Синфазная антенна продольного тока для радиолинии мобильной связи в диапазоне 900 МГц

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт радиотехнических систем и управления

Кафедра антенн и радиопередающих устройств

Синфазная антенна продольного тока для радиолинии мобильной связи в диапазоне 900 МГц

Выполнили студенты гр. РТбо2-27

Жувако В.С.

Давиденко С.А.

Проверил к.т.н., доц. Семенихин А.И.

г. Таганрог, 2019

Содержание работы

Введение

1. Общие сведения о проектируемой радиолинии

1.1 Назначение и состав радиолиний мобильной связи

1.2 Сведения о применяемых антеннах и их параметрах

2. Поле модели передающей антенны в свободном пространстве

2.1 Постановка задачи возбуждения ЭМ поля прямолинейным синфазным излучателем с продольным током в режиме излучения поля вертикальной поляризации без учёта влияния земли

• 2.2 Решение задачи возбуждения поля в свободном пространстве
• 3. Расчёт характеристик передающей антенны в свободном пространстве
• 3.1 Определение нормированной ХН передающей антенны и расчет ДН передающей антенны
• 3.2 Расчет коэффициента направленного действия
• 3.3 Расчет мощности излучения
• 4. Поле модели передающей антенны над земной поверхностью
• 4.1 Постановка граничной задачи возбуждения поля (в условиях прямой видимости, с учетом влияния земной подстилающей поверхности и нормальной тропосферной рефракции)
• 4.2 Решение граничной задачи возбуждения поля
• 5. Проектирование радиолинии с учетом влияния земной поверхности и тропосферы
• 5.1 Расчет зависимости поля антенны и мощности на входе радиоприемника от длины радиолинии. Оценка дальности радиосвязи
• 5.2. Рассчитать и построить зависимость поля антенны от усредненного угла наблюдения с учетом влияния земли
• 5.3. Расчёт зависимости мощности на входе радиоприемника от высоты подвеса приемной антенны
• 5.4 Рекомендации (подраздел 5.4) по выбору КНД и высот подвеса антенн, чувствительности радиоприемника, мощности радиопередатчика
• Заключение
• Список используемой литературы

Введение

Цели данной курсовой работы:

1)Получить навыки проектной деятельности в области электродинамики, антенн, распространения радиоволн и расчета радиолиний;

2)Закрепить готовность выполнять расчет и проектирование устройств излучения и приема радиоволн в соответствии с Техническим заданием, в частности, расчет и проектирование радиолиний Wi-Fi, WiMAX, TV- и FM- вещания Телерадиоцентра ИТА ЮФУ с учетом влияния земной поверхности и тропосферы;

3)Развить способность осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования устройств излучения и приема радиоволн; развить навыки самостоятельной работы с соответствующей научно-технической и справочной литературой;

4)Приобрести навыки оформления технической документации.

Задачи данной курсовой работы:

1)Закрепить постановку и решение задач возбуждения ЭМ волн заданными элементарными излучателями, системами излучателей, моделями прямолинейных антенн продольного и поперечного излучения, моделями апертурных (поверхностных) антенн поперечного излучения; закрепить закономерности излучения ЭМ волн этими антеннами, закрепить свойства плоских и сферических ЭМ волн;

2)Освоить методы расчета характеристик (с элементами проектирования) прямолинейных и апертурных антенн (расчет напряженности поля, ДН, мощности излучения, КНД, оптимальных параметров антенн);

3. Закрепить постановку и решение граничной задачи возбуждения ЭМ волн над земной подстилающей поверхностью, закрепить основные явления при отражении, дифракции и интерференции радиоволн;

4)Освоить инженерные методы проектирования наземных радиолиний малой и средней протяженности с учетом влияния земной поверхности и тропосферы;

5)Получить навыки применения уравнения радиосвязи при расчете энергетических параметров радиолинии, выборе КНД антенн, чувствительности радиоприемника, мощности радиопередатчика, оценке дальности радиосвязи.

