УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

 ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

 

 

 

                                                                                   Кафедра антенно-фидерных устройств

 

 

 

 

 

 

 

 

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

(Часть 1)

и МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к их выполнению по дисциплинам

«Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства»,

«Электродинамика и распространение радиоволн»

для студентов очного обучения по направлениям образования

 «Телевидение, радиосвязь и радиовещание» и «Радиотехника»

 

 

Ташкент 2007

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Сборник содержит комплект задач по ключевым темам дисциплин «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства», «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Антенны и устройства СВЧ» и предназначен для использования в процессе самостоятельной работы студентов и на аудиторных групповых занятиях. Каждая тема сопровождается целевой установкой занятия, краткими методическими указаниями, контрольными вопросами и текстом самой итоговой задачи.

Методические указания по изучению каждой темы содержат краткие теоретические сведения и рекомендации по самостоятельной проработке соответствующих параграфов доступных учебников.

Контрольные вопросы к заданию помогают ориентироваться в учебной литературе при подготовке к решению задач и их защите.

Содержание задач охватывает базовые вопросы тем, усвоение которых необходимо для дальнейшего успешного обучения по курсам кафедры и родственным дисциплинам. По результатам расчетов каждого занятия студенту необходимо провести их анализ и сформулировать выводы.

В данной работе имеются графические и другие материалы, собранные из различных литературных источников и приведенные к удобному виду для использования в учебном процессе.

 

 

ЗАНЯТИЕ 1

 

ХАРАКТЕРИСТИКА НАПРАВЛЕННОСТИ СИММЕТРИЧНОГО ВИБРАТОРА

 

Цель занятия

 

В результате работы по теме данного занятия студент должен:

знать приближенный закон распределения тока по симметричному вибратору, характеристики направленности и диаграммы направленности симметричного вибратора, а также зависимости распределения тока и диаграммы направленности симметричного вибратора от величины его относительной длины;

уметь строить графики распределения тока и диаграммы направленности симметричных вибраторов различной относительной длины;

приобрести навыки по расчету характеристики направленности симметричного вибратора.

 

Методические указания

 

При подготовке к практическому занятию необходимо изучить [1, §§2.1, 2.2] или [2, §§3.1, 3.2], [3, §§2.1…2.4].

Симметричный вибратор относится к классу проволочных антенн. Название «симметричный вибратор» подчеркивает симметрию конструкции, которая состоит из двух одинаковых по размерам и форме плеч вибратора. Важно усвоить, что распределение в пространстве энергии электромагнитных волн, излучаемых антенной, может быть описано математическим выражением (характеристикой направленности антенны) или изображено графически в виде диаграммы направленности.

При изучении, указанных выше, разделов учебника обратите внимание на то, что характеристика направленности симметричного вибратора однозначно определяется распределением тока по вибратору, которое, в свою очередь, зависит от относительной длины симметричного вибратора. В инженерной практике используется предположение о синусоидальном законе распределения тока по вибратору. В большинстве случаев это предположение обеспечивает достаточную точность расчета.

Изучив, названные выше, разделы учебника, необходимо знать каким образом меняется диаграмма направленности симметричного вибратора с изменением его относительной длины и уметь рисовать ориентировочный вид диаграммы направленности.

Ниже приводятся контрольные вопросы, на которые следует ответить во время подготовки к занятию.

 

 

 

 

 

Контрольные вопросы

 

1.     Что называется симметричным вибратором?

2.     По какому закону распределен ток по симметричному вибратору?

3.     Что называют диполем Герца? Какой вибратор называют элементарным?

4.     Что называется характеристикой направленности антенны, диаграммой направленности антенны? Каким образом определяется ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны?

5.     Что называется коэффициентом направленного действия антенны? Чему равен коэффициент направленного действия ненаправленной антенны?

 

Задача 1

 

Даны три симметричных вибратора, относительные длины плеч которых равны l/λ1,  l/λ2,  l/λ3. Значения  l/λ  для каждого варианта приведены в таблице 1.1 (по номеру в журнале группы).

1.     Нарисуйте симметричный вибратор и связанную с ним систему координат.

2.     Напишите приближенный закон распределения тока по симметричному вибратору.

3.     Нарисуйте приблизительно графики распределения тока по вибраторам.

4.     Нарисуйте ориентировочный вид диаграмм направленности в плоскостях Е и Н  для данных вибраторов в полярной системе координат (см. пример на рис. 1.1).

5.     Проследите, каким образом меняется форма диаграммы направленности симметричного вибратора c изменением распределения тока по нему. Напишите, почему в диаграммах направленности симметричных вибраторов с относительной длиной плеча l/λ > 0,5  появляются боковые лепестки.

6.     Сравните ориентировочные диаграммы направленности вибраторов в плоскости Е и укажите, у какого симметричного вибратора наибольший коэффициент направленного действия (КНД) в направлении, перпендикулярном оси вибратора.

7.     Определите значения КНД вибраторов по графику на рис.1.

8.     Рассчитайте с шагом  Δφ = 10˚  и постройте в декартовой системе координат диаграмму направленности  в плоскости  Е  симметричного вибратора с относительной длиной плеча l/λ3. Результаты расчета свести в таблицу 1.2.

9.     Определите по построенной диаграмме направленности ширину ее главного лепестка по уровню половинной мощности (2φ0,5).

10.      Сформулируйте выводы о характерных особенностях зависимости диаграммы направленности симметричного вибратора от его относительной длины l/λ.

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.1

Данные вариантов

 

Вариант

l/λ 1

l/λ 2

l/λ 3

Вариант

l/λ 1

l/λ 2

l/λ 3

1

0,015

0,25

0,52

14

0,060

0,38

0,78

2

0,020

0,26

0,54

15

0,062

0,39

0,80

3

0,022

0,27

0,56

16

0,065

0,40

0,82

4

0,025

0,28

0,58

17

0,070

0,41

0,84

5

0,030

0,29

0,60

18

0,072

0,42

0,86

6

0,032

0,30

0,62

19

0,075

0,43

0,88

7

0,035

0,31

0,64

20

0,080

0,44

0,90

8

0,040

0,32

0,66

21

0,082

0,45

0,92

9

0,042

0,33

0,68

22

0,085

0,46

0,94

10

0,045

0,34

0,70

23

0,090

0,47

0,96

11

0,050

0,35

0,72

24

0,092

0,48

0,98

12

0,052

0,36

0,74

25

0,095

0,49

1,00

13

0,055

0,37

0,76

26

0,100

0,50

1,20

 

Таблица 1.2

Результаты расчета характеристики направленности

 

φ˚

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

f(φ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(φ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 1.1. Виды распределения тока вдоль симметричного вибратора и соответствующие им диаграммы направленности в плоскости Е при различных значениях l/λ

 

Рис 1.2. Зависимость коэффициента направленного действия Dmax симметричного вибратора от относительной длины его плеча.

 

 

 

 

 

ЗАНЯТИЕ 2

 

ИЗЛУЧЕНИЕ ДВУХ СВЯЗАННЫХ ВИБРАТОРОВ

 

Цель работы

 

В результате подготовки по теме данного занятия студент должен:

знать  метод расчёта характеристик направленности системы из двух связанных вибраторов;

уметь  рассчитать характеристику направленности системы из двух связанных вибраторов.

 

Методические указания

 

При подготовке к занятию необходимо изучить [1, §3.1…3.3] или [2, §4.1… 4.3],  или [3, §3.1…3.3].

