующего устройства применим симметрирующий стакан. Коаксиальная линия длинной 0,25л, замкнутая на одном конце, имеет очень большое входное сопротивление. В симметрирующем устройстве такой отрезок линии образуется наружным проводником коаксиальной линии и одетой на неё металлической трубкой (рис. 3.4.1.), на одном нижнем конце трубка припаяна к оболочке (экрану) кабеля. Симметричная антенна подключается к внешнему и внутреннему проводникам коаксиальной линии.

Симметрирующий стакан



Рис. 3.4.1.

Большое входное сопротивление препятствует затеканию токов высокой частоты на внешнюю поверхность наружного проводника коаксиального кабеля.

Согласование антенны с фидером в данном симметрирующем устройстве достигается при равенстве волнового сопротивления фидера входному сопротивлению антенны.



4. Обеспечение безопасности труда

При разработке дипломного проекта была в полной мере была обеспечена безопасность жизнедеятельности труда. Осуществляется она следующим образом:

путем устранения или

уменьшения ОВФ РС и ТП в источнике возникновения, на пути распространения;

повышения приспосабливаемости конструктора, путем его обучения основам;

безопасности, экологичности жизнедеятельности и применения средств индивидуальной защиты (СИЗ).

Нормы и требования к ОВФ РС и ТП содержатся в ГОСТах системы стандартов безопасности труда (ССБТ), в санитарных нормах (СН), в отраслевых стандартах охраны труда (ОСТ), в санитарных правилах и нормах (СанПиН), в гигиенических нормах (ГН), в строительных нормах и правилах (СНиП) и в некоторых других нормативных актах охраны труда.

4.1 Наличие опасных и вредных факторов

Опасность - это явления, процессы, события в системе «человек - среда обитания», способные причинять ущерб живой и неживой материи и обусловленные энергетическим состоянием среды и действиями человека. Ущерб в настоящее время трактуется не только как вред жизни или здоровью человека, но и как потери (убытки) в производственной и непроизводственной сфере жизнедеятельности, вред окружающей природной среде, исчисляемые в денежном эквиваленте.

По происхождению различают 6 групп опасностей: природные, техногенные, антропогенные, экологические, социальные, биологические.

По характеру воздействия на человека опасности делятся на 4 группы:

- физические;

- химические;

- биологические;

- психофизиологические.

В ходе дипломного проектирования для обеспечения безопасности труда, следует обратить внимание на следующие факторы:

Физические опасные и вредные производственные факторы:

- повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны;

- повышенная или пониженная температура поверхностей оборудования, материалов;

- повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны;

- повышенный уровень шума на рабочем месте;

- повышенный уровень вибрации;

- повышенный уровень инфразвуковых колебаний;

- повышенный уровень ультразвука;

- повышенное или пониженное барометрическое давление в рабочей зоне и его резкое изменение;

...