Общие сведения по тематике проекта:

Радиолиния - это средство электросвязи с определенными характеристиками, обеспечиваемой между двумя точками с помощью радиоволн. В радиолиниях связи средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли.

Линия может состоять из двух оконечных станций. Типичным примером таких радиолиний являются линии сетей передачи сообщений массового характера (сети телевизионного и радиовещания). Радиолиния может содержать несколько промежуточных станций. Так строятся линии радиорелейных систем передачи.

Системы радиосвязи имеют сложную классификацию.

1. По виду используемой радиолинии: прямой видимости, тропосферные, ионосферные, космические и системы радиорелейной связи.

2. По протяженности: линии глобальной (в пределах земного шара), дальней (от 3000 до 10000 км), средней дальности (от 400...500 км до 3000 км) и ближней связи (до 500км).

3. По диапазону частот: очень низкие (3 - 30 кГц), низкие (30 - 300 кГц), средние (300 - 3000 кГц), высокие (3 - 30 МГц), очень высокие (30 - 300 МГц), ультравысокие (300 - 3000 МГц), сверхвысокие (3 - 30 ГГц), крайневысокие (30 - 300 ГГц), гипервысокие (300 - 3000 ГГц).

4. По используемому механизму.

1.Общие сведения о проектируемой радиолинии

1.1 Назначение и состав радиолиний мобильной связи

Радиолиния - совокупность средств связи, антенно-фидерных устройств, участвующих в приеме-передаче информации, а также физическая среда, в которой происходит распространение сигналов от пункта передачи к пункту приема. В подавляющем большинстве случаев средой распространения электромагнитных волн является атмосфера Земли. Данный тип линии называется радиолинией прямой видимости (или однопролетной радиолинией). Наземные радиолинии такого типа включают передающее устройство с антенной, удаленный на некотором расстоянии приемник с антенной и среду передачи (атмосферное пространство). В нашем случая радиолиния является двухсторонней и обеспечивает передачу информации от базовой станции к приемнику и обратно. Для двухсторонней передачи необходимо, чтобы приемное и передающее устройства менялись местами. Комплект, включающий в себя приемник, передатчик, модулятор и демодулятор называется радиостанцией. Работа передающего и приемного устройств обычно осуществляется на двух частотах - приемной и передающей (если смотреть с одной из точек размещения радиостанций).

Мобильная радиосвязь -- это радиосвязь между абонентами, местоположение которых может меняться.

Рисунок 1.1 - Основные составляющие системы сотовой связи

синфазная антенна мобильная радиосвязь

Качество приема сигналов систем мобильной связи (СМС) во многом зависит от качества используемых антенн. Это сравнимо с приемом эфирных сигналов наземного телевизионного вещания (НТВ).Именно коэффициент усиления антенны (G) в основном определяет отношение сигнал/шум (S/N - Signal/Noise). А именно от параметра S/N в основном и зависит «дальнобойность» приемной системы. Помимо приемной антенны, этот параметр зависит также и от выбранного частотного диапазона и от коэффициента шума репитера.

В системах сотовой связи используются следующие типы антенн:

1) Панельные секторные антенны беспроводной связи

Применительно к внутренним антеннам их используют в качестве секторных антенн, для организации покрытия в определённой зоне. Применительно к базовым станциям (БС), антенна представляет собой набор диполей расположенных вертикально в два ряда. Обычно столбцы находятся в левой и правой части антенны, что обеспечивает эффект пространственного горизонтального разнесения. С целью улучшения сигнала возможно применение поляризационного разнесения. Этого можно достигнуть в том случае если сигнал от БС принимается через две антенны имеющих разную поляризацию диполей.

2) Всенаправленные антенны беспроводной связи

Основной особенностью является то, что у такой антенны отсутствует приоритетное направление сигнала. Излучение происходит равномерно во все стороны, поэтому антенна обладает круговой диаграммой направленности. Часто такие антенны называют штыревыми, т.к. конструктивно она представляет собой металлический стержень, спрятанный в пластиковый корпус. Длина металлического штыря определяет резонансную длину волны (частоту), на которой данная антенна обладает максимальным коэффициентом усиления.