Системы связанных вибраторов применяются для концентрации излучения в заданном направлении, в том числе, и для получения однонаправленного излучения.

При изучении метода расчёта характеристики направленности обратите внимание на то, что поле излучения определяется с помощью метода суперпозиции. При сложении полей, создаваемых вибраторами в точке наблюдения, необходимо учитывать разность фаз полей, обусловленную как разностью хода волн, так и разностью фаз токов в вибраторах.

 

Контрольные вопросы

 

1.     Каким способом определяется поле излучения в точке приёма?

2.     От чего зависит разность фаз полей двух вибраторов в точке наблюдения?

3.     Из каких множителей состоит выражение для характеристики направленности системы из двух идентичных и одинаково ориентированных в пространстве связанных вибраторов?

4.     От каких параметров зависит множитель системы (множитель антенной решётки)?

5.     Какой вибратор называется пассивным?

6.     Какой вибратор называется директором?

7.     Какой вибратор называется рефлектором?

 

Задача 2

 

Дана система из двух параллельных симметричных полуволновых вибраторов, центры которых находятся на одном перпендикуляре к осям вибраторов на расстоянии d=λ/4, где λ – длина волны. Известны значения модуля  q  и фазы  ψ  отношения токов в этих вибраторах (см. табл. 2.1 с данными вариантов).

1.     Нарисуйте данные вибраторы и связанную с ним систему координат с указанием точки наблюдения (отсчёт углов вести от перпендикуляра к оси вибратора).

2.     Используя материалы учебника, выпишите выражения для характеристик направленности системы в плоскостях  Е  и  Н.

3.     Рассчитайте значения нормированных характеристик направленности в плоскостях  Е  и  Н  при значениях  q = 1, ψ = 90◦ и постройте ориентировочные диаграммы направленности.

4.     Для данных своего варианта рассчитайте значения ненормированной характеристики направленности в плоскостях  Е  и  Н  в направлениях 0◦, 45◦, 90◦, 135◦, 180◦ и постройте ориентировочные диаграммы направленности.

Проанализируйте полученные результаты и сформируйте выводы.

 

Таблица 2.1

Данные вариантов

 

Параметр

Предпоследняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

q

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

 

Последняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

ψ◦

70

75

80

85

90

95

100

105

110

115

 

 

 

 

 

ЗАНЯТИЕ 3

 

ЛИНЕЙНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЁТКИ ПОПЕРЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

 

Цель занятия

 

В результате работы по теме данного занятия студент должен:

знать  метод формирования остронаправленного излучения путём сложения полей от большого числа слабонаправленных излучателей; теорему перемножения характеристик направленности, зависимость основных параметров характеристик направленности эквивалентной равноамплитудной антенной решётки с линейным фазовым распределением от её конструктивных параметров, способ управления направлением максимального излучения антенной решётки;

уметь  определять основные параметры диаграммы направленности, коэффициент направленного действия линейной эквидистантной равноамплитудной антенной решётки с линейным фазовым распределением;

приобрести навыки  расчёта характеристики направленности эквидистантной равноамплитудной антенной решётки.

 

Методические указания

 

При подготовке к занятию необходимо изучить [1, §7.2 а, б, в] или [2, §7.1… 7.3], [3, §4.3, §4.7].

Для формирования остронаправленного излучения обычно применяют антенные решётки, состоящие из нескольких одинаковых и одинаково ориентированных в пространстве излучателей. Концентрация излучения в заданном направлении достигается в том случае, если поле от всех излучателей в этом направлении складывается синфазно, а в других направлениях – несинфазно.

Характеристика направленности системы одинаковых и одинаково ориентированных в пространстве излучателей, расположенных на одинаковом расстоянии (эквидистантных), определяется произведением характеристик направленности одного излучателя и множителя системы (множителя антенной решётки). Такой способ получения диаграммы направленности называется теоремой перемножения характеристик направленности. Обратите внимание на то, что множитель системы является характеристикой направленности системы изотропных (ненаправленных) излучателей, расположение и возбуждение которых такое же, как у данной системы излучателей.

Если в качестве излучающих элементов антенной решётки используются слабо направленные излучатели, то её характеристика направленности определяется, в основном, множителем антенной решётки. Диаграмма направленности антенной решётки является многолепестковой.

Чаще всего в радиосвязи используются эквидистантные антенные решётки, излучающие элементы которых возбуждаются токами одинаковой амплитуды и с изменяющейся одинаковым скачком фазой возбуждения от элемента к элементу. Множитель линейной эквидистантной равноамплитудной антенной решётки зависит от числа излучателей  n, относительно расстояния  d/λ  между излучателями и разности фаз токов  ψ  в соседних излучателях.

Обратите внимание, что направление максимального излучения линейной синфазной (ψ = 0) антенной решётки перпендикулярно её оси. В этом направлении поля от всех излучателей в дальней зоне складываются синфазно. При достаточно большом расстоянии между излучателями синфазное сложение полей может иметь место и в других направлениях. В этом случае в диаграмме направленности синфазной решётки имеется несколько главных лепестков. В диаграмме направленности синфазной решетки с шагом d < λ имеется единственный главный лепесток, и он направлен перпендикулярно к оси решётки. При отклонении главного луча решётки от нормали путём введения линейного набега фазы может появится второй (или несколько) главный лепесток диаграммы направленности, если шаг решётки d > λ/2. Изменяя сдвиг фаз токов в соседних излучателях ψ, можно управлять направлением максимального излучения антенной решётки. Если  расстояние между излучателями d меньше половины длины волны λ, то в диаграмме направленности антенной решётки имеется только один главный лепесток при любом значении фазового сдвига ψ.

 

Контрольные вопросы

 

1.     Как с помощью антенных решёток формируется остронаправленное излечение?

2.     Какая антенная решётка называется линейной?

3.     Какая антенная решётка называется эквидистантной?

4.     Какая антенная решётка называется равноамплитудной?

5.     Какая антенная решётка называется синфазной?

6.     Сформулируйте теорему перемножения характеристик направленности.

7.     От каких параметров зависит множитель линейной эквидистантной равноамплитудной антенной решётки с линейным фазовым распределением?

8.     Укажите направление максимального излучения синфазной антенной решётки.

9.     При каком условии в диаграмме направленности линейной синфазной эквидистантной антенной решётки имеется только один главный лепесток?

10. Как можно управлять направлением максимального излучения антенной решётки?

11. При каком условии в диаграмме направленности линейной эквидистантной антенной решётки с линейным фазовым распределением имеется только один главный лепесток?

 

 

 

Задача 3

 

Линейная эквидистантная равноамплитудная антенная решётка состоит из n симметричных полуволновых вибраторов, оси которых совпадают с осью решётки. Относительное расстояние между излучателями равно  d/λ (см. табл. 3.1).

 

1.     Нарисуете заданную антенную решётку. Укажите на рисунке шаг решётки d и направление отсчёта угла точки наблюдения (от перпендикуляра к оси решётки).

2.     Напишите выражение для характеристики направленности антенной решётки в плоскости  Е.

Для этого:

     -сформулируйте условие, при которых справедлива теорема перемножения характеристик направленности и сделайте вывод о возможности применения этой теоремы в данном случае;

     -напишите выражение для характеристики направленности одного излучателя в указанной выше плоскости, при этом учтите, что угол  θ  отсчитывается от перпендикуляра к оси решётки;

     -напишите выражение для множителя антенной решётки;

     -напишите выражение для характеристики направленности антенной решётки.

3.     Подготовьте таблицу для записи результатов последующих расчётов (см. табл. 3.2).

4.     Считая, что все излучатели решётки возбуждаются синфазно (ψ = 0) и характеристика направленности решётки, в основном, определяется множителем решётки (полуволновой вибратор является слабо направленным излучателем), определите:

- направление максимального излучения  θгл;

- направления, в которых отсутствуют излучения  θ01, θ02;

- ширину главного лепестка диаграмм направленности по уровню нулевого излучения  2θ0  и половинной мощности  2θ0,5;

- направления θmax1, θmax2 и относительный уровень первых (ближайших к направлению максимального излучения) боковых лепестков ξ1, ξ2 диаграмм направленности.

- коэффициент направленного действия  D  антенной решётки в направлении главного излучения по приближённой формуле  D ≈ 2L/λ, где  L = (n – 1)d  – длина решётки.

5. Определите направление главного лепестка  θгл  антенной решётки при введении заданного фазового сдвига  ψ  токов в соседних излучателях.

6. Проанализируёте результаты расчётов.

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.1

Данные вариантов

 

Вариант по № в журнале

Число элементов решётки n

Относительное расстояние между элементами d/λ

Сдвиг фаз между токами соседних элементов ψ◦

Вариант по № в журнале

Число элементов решётки n

Относительное расстояние между элементами d/λ

Сдвиг фаз между токами соседних элементов ψ◦

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

0,5

0,49

0,48

0,47

0,46

0,45

0,44

0,43

0,42

0,41

0,4

0,39

0,38

45

40

35

30

25

20

25

20

25

30

35

40

45

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

24

25

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

0,37

0,36

0,35

0,34

0,33

0,32

0,31

0,3

0,29

0,28

0,27

0,26

0,25

60

55

60

55

50

45

40

35

30

25

20

15

10

 

Таблица 3.2

Результаты расчёта

 

Обозначение параметров

Единица измерения

Результаты расчёта

θгл

θmax1

θmin1

θmax2

θmin2

2θ0

2θ0,5

ξ1 ,ξ2

D

град

град

град

град

град

град

град

дБ

-

 

 

 

 

 

 

ЗАНЯТИЕ 4

 

ЛИНЕЙНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЁТКИ ОСЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

 

Цель занятия

 

В результате работы по теме данного занятия студент должен:

знать способ получения осевого излучения решётки путём последовательного возбуждения элементов с помощью бегущей волны, зависимость режимов излучения антенной решётки от значения фазовой скорости волны, возбуждающей излучатели;

уметь определить основные параметры диаграммы направленности и коэффициент направленного действия линейной эквидистантной равноамплитудной антенной решётки осевого излучения, рассчитывать оптимальное значение фазовой скорости волны, возбуждающей излучатели;

приобрести навыки расчёта основных параметров характеристики направленности линейной эквидистантной равноамплитудной антенной решётки осевого излучения.

 

Методические указания

 

При подготовке к занятию следует изучить [1, §7.3a] или [2, §7.4], или [3, §4.3, §4.7].

При возбуждении излучающих элементов линейной антенной решётки с помощью бегущей волны режим работы решётки определяется фазовой скоростью  v  волны. Различают три режима работы:

При  c/v = 1 (с – скорость света в вакууме) антенная решётка работает в режиме осевого излучения. Направление максимального излучения решётки совпадает с направлением оси решётки, т.к. в этом направлении поле от всех излучателей складываются синфазно.

При  c/v > 1  антенная решётка также может работать в режиме осевого излучения. Обратите внимание, что в направлении максимального излучения (вдоль оси решётки) поля излучателей складываются несинфазно. В этом режиме при заданном значении фазовой скорости существует оптимальная длина антенной решётки, соответствующая максимальному значению коэффициента направленного действия. Иначе при заданной длине антенной решётки можно определить значение оптимальной фазовой скорости, соответствующее максимуму коэффициента направленного действия.

При  c/v < 1 антенная решётка работает в режиме неосевого излучения, т.к. направление максимального излучения составляет некоторый угол с осью решётки.

 

 

 

 

Контрольные вопросы

 

1.     Каким  способом можно создать линейное фазовое распределение возбуждающих токов в элементах решётки?

2.     При каких значениях фазовой скорости линейная антенная решётка работает в режиме осевого излучения?

3.     Нарисуйте векторную картину сложения полей излучателей в направлении оси решётки для  c/v = 1  и  c/v > 1.

4.     Что называется оптимальной фазовой скоростью (при заданной длине антенной решётки)?

5.     Что называется оптимальное длиной антенной решётки (при заданной фазовой скорости  v < c)?

 

Задача 4

 

Линейная эквидистантная антенная решётка состоит из полуволновых симметричных вибраторов, оси которых перпендикулярны оси решётки, относительное расстояние между излучателями равно d/λ (см. табл. 4.1). Излучатели последовательно возбуждаются бегущей электромагнитной волной.

1.     Нарисуйте заданную антенную решётку и покажите направление отсчёта углов θ (от оси решетки).

2.     Проверьте выполнение условий применимости теоремы перемножения характеристик направленности.

3.     Напишите выражение для характеристик направленности антенной решётки в плоскости, проходящей через оси вибраторов.

4.     Подготовьте таблицу для записи результатов расчёта параметров характеристики направленности (см. табл. 4.2).

5.     Считая, что фазовая скорость возбуждающей волны равна скорости света (c/v = 1) и характеристика направленности, в основном, определяется множителем антенной решётки (полуволновые вибраторы являются слабонаправленными излучателями), определите:

направление максимального излучения θгл;

направления максимумов боковых лепестков θmax1, θmax2;

направления нулевого излучения θmin1, θmin2;

ширину главного лепестка диаграммы направленности по нулевому уровню 2θ0;

ширину главного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности 2θ0,5;

коэффициент направленного действия по формуле D = 4L/λ, где  L = (n–1)d.

6.     Определите оптимальную величину отношения  (c/v)opt  для заданной длины антенной решётки по формуле  (c/v)opt = 1 + λ/(2L).

7.     Считая, что возбуждающая электромагнитное поле волна распространяется с оптимальной фазовой скоростью, определите параметры характеристики направленности, указанные в п.5 и коэффициент направленного действия по формуле D ≈ 7,2L/λ.

8.     Проанализируйте результаты расчётов, имея в виду, что длины антенных решёток задач 3 и 4 одинаковы.

Таблица 4.1

Данные вариантов

 

Вариант по номеру в журнале

Число элементов решётки  n

Относител. расстояние между элементами  d/λ

Вариант по номеру в журнале

Число элементов решётки  n

Относител. расстояние между элементами  d/λ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

0,25

0,245

0,24

0,235

0,23

0,225

0,22

0,215

0,21

0,205

0,20

0,195

0,19

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

48

50

52

54

56

58

60

62

64

66

68

70

0,185

0,18

0,175

0,17

0,165

0,16

0,155

0,15

0,145

0,14

0,135

0,13

 

Таблица 4.2

Результаты расчёта

 

Обозначение параметров

Единицы измерений

Антенная решётка осевого излучения

c/V = 1

c/V = (c/V)opt

θгл

θmax1

θmin1

θmax2

θmin2

2θ0

2θ0.5

ξ1

D

град.

град.

град.

град.

град.

град.

град.