3) Параболические антенны для радиорелейных РРЛ пролетов и спутниковой связи

Основной областью их применения является организация транспортных каналов для базовой станции (БС). Как правило, они используются в радиорелейных линиях (РРЛ), связи гораздо реже - в спутниковых. Однако и в том, и другом случае принцип работы остается неизменным. Параболическая антенна состоит из двух основных элементов: зеркало параболической формы и излучатель на некотором расстоянии от зеркала, который передает и принимает излучаемый сигнал. Принцип работы параболической антенны основан на том, что все лучи попадающие на зеркало фокусируются в единой точке - фокус параболы, где располагается приемник сигнала. В тоже время все излученные из фокуса лучи будут передаваться в едином направлении. Главной особенностью параболической антенны является игольчатая диаграмма направленности, характеризуемая длинным и узким основным лепестком.

3) Логопериодические антенны для репитеров

Главной их особенностью является возможность принимать и передавать сигнал в определенном направлении в широком диапазоне частот. Логопериодические антенны широко используются в бытовых целях в качестве антенны для приема телевизионного сигнала. В сотовой связи антенны этого типа нашли применение в качестве донорных антенн при строительстве репитеров, т.к. она может принимать сигнал сразу нескольких частотных диапазонов, например, 900, 1800 и 2100 МГц. Диаграмма направленности логопериодической антенны представляет собой нечто среднее между широкой диаграммой панельной антенны и игольчатой - для параболической.

1.2 Сведения о применяемых антеннах и их параметрах

Антенны в значительной степени определяют работоспособность радиолиний. Они наиболее подвержены неблагоприятному воздействию окружающей среды. Поэтому вопросы надежности антенн являются одними из определяющих.

Антенны сотовой и беспроводной Wi-Fi, WiMAX связи выпускаются для работы во всех стандартах NMT-450, AMPS, GSM900/1800, CDMA, DECT, 3G, 802.11.a,b,g, 802.16. Здесь наиболее распространенными являются всенаправленные (OMNI) и направленные панельные (Panel) антенны. Ведущие мировые производители АФУ предлагают сегодня антенны БС для любых стандартов и частотных диапазонов, в том числе и для действующих в настоящее время в РФ сетей GSM900/1800/1900, UMTS, сети которого будут, как правило, базироваться на действующих сетях GSM.Эти антенны работают как на открытом воздухе (outdoor), так и в закрытых помещениях (indoor). В зависимости от решаемой задачи по организации покрытия проектировщики сетей используют всенаправленные (omni) и секторные антенны с вертикальной поляризацией (Vpol) или с наклонной кросс-поляризацией (Xpol). Они могут быть однодиапазонные и двухдиапазонные, трехдиапазонные и широкополосные.

В нашем техническом задании передающая антенна - прямолинейный синфазный равноамплитудный излучатель с продольным электрическим током вертикальной поляризации.

Линейной излучающей системой называют систему из одинаковых источников электромагнитного поля, называемых элементами, распределенных непрерывно или дискретно в пространстве. Примерами таких систем являются прямолинейный провод с электрическим током (как в техническом задании), протяженная щель в плоском экране с напряжением, приложенным между её краями, система одинаковых вибраторов, центры которых расположены на прямой линии и пр. Продольный размер такой излучающей системы произволен, а поперечные размеры чаще всего малы или соизмеримы с длиной волны. Парциальные диаграммы направленности элементов системы предполагаются одинаковыми, что означает равенство законов распределения излучающих токов внутри каждого элемента.[4]

Слово «синфазный» в техническом задании означает, что фаза волны тока не изменяется по всей длине излучателя.

Вертикальная поляризация означает, что электрическое поле будет колебаться в вертикальной (по отношению к земле) плоскости.