дБ

-

 

 

 

 

 

 

 

ЗАНЯТИЕ 5

 

ИЗУЧЕНИЕ ПЛОСКОГО СИНФАЗНОГО РАСКРЫВА

(ВОЗБУЖДЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ)

 

Цель занятия

 

В результате работы по теме данного занятия студент должен:

знать метод определения напряжённости поля излучения плоского раскрыва и зависимости параметров характеристики направленности от размеров раскрыва, амплитудного и фазового распределения поля по нему;

уметь определять ширину главного лепестка диаграммы направленности синфазного плоского раскрыва и рассчитать коэффициент направленного действия раскрыва при равномерном и косинусоидальном распределении амплитуд;

приобрести навыки расчёта характеристик направленности прямоугольного плоского синфазного раскрыва.

 

Методические указания

 

При подготовке к занятию необходимо изучить [1, §7.4] или [2, §7.5], или [3, §5.1, §5.5].

Плоский раскрыв с распределённым по нему электромагнитным полем можно рассматривать как непрерывную систему элементарных излучателей – источников Гюйгенса (см. [1, §1.6] или [2, §1.4]).

При определении напряженности поля излучения плоского раскрыва используется принцип суперпозиции полей элементарных излучателей. Характеристика направленности в этом случае равна произведению характеристики направленности источника Гюйгенса и множителя непрерывной системы ненаправленных излучателей.

Если функция амплитудного распределения поля  Е(x, у)  в синфазном прямоугольном раскрыве имеет вид  Е(x, у) = f(x)*g(y)  (x, y – прямоугольные координаты, отсчитываемые параллельно сторонам раскрыва), то характеристики направленности в плоскостях  Е  и  Н  независимы. В этом случае характеристика направленности в какой-либо плоскости определяется отношением размера раскрыва в этой плоскости к длине волны и характером распределения поля в этой плоскости. Важно уяснить влияние размеров, амплитудного и фазового распределений поля по раскрыву на характеристику направленности последнего. Обычно характеристика направленности плоского раскрыва с данными амплитудным и фазовым распределениями поля сравнивается с характеристикой направленности синфазного плоского раскрыва таких же геометрических размеров с равномерным амплитудным распределением (так называемым идеальным раскрывом). В результате сравнения делают вывод о влиянии амплитудного и фазового распределений поля в раскрыве на характеристику направленности.

Коэффициент направленного действия (КНД) также определяется размерами раскрыва, амплитудным и фазовым распределением поля по нему.

Необходимо знать, что эффективной площадью раскрыва с данными амплитудным и фазовым распределениями поля называется площадь синфазного раскрыва с равномерным амплитудным распределением поля (идеальный раскрыв), имеющего такой же КНД, что и данный раскрыв.

Коэффициент использования поверхности раскрыва (КИП) определяется отношением действующей площади раскрыва к его геометрической площади и зависит только от амплитудного и фазового распределений поля по раскрыву. Для синфазного раскрыва максимальная величина КИП имеет место при равномерном амплитудном распределении поля по раскрыву и равна единице.

 

Контрольные вопросы

 

1.     Как определяется напряжённость поля излучения плоского раскрыва?

2.     От чего зависит характеристика направленности синфазного плоского раскрыва в той или иной плоскости?

3.     Какой плоский раскрыв называется идеальным?

4.     Как зависит ширина главного лепестка диаграмм направленности идеального раскрыва от его размера?

5.     Как влияет уменьшение амплитуд поля к краям синфазного раскрыва на ширину его главного лепестка, уровень боковых лепестков диаграмм направленности, коэффициент направленного действия?

6.     Сравните характеристику направленности идеального плоского раскрыва с характеристикой направленности раскрывов с равномерным амплитудным распределением и со следующими фазовыми распределениями поля: линейным, квадратичным, кубическим.

7.     Что называется коэффициентом использования поверхности раскрыва, и от чего он зависит?

8.     Что называется эффективной площадью раскрыва?

9.     От чего зависит коэффициент направленного действия плоского раскрыва?

 

Задача 5

 

В плоском квадратном раскрыве с размером стороны квадрата a создано равноамплитудное и синфазное распределение поля в плоскости  Е  (вдоль оси  у) – см. рис. 7.21 [1]  Ех = Е0, а в плоскости  Н  (вдоль оси  х) – косинусоидальное амплитудное распределение поля  Еу = Е0cos(πx/a). Вектор  Е  направлен вдоль оси  у. Значения частоты излучения электромагнитного поля  f  и размера a приведены в таблице вариантов 5.1.

Используя рисунки и формулы из учебника, выполните следующие пункты задания:

1.     Нарисуйте заданный раскрыв. Введите прямоугольную систему координат (x,y), укажите направление вектора  Е  в раскрыве.

2.     Изобразите диаграммы направленности источника Гюйгенса в плоскостях  Е  и  Н.

3.     Напишите выражения для характеристик направленности данного раскрыва в плоскостях  Е  и  Н. Выделите множители системы.

4.     Определите первые три направления нулевого излучения  φ0,1, φ0,2, φ0,3 в плоскостях  Е  и  Н.

5.     Определите первые три направления максимумов боковых лепестков φmax1, φmax2, φmax3 в плоскостях  Е  и  Н.

6.     Определите значения ширины диаграммы направленности по половинной мощности  2φ0,5  и по нулевому излучению  2φ0  в плоскостях  Е  и  Н.

7.     Определите значения коэффициента направленности действия излучающего раскрыва.

8.     Выпишите значения относительных уровней первых боковых лепестков в плоскостях  Е  и  Н.

9.     По результатам расчётов постройте ориентировочные нормированные диаграммы направленности раскрыва в плоскостях  Е  и  Н.

10.  Данные расчёты п.4…п.8 занести в таблицу 5.2.

11.  Сформулируйте выводы о влиянии размеров раскрыва на его диаграмму направленности в виде ответов на следующие вопросы:

- как изменяется ширина главного лепестка диаграммы направленности раскрыва с увеличением размера его стороны?

- как изменяется число боковых лепестков в диаграмме направленности с увеличением размера его стороны?

- изменяется ли уровень боковых лепестков диаграммы направленности раскрыва с увеличением размера его стороны?

- как изменятся параметры диаграммы направленности в плоскости  Н  при замене косинусоидального амплитудного распределения на равномерное?

 

 

 

 

 

Таблица 5.1

Данные вариантов

 

Параметр

Предпоследняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

а, см

9

12

15

18

21

24

27

30

33

36

 

Последняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

f, ГГц

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5.2

Результаты расчета

 

Обозначения параметра

Единица измерения

Вид амплитудного распределения

Ех = Е0

Еу = Е0cos(πx/a)

φ01

φ02

φ03

φmax1

φmax2

φmax3

2φ0

2φ0,5

ξ1

град.

град.

град.

град.

град.

град.

град.

град.

дБ

 

 

 

 

 

 

Занятие 6

 

Распространение радиоволн в свободном пространстве

 

Цель занятия

 

усвоить понятие «потери передачи» при распространении радиоволн в свободном пространстве;

приобрести навыки расчета величины потерь в свободном пространстве.

 

Методические указания

 

При подготовке к практическому занятию необходимо изучить [5, §§ 2.1, 2.2]  или [4, §§ 1.2…1.6].

Существуют радиолинии первого и второго типа, для которых при одинаковых параметрах передающего и приемного оборудования мощность на входе приемного устройства оказывается разной. На радиолиниях первого типа имеется прямая видимость между передающей и приемной антеннами, а на радиолиниях второго типа между передающей и приемной антеннами имеется пассивный переизлучатель.

Потери в свободном пространстве связаны с уменьшением плотности потока электромагнитного поля, излучаемого антенной, на поверхности сферического фронта волны, площадь которой увеличивается с увеличением расстояния. Величина потерь передачи  L  определяется расстоянием между передающей и приемной антеннами, их направленными свойствами, длиной волны и не зависит от мощности передатчика.

 

Контрольные вопросы

 

1.           Потери передачи: понятие, определения, расчетное соотношение.

2.           Каковы структурные схемы радиолиний первого и второго типа?

3.           Как зависит величина потерь передачи от длины волны, расстояния и направленных свойств антенн?

4.           Чем обусловлены потери при передаче электромагнитной энергии в свободном пространстве?

 

Задача 6

 

Передающая и приемная антенны имеют коэффициенты усиления G1 и G2 и расположены в свободном пространстве на расстоянии r1 друг от друга. Данные вариантов приведены в таблице 6.1.

Необходимо:

1.     Для ненаправленных (изотропных) антенн рассчитать зависимость величины потерь при распространении радиоволн в свободном пространстве от расстояния, задавшись значениями расстояний от 0,5r1 до 4r1 с шагом 0,5r1.

2.     Рассчитать зависимость величины потерь от длины волны l (при фиксированном значении r1), задавшись значениями длин волн от 0,5l до 4l с шагом 0,5l.

3.     Провести те же расчеты, но при условии замены ненаправленных антенн на направленные.

4.     Результаты расчетов свести в таблицу. За образец можно взять таблицу 6.2.

5.     По данным пунктов 1, 2 и 3 построить графические зависимости величины потерь в дБ от расстояния и от длины волны.

6.     Сравнить полученные результаты. Сформулировать выводы.

 

Таблица 6.1

Данные вариантов

 

Параметр

Предпоследняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

l, м

1

5

10

15

20

25

30

35

40

45

G1

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

Параметр

Последняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

r1, км

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

G2

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

 

Таблица 6.2

Результаты расчета

 

ri /r1

r1

Направленные антенны

L

Ненаправленные антенны

L0

li /l

l

Направленные антенны

L

Ненаправленные антенны

L0

-

км

раз

дБ

раз

дБ

-

м

раз

дБ

раз

дБ

0,5

 

 

 

 

 

0,5

 

 

 

 

 

1,0

 

 

 

 

 

1,0

 

 

 

 

 

1,5

 

 

 

 

 

1,5

 

 

 

 

 

2,0

 

 

 

 

 

2,0

 

 

 

 

 

2,5

 

 

 

 

 

2,5

 

 

 

 

 

3,0

 

 

 

 

 

3,0

 

 

 

 

 

3,5

 

 

 

 

 

3,5

 

 

 

 

 

4,0

 

 

 

 

 

4,0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАНЯТИЕ 7

 

Расчет РАДИОТРАССЫ метровых и дециметровых РАДИОВОЛН

 

Цель занятия

 

В результате работы по теме данного занятия студент должен:

знать основные закономерности распространения радиоволн данного диапазона в зоне освещенности, полутени, тени;

приобрести навыки инженерного метода расчета УКВ радиотрасс.

 

Методические указания

 

При подготовке к практическому занятию необходимо предварительно изучить [4, §§2.2, 2.7, 3.5] или [5, §§3.3, 3.4,3.5.2…3.5.4]. Выполнение данного занятия предусматривает работу в течение четырех аудиторных часов.

Земные ультракороткие волны (метровые, дециметровые, сантиметровые) широко используются в радиорелейной связи и в радиотелевизионном вещании. Механизм распространения земных радиоволн достаточно сложен с точки зрения физики явления, и поэтому его математический анализ достаточно сложен. Однако при решении ряда важных практических задач нет необходимости рассматривать проблему в целом и поэтому вполне допустимы упрощения:

-атмосфера считается непоглощающей средой;

-поверхность земли считается гладкой и однородной;

-антенны считаются поднятыми (высота подвеса h антенн много больше длины волны λ), и питание осуществляется неизлучающим фидером.

В соответствии с физическими процессами распространения земных радиоволн на радиотрассе выделяют три зоны: зоны освещенности, полутени и тени. Границы зон связаны с расстоянием прямой видимости  r0  между передающей и приемной антеннами и определяются в следующих пределах:

-   зона освещенности  r ≤ 0,8ro;

-   зона полутени  0,8r0 < r < 1,2ro;

-   зона тени  r ≥ 1,2r0.

Состояние тропосферы учитывается через заданный вертикальный градиент индекса коэффициента преломления тропосферы  dN/dh, величина которого нужна для расчета эквивалентного радиуса Земли.

На небольших расстояниях от передающей антенны (r ≤ 0,2r0) поверхность Земли можно считать плоской и сферичность Земли не учитывать. Сферичность Земли в зоне освещенности учитывается использованием в расчетных формулах значений приведенных высот подвеса передающей  h1’  и приемной  h2’  антенн.

В зоне тени поле быстро затухает по экспоненциальному закону. Во многих практических случаях в диапазоне УКВ можно использовать в этой зоне приближенный расчет напряженности поля.

С учетом потерь в питающем фидере и неравномерности диаграммы направленности антенны эффективную излучаемую мощность передатчика можно определить по формуле:

PΣ, кВт = 10PΣ(дБ кВт)/10,

где

PΣ(дБ кВт) = 10lg(P1) + G1 – α – ξ;

Р1 - выходная мощность передатчика, кВт;

G1 - коэффициент усиления передающей антенны, дБ;

α = α1h1 – ослабление в питающем фидере, дБ;

α1 – погонное ослабление в питающем фидере, дБ/м;

ξ = 0,2 дБ – запас на неравномерность диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости, дБ.

 

Контрольные вопросы

 

1.     В каком диапазоне радиоволн антенны можно считать поднятыми?

2.     Назовите условие применимости интерференционных формул при расчете поля с поднятыми антеннами?

3.     От каких параметров трассы зависит расстояние прямой видимости между  передающей и приемной антеннами?

4.     От каких параметров трассы зависят расстояния, на которых напряженность поля принимает  максимальные и минимальные значения?

5.     Какие значения может принимать множитель ослабления в области применимости  интерференционных расчетных формул?

6.     Каковы границы зоны освещенности, полутени, тени?

7.     Как учитывается явление атмосферной рефракции радиоволн при расчете поля с поднятыми антеннами в зоне освещенности?

8.     Как учитывается сферичность Земли при расчете поля  с поднятыми антеннами в области применимости формулы Введенского?

9.     При каких условиях можно вести расчет напряженности поля по формуле Введенского?

 

Задача 7

 

Телевизионный передатчик с выходной мощностью  Р1  выдает несущую изображения на частоте  f  и подсоединен к передающей антенне с помощью антенного фидера типа «Ваха» (НР-75-120Д) с погонным ослаблением  α1 = 0,0043 дБ/м. Передающая антенна излучает горизонтально поляризованную волну. Заданы: коэффициенты усиления передающей антенны  G1, вертикальный градиент индекса коэффициента преломления тропосферы  dN/dh, тип усредненной подстилающей поверхности и высоты подвеса передающей  h1  и приемной  h2  антенн.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 7.1

Данные вариантов

 

 

Предпоследняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

№ ТВ кан.