Согласно техническому заданию приемная антенна - несимметричный штырь. Несимметричными (штыревыми) называют антенны, представляющие собой штырь и эквивалентные половине симметричного вибратора.

Параметры антенн:

Все антенны имеют ряд характеристик, которые определяют область их применения и используются при разработке систем. Ниже представлены основные характеристики антенн:

1)Диапазон рабочих частот является самым первым параметром, на который обращают внимание при выборе антенны. По определению рабочий диапазон частот - это интервал частот, в пределах которого наблюдается изменение мощности принимаемых сигналов не более чем в два раза (3 дБ). В пределах рабочего диапазона частот должны выдерживаться все заявляемые параметры. 890-960 МГц - частоты GSM-900. Это самый первый частотный диапазон, с которого началось освоение систем мобильной связи (СМС).

2)Коэффициент усиления антенны (G)- показывает, во сколько раз нужно увеличить подводимую мощность при переходе от изотропной антенны к данной, чтобы их поля совпали.

3) Коэффициент направленного действия - этот коэффициент описывает направленность излучения и показывает, во сколько раз модуль вектора Пойнтинга волны в данном направлении больше его среднего значения по всем направлениям.

4) Поляризация- описывает изменения ориентации и величины вектора напряженности электрического поля волны E(p,t) с течением времени t в точке наблюдения p.

5)Характеристика направленности - зависимость напряженности поля излучения от угла наблюдения в дальней зоне.

6) Диаграмма направленности - это графическое изображение характеристики направленности.

Рисунок 1.2 - Диаграмма направленности

7) Чувствительность радиоприемника -это минимальный уровень, для заданного качества связи, входящего сигнала, который способно принять устройство. От этой величины зависит, насколько слабые сигналы приемник сможет расшифровать (демодулировать).

2. Поле модели передающей антенны в свободном пространстве

• 2.1Постановка задачи возбуждения поля в свободном пространстве
• Будем считать, что линейный излучатель расположен в неограниченном однородном изотропном пространстве. Задача состоит в том, чтобы найти напряженность электрического и магнитного полей в точке наблюдения.
• Введем ДСК и ССК и расположим прямолинейный синфазный равноамплитудный излучатель длиной(где л - длина волны в свободном пространстве) с продольным током вертикально вдоль оси ОZ ДСК и совместим центр излучателя с центром ДСК. Вектор стороннего тока будет иметь только компоненту . Математическая модель излучателя - вертикальная нить тока, где электрический ток в каждой точке излучателя направлен параллельно относительно оси излучателя.
• Рисунок 1.3 - Прямолинейный излучатель в ДСК и ССК
• ZoY - вертикально-продольная плоскость (угол фи равен 90 градусов, угол тета меняется)
• Для возбуждения ЭМ поля вертикальной поляризации направим ток вдоль оси Oz.
• Ток будет иметь только компоненту I_z, которая направлена продольно по отношению к оси излучателя.
• Тогда в ДСК можно записать комплексные амплитуды объемной плотности стороннего тока по нити:
• ,
• где - дельта функция Дирака, L - длина излучателя,
• в₀ - коэффициент распространения волны тока вдоль излучателя,
• поскольку у нас синфазный излучатель, то в₀ = 0.
• 2.2 Решение задачи возбуждения поля в свободном пространстве
• По условию технического задания прямолинейный синфазный излучатель имеет длину L = 3л, амплитуда продольного электрического тока = 1,5 А.
• Введем в точке наблюдения pэлектрический векторный потенциал искомого ЭМ поля нити. Комплексную амплитуду можно найти с помощью функции Грина свободного пространства, вычисляя интеграл по области источника V`.
• (2.1)
• где = , а - координаты точки q наизлучателе.
• - расстояние между точками p (точка наблюдения) и q (точка на излучателе)в ССК.
• Так как все точки излучателя имеют одинаковые координаты (x) и(y), то R_pqпринимает следующий вид:
• ,(2.2)
• где R - расстояние от начала координат до точки p.
• Переходя к ССК, видим, что, т.к. , то
• (2.3)
• В дальней зоне (R > ?) величина оказывается второго порядка малости ( ,R >?) и ею можно пренебречь. Далее по формуле получаем:
• (2.4)
• Из этого следует, формула для векторного потенциала примет следующий вид:
• (2.5)
• Теперь, когда мы упростили и нашли векторный электрический потенциал, можем найти напряженность магнитного поля из самого определения векторного потенциала:
• (2.6)
• Таким образом, находим составляющие поля, подставляя векторный потенциал
• (2.7)
• Следовательно, вектор напряженности магнитного поля имеет только одну составляющую .
• Далее, раскрывая векторный потенциал, дифференцируя под интегралом и учитывая дальнюю зону, получаем:
• (2.8)
• Теперь можно получить составляющие вектора Е из первого уравнения Максвелла:
• (2.9)
• ,
• где W- характеристическое сопротивление среды.
• (|k|R>?)
• Таким образом, в дальней зоне электрическое поле содержит единственную составляющую , связанную с единственной составляющей через характеристическое сопротивление пространства. Значит, векторы Е и Н в дальней зоне взаимно перпендикулярны и каждый из них перпендикулярен орту i_R[4].
• 3.Расчет характеристик передающей антенны в свободном пространстве
• 3.1 Расчет характеристики направленности и построение ДН
• Найдем характеристику направленности (ХН), её можно выделить из формулы (2.8):
• (3.1)
• где - ХН одного элемента, а второй множитель (большая дробь) - множитель направленности.
• Диаграмма направленности (ДН) - это график модуля ХН. Изобразим ДН передающей антенны в плоскостях ССК:
• Рисунок 3.1 - ДН в вертикально-продольной плоскости (плоскости y0z)