1

3

5

7

9

11

25

30

35

40

f, МГц

49,75

77,25

93,25

183,25

199,25

215,25

503,25

543,25

582,25

623,25

G1, дБ

7,8

7,8

7,8

9,0

9,0

9,0

14,8

14,8

14,8

14,8

Р1, кВт

10

20

20

20

20

20

10

10

10

10

h1, м

200

235

290

310

315

325

335

330

320

345

dN/dh, 1/м

0

-0,02

-0,04

0

-0,02

-0,04

0

-0,02

-0,04

0

Параметр

Последняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

h2, м

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Тип поверхности

Песок

Сухая почва

Влажная почва

Море

Сухая почва

Влажная почва

Песок

Море

Сухая почва

Влажная почва

Требуется, используя данные вариантов таблицы 7.1, рассчитать:

1.     Эффективную излучаемую мощность в кВт.

2.     Расстояние прямой видимости  r0  и границы зон освещенности, полутени и тени.

3.     Расстояния, соответствующие первым трем максимумам и минимумам напряженности поля, значения множителя ослабления и напряженности поля в этих точках. Расчет произвести для случая плоской поверхности Земли. В расчётах можно принять угол потери фазы при отражении от поверхности Земли θ равным 180◦.

4.     Значения напряженности поля в четырех - пяти точках между точкой первого максимума напряженности поля и точкой  0,8r0  включительно.

5.     Значение напряженности в точке  r0.

6.     Значение напряженности в точках  r = 1,2r0  и  1,4r0

7.     Результаты расчетов свести в таблицы. За образец можно взять таблицы 7.2 и 7.3.

8.     Построить графическую зависимость  Е(дБ) = f(r).

9.     Сформулировать выводы.

Рис. 7.1. Зависимость величины F(y1, y2) в дБ от значений у1 и у2

 

 

Таблица 7.2

Результаты расчета

 

r, км

γ0

sinγ

R

h1’

h2’

F

E0, мВ/м

ЕД, мВ/м

ЕД, мкВ/м

ЕД, дБ

Примечания

 

 

 

 

-

-

 

 

 

 

 

1 макс

 

 

 

 

-

-

 

 

 

 

 

1 мин

 

 

 

 

-

-

 

 

 

 

 

2 макс

 

 

 

 

-

-

 

 

 

 

 

2 мин

 

 

 

 

-

-

 

 

 

 

 

3 макс

 

 

 

 

-

-

 

 

 

 

 

3 мин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 7.3

Результаты расчётов

при  R ≈ 1  и  θ ≈ 180о

r

км

h1’

м

h2’

м

Е0 мВ/м

F(y1,y2)

дБ

F(y1,y2)

r0F(y1,y2)

    L

F

дБ

F

ЕД мВ/м

ЕД мкВ/м

ЕД

дБ

Примеч.

 

 

 

-

-

-

-

-

-

 

 

 

 

 

 

 

-

-

-

-

-

-

 

 

 

 

 

 

 

-

-

-

-

-

-

 

 

 

 

 

 

 

-

-

-

-

-

-

 

 

 

r = 0,8r0

 

-

-

 

 

 

 

-

-

 

 

 

r = r0

 

-

-

 

-

-

-

 

 

 

 

 

r = 1,2r0

 

-

-

 

-

-

-

 

 

 

 

 

r = 1,4r0

Рис. 7.2. Зависимость величин V(y1), V(y2) от значений у1 и у2

 

ЗАНЯТИЕ 8

 

РАСЧЕТ РАДИОТРАССЫ ГЕКТОМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН

 

Цель занятия

 

В результате работы по теме данного занятия студент должен:

знать основные закономерности распространения земных гектометровых радиоволн;

приобрести навыки инженерного метода расчета напряженности поля при низкорасположенных антеннах с учетом и без учета сферической поверхности Земли.

 

Методические указания

 

При подготовке к выполнению практического занятия необходимо изучить [4, §§2.3…2.5, 2.8] или [5, §§3.4, 3.5].

Гектометровые волны нашли применение в средневолновом радиовещании. Величина напряженности поля на радиотрассах с низкорасположенными антеннами, а также структура поля в точке приема зависят от характера подстилающей (земной) поверхности. На всем протяжении трассы Землю предполагаем гладкой и однородной с заданными значениями относительной диэлектрической проницаемости и удельной электрической проводимостью почвы. Влияние сферичности Земли проявляется, главным образом, на достаточно большом расстоянии от передающей антенны, и определение напряженности поля на этих расстояниях производится с помощью графиков МККР. На более близких расстояниях расчет поля производится по упрощенным формулам, если подстилающую поверхность можно считать либо диэлектриком, либо проводником.

 

Контрольные вопросы

 

1.     В каком диапазоне радиоволн плотность тока смещения во влажной земной почве меньше плотности тока проводимости?

2.     Какова поляризация поля радиоволны в точке приема, если она излучается вертикальной антенной?

3.     В чем заключается факт наклона фронта волны в точке приема?

4.     Как зависят потери при распространении радиоволны на границе раздела воздух-земля от параметров подстилающей поверхности, от длины волны?

5.     Какие приемные антенны целесообразнее применять в гектометровом диапазоне?

 

Задача 8

 

Радиоприемник подключен к вертикальной антенне. Известна выходная мощность передатчика  Р1, либо задано действующее значение тока в пучности  IД. Задана также частота несущей излучаемого сигнала  f  и тип подстилающей поверхности, над которой распространяется волна. Данные вариантов приведены в таблице 8.1.

Необходимо рассчитать:

1.     Зависимость действующего значения напряженности поля земной волны без учета сферичности земной поверхности для расстояний 100, 150, 200, 250 км.

2.     Зависимость действующего значения напряженности поля земной волны с учетом сферической поверхности Земли для расстояний 200, 250 и 300 км.

3.     Результаты расчетов свести в таблицу 8.2.

4.     По результатам расчета построить графики зависимости действующих значений напряженности поля (в дБ) от расстояния (в км). Сформулировать выводы.

Таблица 8.1

Данные вариантов

 

Параметр

Предпоследняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Р1, кВт

10

-

15

-

20

-

25

-

30

-

IД, А

-

30

-

25

-

20

-

15

-

10
Параметр

Последняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

f, кГц

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

Тип поверхности

суша

море

суша

море

суша

море

суша

море

суша

море

 

Таблица 8.2

Результаты расчётов

 

--

Для плоской поверхности Земли

С учетом сферичности Земли

r, км

100

150

200

250

300

200

250

300

X

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

 

 

 

E1, мкВ/м

-

-

-

-

-

 

 

 

Eд, мВ/м

 

 

 

 

 

-

-

-

ЕД, мкВ/м

 

 

 

 

 

 

 

 

ЕД, дБ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 8.1. Графики МККР при распространении волны над сухой почвой.

 

 Рис 8.2. Графики МККР при распространении волны над морем.

 

ЗАНЯТИЕ 9

 

РАСЧЕТ ДЕКАМЕТРОВОЙ РАДИОТРАССЫ

 

Цель занятия

 

В результате выполнения данного задания студент должен:

з н а т ь  основные закономерности процесса распространения радиоволн КВ диапазона и методику составления волнового расписания для радиосвязи в данном диапазоне;

у м е т ь  составлять волновое расписание для заданной радиотрассы КВ диапазона;

п р и о б р е с т и  н а в ы к и  расчета мощности передатчика с учетом запаса мощности на быстрые и медленные замирания.

 

Методические указания

 

При подготовке к практическому занятию необходимо предварительно изучить [4, §§5.8, 5.14] или [5, §§10.1 - 10.4, 10.7]. Выполнение этого задания предусматривает работу в течение четырех аудиторных часов. В этом диапазоне радиоволн связь между пунктами передачи и приема может осуществляться за счет так называемых земной и пространственной (ионосферной) волн. С помощью земной волны в диапазоне КВ может быть обеспечена радиосвязь на небольшие расстояния (несколько десятков километров). С помощью пространственной волны может быть обеспечена радиосвязь на сколь угодно большие расстояния. При этом имеет место многократное последовательное отражение радиоволн от ионосферы и Земли.

Следует отметить, что для осуществления радиосвязи с помощью пространственной волны достаточна небольшая мощность передатчика. Это уникальное свойство диапазона КВ используется для построения систем дальней радиосвязи, для радиовещания, дальней (загоризонтальной) радиолокации, исследования ионосферы и т.д. Однако ряд особенностей распространения радиоволн этого диапазона снижает эффективность их использования. К таким особенностям прежде всего относится чрезвычайно сильная зависимость характеристики радиотрассы от параметров ионосферы. В соответствии с условием отражения радиоволн от ионосферы волны КВ диапазона могут отражаться только от верхнего слоя ионосферы. Электронная концентрация слоя F(F2) и число соударений в единицу времени νэф в ионосфере меняется в широких пределах в зависимости от солнечной активности, времени года, времени суток. Поэтому для осуществления достаточно надежной радиосвязи необходимо соответствующим образом менять частоту радиосвязи. Частота радиосвязи выбирается, исходя из обеспечения:

-минимального поглощения радиоволны в ионосфере (ограничение снизу);

-выполнение условия отражения (ограничения сверху).

Практически для каждой радиотрассы составляется волновое расписание, которое устанавливает, на каких частотах следует работать в различные часы суток. Составить волновое расписание – это значит определить наивыгоднейшие частоты радиосвязи, исходя из заданных реальных условий радиотрассы. При расчете мощности передатчика по методу Казанцева А.Н. положено предположение, что поле в месте приема создается в результате взаимодействия лучей, претерпевших разное число отражений. Можно применять упрощенный метод расчета в предположении, что волна отражается от слоя F(F2).

 

Контрольные вопросы

 

1.     Что называется критической частотой ионосферного слоя?

2.     Какими параметрами радиотрассы определяется условие отражения радиоволн от ионосферы?

3.     Исходя из какого условия выбирают максимально применимую частоту?

4.     От каких факторов зависит коэффициент поглощения в ионосфере?

5.     Что называется оптимальной рабочей частотой?

6.     В какое время суток можно работать на более высоких частотах в пределах КВ диапазона?

7.     Какова частотная зависимость интегрального коэффициента поглощения в слоях ионосферы?

 

Задача 9

 

Известны пункты передачи и приема, в которых расположены антенны с коэффициентами направленного действия D1 и D2. Электронная концентрация слоя Е в точке отражения равна NE=A*104, эл/см3. Мощность сигнала на входе приемного устройства равна Р2. Количество разнесенных приемных антенн равно n. Связь должна осуществляться с заданной надежностью р при значении стандартного отклонения логарифмически-нормального закона σ = 9дБ. Высота отражающего слоя hД = 250 км.

Данные вариантов приведены в таблице 9.1. Необходимо, используя данные таблицы вариантов, с помощью методических указаний составить волновое расписание. Для частоты, соответствующей 12 часам местного времени, рассчитать значение мощности передатчика с учетом запаса на быстрые и медленные замирания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 9.1

Данные вариантов

 

Параметр

Предпоследняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

№ пункта передачи

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

А

3

4

5

6

7

8

9

10

12

14

D1

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Параметр

Последняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

№ пункта приема

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

D2

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

n

1

2

3

1

2

3

1

2

3

1

Р2, пВт

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

р, %

90

95

99

90

95

99

90

95

99

90

 

В таблицах 9.2, 9.3 приведены названия пунктов передачи и приема и их географические координаты.

Таблица 9.2

Название и координаты пункта передачи

 

№

Названия пункта передачи

Широта в градусах северной широты

Долгота в градусах восточной долготы.

1

Ташкент

41,3

69,2

2

Алматы

43,0

77,0

3

Душанбе

38,8

68,8

4

Бишкек

42,8

74,6

5

Шимкент

42,1

69,6

6

Наманган

41,0

71,7

7

Нукус

42,5

59,6

8

Самарканд

39,5

66,8

9

Мары

37,7

61,8

10

Ашгабат

38,0

58,2

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 9.3

Названия и координаты пунктов приёма

 

№

Названия пункта приёма

Широта в градусах северной широты

Долгота в градусах восточной долготы.

1

Москва

55,6

37,5

2

Санкт-Петербург

59,8

30,2

3

Киев

50,5

30,8

4

Минск

54,0

27,6

5

Рига

57,0

24,2

6

Таллинн

58,5

24,6

7

Вильнюс

54,7

25,3

8

Кишинев

47,0

28,6

9

Тбилиси

41,8

44,8

10

Ереван

40,1

44,7

 

 

Задание рекомендуется выполнить в следующем порядке:

1.     С помощью контурной карты мира и карты больших кругов, приведенных ниже в приложении, определить расстояние между пунктами приема и передачи и координаты точек отражения от ионосферы.

2.     С помощью ионосферных карт и номограммы определить значения максимально применимых и оптимальных рабочих частот. Значения частот записать в таблицу. За образец взять таблицу 9.4.

3.     По аналогии с рис. 9.1 построить график суточного хода ОРЧ на трассе и составить таблицу волнового расписания. За образец взять таблицу 9.5.

 

Таблица 9.4

Суточный график МПЧ и ОРЧ для трасс короче 4000 км

 

Время суток

МПЧ - 0

МПЧ - 4000

МПЧ

ОРЧ

час

МГц

МГц

МГц

МГц

0

 

 

 

 

4

 

 

 

 

8

 

 

 

 

12

 

 

 

 

16

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

Рис. 9.1. График суточного хода ОРЧ

 

Таблица 9.5

Волновое расписание

 

Примечание

МГц

Время использования частот

fОРЧ1

 

 

fОРЧ1

 

 

fОРЧ1

 

 

 

4.     Рассчитать значение необходимой мощности передатчика с учетом запаса на быстрые и медленные замирания.

 

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ РАБОЧИХ ЧАСТОТ

 

Определение максимально применимых частот и оптимальных рабочих частот для каждой конкретной радиолинии обычно производится с помощью карт радиопрогнозов распространения ионосферных радиоволн. Необходимость составления ионосферных карт, которые характеризуют состояние ионизации слоя F2 в виде прогноза, т.е. ожидаемого состояния (как при составлении прогнозов погоды), вызвана тем, что этот слой является самым неустойчивым образованием ионосферы. Эти карты составляются на основании данных о критических частотах слоя F2, полученных ионосферными станциями вертикального зондирования ионосферы, расположенными по всему земному шару. В инженерной практике принято разделение радиопрогнозов на краткосрочные и долгосрочные. Долгосрочные прогнозы являются прогнозами распространения радиоволн для среднего, спокойного состояния ионосферы. В зависимости от назначения и от периода времени, которые они охватывают, долгосрочные прогнозы делятся на месячные, годовые и прогнозы на одиннадцатилетний цикл. Краткосрочные прогнозы являются прогнозами возмущённой ионосферы, вероятных отклонений параметров ионосферы по сравнению спокойными условиями и в зависимости от назначения могут характеризовать периоды от нескольких часов до одного месяца. Месячный прогноз является основным документом, служащим для составления текущего расписания частот для радиоцентров и узлов связи. Этот прогноз содержит карты максимально применимых частот (МПЧ). На этих картах нанесены изоплеты, т.е. линии одинаковых значений максимально применимых частот на заданное время суток по московскому декретному времени. Надписи у этих линий обозначают эти частоты в МГц. Обычно карты составляют через двухчасовые интервалы и суточный комплект состоит из 12 карт. Таким образом, ионосферная карта позволяет определить ожидаемое значение МПЧ в любой точке земного шара в заданный момент по московскому декретному времени.