• Рисунок 3.2 - ДН в горизонтальной плоскости (плоскости х0у)
• Исследование влияния длины излучателя на диаграмму направленности при изменении L от л до 6л с шагом л:
• Рисунок 3.3 - Зависимость характеристики направленности антенны от длины излучателя ввертикально-продольной плоскости (плоскости y0z)
• Рисунок 3.4 - Зависимость характеристики направленности антенны от длины излучателя ввертикально-продольной плоскости (плоскости y0z) в ДСК

• Рисунок 3.5 - Зависимость характеристики направленности антенны от длины излучателя в горизонтальной плоскости(плоскости х0у)
• Рисунок 3.6 - Зависимость характеристики направленности антенны от длины излучателя в горизонтальной плоскости(плоскости х0у) в ДСК
• По графикам видим, что для характеристики направленности в вертикально-продольной плоскости (плоскости y0z) с увеличением длины излучателя главный лепесток становится уже, а уровень боковых лепестков начинает возрастать относительно главного. Характеристика направленности в горизонтальной плоскости (плоскости х0у) не зависит от длины излучателя.
• 3.2 Расчет коэффициента направленного действия
• Найдем коэффициент направленного действия (КНД) в направлении главного лепестка передающей антенны, будем искать по формуле:
• 6,433 (3.2)
• Где(3.3) - нормированная на максимум ХН.
• Следует проверить свои расчёты для , для этого воспользуемся второй формулой:
• ,
• где
• [Вт/м²]- вектор Пойнтинга в направлении главного лепестка
• [Вт/м²]- вектор Пойнтинга ненаправленной антенны
• = 6,433
• КНД по обеим формулам совпало.
• С помощью формулы (3.2) найдем зависимость КНД от длины излучателя:
• Рисунок 3.7 - зависимость КНД от длины излучателя
• Видно, что с ростом длины излучателя, его коэффициент направленного действия также растет.
• 3.3 Расчет мощности излучения
• Следующим шагом найдем мощность излучения по формуле:
• 1863[Вт](3.4)
• Где - средняя мощность излучения во все пространство за период колебаний
• R - расстояние (10000 м)
• W-характеристическое сопротивление (120р)
• 4. Поле модели передающей антенны над земной поверхностью
• 4.1 Постановка граничной задачи возбуждения поля (в условиях прямой видимости, с учетом влияния земной подстилающей поверхности и нормальной тропосферной рефракции)
• Рисунок 4.1 - Обобщённое изображение радиолинии
• Для расчета ЭМ полей на радиотрассе с учетом влияния земли обычно используют простые математические модели.
• В моделях земных радиотрасс с высоко поднятыми антеннами полагают, что передающая антенна расположена в точке qна высоте h1 > л над поверхностью земли, приемная антенна - в точке р на высоте h2 > л, где л - длина волны в свободном пространстве. (Рис. 4.1 - 4.2) Причем в точке q располагают так называемый энергетический центр антенны, из которого как бы излучается поперечная сферическая волна, наблюдаемая в точке р.
• Земную поверхность считают однородной и достаточно гладкой, т.е. удовлетворяющей критерию Релея.
• Тропосферу полагают слабо неоднородной средой без потерь, в которой показатель преломления незначительно отличается от единицы.
• Явление рефракции на радиотрассе учитывают приближенно, т.е. считают, что луч распространяется по прямой линии, но не над Землей с радиусом 6370 км, а над некоторым шаром с эквивалентным радиусом таким, чтобы выпрямленный луч проходил над шаром на тех же высотах, что и криволинейный луч над реальной Землей. [3]
• Заданные в ТЗ параметры радиотрассы: R = 10000 м, h1 = 5м, H1 = 16 м, h2 = 8м
• Для нормальной тропосферы эквивалентный радиус Земли R_экв= 8500 км. Поэтому расстояние прямой видимости между антеннами увеличивается:
• 30,56 [км](4.1)
• В современных телекоммуникационных системах широкое применение находят радиотрассы с высоко поднятыми антеннами, расстояние между которыми находится в пределах прямой видимости R_qp< 0.8R₀.Принято выделять 2 модели таких радиотрасс:
• В первой модели R_qp< 0.2R₀ поверхность Земли можно считать локально плоской. Вторая модель 0.2R₀<R_qp<0.8 R₀ условно описывает радиотрассы средней протяженности и применима, если поверхность Земли не попадает в первую зону Френеля вблизи линии qp. [3]
• Во второй модели сферичность земли учитывают приближенно. Полагают, что зеркальный луч q0p отражается от существенного участка земной поверхности в окрестности точки отражения как от плоскости, касательной к поверхности Земли. Тем самым вторую модель сводят к первой. Это делаю, вводя приведенные высоты - перпендикуляры от точекpи qк касательной плоскости к поверхности Земли. Сначала нужно найти расстояние между точками pи q:
• 10[км] (4.2)
• Теперь найдём приведённые высоты:
• 18,751 [м] (4.3)
• 7,143[м] (4.4)
• После этого можно в дальнейшем рассчитывать поле в точке приема, исходя из плоской модель радиотрассы.
• 4.2 Решение граничной задачи возбуждения поля
• Поле в точке приема можно представить как наложение (интерференцию) прямой волны, прошедшей путь qp, и отраженной, прошедшей путь q0p. (Рис.4.2)[3]
• Рисунок 4.2 - ход лучей в плоской модели радиотрассы
• Чтобы найти это поле, вычислим по формулам:
• Расстояние, пройденное отраженным лучом
• 10000,033525[м](4.5)
• Угол падения
• (4.6)
• Допустимый уровень неровностей по критерию Релея:
• 16,091 [м] (4.7)
• Согласно ТЗ, средний уровень крыш - 5м, следовательно, этот уровень неровностей меньше максимально допустимого и мы можем не учитывать его при расчете отраженной волны.
• Теперь можем найти поле прямой волны:
• = 0,08482[В/м](4.8)
• где - угол на Рис.(11)
• Теперь для отраженной волны нужно найти коэффициент отражения, для этого сперва найдем:
• Характеристическое сопротивление свободного пространства:
• 376,819 [Ом] (4.9)
• Удельную электрическую проводимость поверхности (влажной почвы)
• [См/м](4.10)
• Комплексную диэлектрическую и магнитную проницаемость влажной почвы
• (4.11-12)
• где 11 - диэлектрическая проницаемость влажной почвы, f = 900 МГц - частота излучения (задана в ТЗ).
• Исходя из (4.10-12), характеристическое сопротивление влажной почвы
• 307,658[Ом] (4.13)
• Угол преломления
• 2,234Ч10^-3 [рад] (4.14)
• Коэффициент отражения для горизонтальной поляризации
• - 0,996 (4.15)
• Теперь можно найти поле отраженной волны
• = 0,08446 [В/м](4.16)
• где и₂ =и^п - угол на Рис.(4.2)
• Сумму двух полей можно представить как произведение поля прямой волны и множителя влияния среды. Найдем его:
• 0,128 + 0,482i (4.17)
• Его модуль равен |V| = 0,499
• Такой множитель влияния среды говорит нам, что прямая и отраженная волны пришли в точку наблюдения с разными амплитудами и разностями фаз, равными:
• 208,931є = 3,647 [рад] (4.18)
• 5. Проектирование радиолинии с учетом влияния земной поверхности и тропосферы
• 5.1 Расчет зависимости поля антенны и мощности на входе радиоприемника от длины радиолинии. Оценка дальности радиосвязи
• Рассчитаем и построим зависимость поля антенны от длины радиолинии R. Воспользуемся формулой (4.8), сделав ее зависимой от R, получим:
• (5.1)
• Сделаем зависимой от высоты подвеса все углы, а , следовательно, и коэффициент отражения, воспользовавшись формулами (4.6) и (4.14 - 15):
• (5.2)
• Теперь найдем поле отраженной волны:
• (5.3)
• Из всех известных формул 4 раздела найдем множитель влияния среды V(r):
• (5.4)

• Рисунок 5.1 - график зависимости поля антенны от длины радиолинии R
• По графику видно, что в ближней зоне зависимость имеет сильно выраженный колебательный характер.
• Далее рассчитаем и построим зависимость мощности на входе радиоприемника от длины радиолинии R, воспользовавшись формулой:
• [Вт](5.5)
• Но нужно сначала найти КНД приемной антенны. Согласно ТЗ, приемная антенна - несимметричный штырь длиной л/3. Чтобы найти КНД этого штыря, нужна его характеристика направленности. Для этого зададим распределение тока в антенне, для штыря л/3 распределение можно считать приблизительно линейным:
• [A] (5.6)
• где l = л/3
• Затем найдем ХН приемной антенны по формуле:
• (5.7)
• Посмотрим на её ДН:

• Рисунок 5.2 - диаграмма направленности приёмной антенны
• И далее по формуле
• (5.8)
• Теперь можем построить график зависимости мощности на входе радиоприемника от длины радиолинии:
• Рисунок 5.3 - зависимость мощности на входе радиоприемника от длины радиолинии
• Мощность на входе на расстоянии 10 км составляет 3.084Ч10^-8 Вт. Чувствительность радиоприемников для бытовых нужд может достигать Вт, следовательно, на заданной радиолинии должен быть отличный прием.
• Оценим расстояние, на котором мощность на входе станет меньше чувствительности приемника.

• Рисунок 5.4 - зависимость мощности на входе радиоприемника от длины излуч.
• По графику мощности от длины радиолинии в логарифмическом масштабе определим, что это расстояние - примерно равно 117 км.
• 5.2 Расчет зависимости поля антенны и мощности на входе радиоприемника от усредненного угла наблюдения
• Усредненный угол наблюдения - это угол, в который превращается угол и₁ (см Рис.(4.2)) в дальней зоне, когда лучи будут практически параллельны и и₁и₂и
• Воспользуемся уже знакомыми формулами (5.1 - 5.4), только теперь фиксируем расстояние до точки наблюдения, а высота подвеса(5.10) и угол падения (5.11)становятся функциями от усредненного угла.
• (5.9)
• (5.10)
• (5.11)
• (5.12)
•  (5.13)
• (5.14)
• (5.15)
• Рисунок 5.5 - Зависимость поля |E(и)| от усредненного угла наблюдения иср
• Наличие земной поверхности и отражение радиоволн от неё оказали некоторое влияние на ДН и главный лепесток немного «приподнялся» вверх.
• 5.3 Расчет зависимости на входе радиоприемника от высоты подвеса приемной антенны
• Рассчитаем и построим зависимость мощности на входе радиоприемника от высоты подвеса приемной антенны h₂. Воспользуемся формулами 5.1, 5.2, 5.3 и сделаем их зависимыми от высоты приемной антенны.
• (5.16)
• (5.17)
• (5.18)
• (5.19)
• В итоге получаем график зависимости мощности на входе радиоприемника от высоты подвеса приемной антенны:
• Рисунок 5.6 - зависимость мощности на входе радиоприемника от высоты подвеса приемной антенны
• По графику определяем, что в первый максимум поля антенна попадает на высоте 44.4 метра, но это приведенная высота, поэтому, применяя формулу (4.4), получаем реальную высоту 49.726 метров, там же и будет наибольшая мощность на данном расстоянии на наименьшей высоте.
• 5.4 Рекомендации по выбору КНД и высот подвеса антенн, чувствительности радиоприемника, мощности радиопередатчика
• По итогам проектирования можно сказать, что изначально в ТЗ не все параметры были даны оптимальными. Исследовав зависимость КНД от длины излучателя, мы выяснили, что с ростом длины излучателя, его коэффициент направленного действия также растет, а КНД при длине излучателя 3л обеспечивает отличный сигнал на входе приёмника. Высота подвеса приемной антенны оказалась далеко не оптимальной, ведь первый максимум поля - намного выше - 49.726 метров. И вообще лучше и передающую, и приемную антенну поднимать выше, чтобы было больше расстояние прямой видимости, а также чтобы прямая и отраженные волны не приходили практически в противофазе. По поводу мощности радиопередатчика и чувствительности радиоприемника стоит сказать то, что следует эти характеристики согласовывать для конкретной задачи, т.е., например, не следует брать киловаттный передатчик, если вам следует обеспечить связь в пределах прямой видимости на несколько километров, для этого можно использовать гораздо менее мощный передатчик, а, следовательно, экономить энергию и деньги.
• Заключение
• В данном курсовом проекте мы проектировали синфазную антенну продольного тока для мобильной радиосвязи. Анализ мобильной связи позволил сделать вывод об актуальности лишь одной из связующих частей мобильной связи, а именно сотовой, на примере которой и была построена дальнейшая исследовательская работа. Построенные диаграммы направленности позволили четче понять направленные свойства антенны. Сделали выводы о зависимости тех или иных характеристик от длины радиолинии и угла наблюдения. Также в ходе выполнения проекта мы стали лучше понимать основные принципы электродинамики и распространения радиоволн. Проделанная работа, определённо, пошла нам на пользу, и я не сомневаюсь, что знания, применённые в ходе выполнения проекта, надолго останутся у нас в голове.
• Список использованной литературы
• синфазная антенна мобильная радиосвязь

1. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн [Текст]: учебник для студ. вузов. - 2-е изд., испр.. - М. : Горячая линия-Телеком, 2007. - 558 с.

2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учебник для радиотехнич. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1988. - 432с.

3. Семенихин А.И., Семенихина Д.В. Практикум по электродинамике и распространению радиоволн. Уч. пособие: - Таганрог. ТРТУ. 2003. 155 с.

4. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П.Электродинамика и распространение радиоволн. Уч. Пособие для вузов: - М.: Сов. Радио,.1979. 376 с.

Размещено на Allbest.ru