Для определения МПЧ необходимо знать:

1.     Длину трассы, т.е. расстояние между передающей и приёмной станциями;

2.     Координаты точки отражения радиоволны от ионосферы.

Длина радиотрассы определяется для того, чтобы выяснить, сколько отражений от ионосферы имеет место на трассе. Предельным расстоянием, на котором осуществляется радиосвязь с одним отражением от ионосферы, считается для слоя F2 - 4000 км, для слоя F1 – 3000 км, для слоя Е – 2000 км.

Для определения длины радиотрассы, координат точек отражения или контрольных точек пользуются картой мира (рис. 9.1) и картой больших кругов (рис. 9.2.). Для этого необходимо проделать следующее:

На карту мира наложить лист кальки, нанести на кальке экватор, один из меридианов (проходящий через 45◦ восточной долготы – это меридиан московского декретного времени) и конечные пункты трассы (рис. 9.3).

Перенести кальку на карту больших кругов так, чтобы линии экватора на карте и кальке совпадали. Перемещая кальку вдоль линии экватора, нужно подобрать такое положение, при котором точки, соответствующие передающей и приёмной станциям попали на дугу большого круга или заняли промежуточное положение между соседними дугами. Прочертить на кальке часть дуги, большого круга, соединяющей концы радиотрассы.

 

 

 

Рис. 9.1. Карта мира

Рис. 9.2. Карта больших кругов

Пунктирные линии карты делят дуги больших кругов на отрезки в 500 км, а пунктирные с точкой – 1000 км. Путём сложения полученных отрезков определяется длина трассы. Точки отражения или контрольные точки наносятся крестиком. Для трассы с одним отражением точка отражения определяется на середине дуги большого круга, заключённой между концами радиотрассы. На трассах длиннее 4000 км радиосвязь осуществляется через слой F2, с несколькими отражениями от ионосферы. В этом случае предполагается, что отражение имеет место в двух контрольных точках, стоящих на расстоянии 2000 км от пункта передачи.

          

Рис. 9.3. К определению длины радиотрассы и координат точки отражения

Для определения координат точки отражения перенести кальку на карту мира, совмещая линии экватора и меридиана. По градусной сетке карты определить координаты точки отражения или контрольных точек.

При определении МПЧ по ионосферным картам для нулевого расстояния F2 - 0 - МПЧ и для расстояния 4000 км F2 - 4000 - МПЧ для всех часов суток кальку следует накладывать так, чтобы экватор и меридиан кальки совпадали с соответствующими линиями на карте.

Отсчёт МПЧ – 0 и МПЧ – 4000 производится по значению частоты, находящейся на линии одинаковых частот (изоплете), совпадающей с точкой отражения. Если длина трассы имеет любое промежуточное значение между 0 и 4000 км, то F2 – МПЧ для соответствующего расстояния определяется по номограмме (рис. 9.4.).

Например: длина трассы 3000 км. Максимально применяемая частота такой трассы будет меньше МПЧ – 4000, но больше МПЧ – 0. Чтобы определить МПЧ – 3000, сначала по ионосферной карте определяют F2 – 0 – МПЧ и F2 – 4000 – МПЧ. Для этого на ионосферную карту накладывают кальку, чтобы экватор и меридиан совпадали с соответствующими линиями на карте. Против точки отражения на середине трассы отсчитывают соответствующее значение F2 – 0 – МПЧ и F2 – 4000 – МПЧ.

Пусть F2 – 0 – МПЧ = 6 МГц, F2 – 4000 – МПЧ = 12 МГц. Для определения F2 – 3000 – МПЧ откладываем на оси F2 – 0 – МПЧ 6 МГц, а на оси F2 – 4000 – МПЧ – 12 МГц.

Положим на номограмму прозрачную линейку так, чтобы она соединила полученные цифры. Точка пересечения этой линии с горизонтальной прямой, соответствующей длине радиотрассы в 3000 км, сносится на линию частот 4000 – МПЧ параллельно наклонным линиям (рис. 9.4.). Полученный результат составляет F2 – 3000 – МПЧ = 11,3 МГц.

Чтобы неучтённые изменения электронной концентрации в ионосфере не привели бы к нарушению связи, рассчитывают оптимальную рабочую частоту (ОРЧ). Она обеспечивает связь по условиям отражения в течение 90 % времени за месяц и является верхним пределом рабочего диапазона частот при составлении волнового расписания. Статическая обработка наблюдений показала, что при спокойном состоянии ионосферы ОРЧ должна быть ниже месячной МПЧ слоя F2 на 10 … 20 %.

Для каждой коротковолновой радиолинии согласно международным правилам выделяется ряд фиксированных частот для работы в течение суток. Для протяжённых линий число таких частот достигает четырёх – пяти, а для более коротких – двух – трёх.

Рис. 9.4. Номограмма для определения F2 – МПЧ радиотрасс длиной

от  0  до  4000 км.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прогноз F2-0-МПЧ на декабрь         0 часов Московского дискретного времени

Прогноз F2-0-МПЧ на декабрь          4 часа  Московского дискретного времени

Прогноз F2-0-МПЧ на декабрь        8 часов Московского дискретного времени

Прогноз F2-0-МПЧ на декабрь       12 часов Московского дискретного времени

Прогноз F2-0-МПЧ на декабрь        16 часов Московского дискретного времени

Прогноз F2-0-МПЧ на декабрь        20 часов Московского дискретного времени

Прогноз F2-4000-МПЧ на декабрь      0 часов Московского дискретного времени

Прогноз F2-4000-МПЧ на декабрь      4 часа Московского дискретного времени

Прогноз F2-4000-МПЧ на декабрь       8 часов Московского дискретного времени

Прогноз F2-4000-МПЧ на декабрь     12 часов Московского дискретного времени

Прогноз F2-4000-МПЧ на декабрь     16 часов Московского дискретного времени

Прогноз F2-4000-МПЧ на декабрь     20 часов Московского дискретного времени

Список литературы

 

1.     Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. – М.: Связь, 1972.

2.     Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства – М.: Радио и связь, 1989

3.     Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. – М.: Радио и связь, 1981.

4.     Долуханов М.П. Распространение радиоволн. – М.: Связь, 1972

5.     Черенкова Е.Л., Чернышев О.В. Распространение радиоволн – М.: Радио и связь, 1984

6.     Ерохин Г.А., Чернышев О.В. и др. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. – М.: Радио и связь, 1996

7.     Ликонцев Д.Н Антенно-фидерные устройства. Конспект лекций. – Т.: ТУИТ, 2002

 

 

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ (часть1) И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к их выполнению по дисциплинам «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства», «Электродинамика и распространение радиоволн», «Антенны и устройства СВЧ» рассмотрены на заседании кафедры АФУ     декабря 2004 г. (протокол №     ) и рекомендованы к печати.

 

 

 

 

 

 

     Отв. редактор доц. Ликонцев Д.Н.

   Составитель доц. Ликонцев Д.Н.

 

 

Редакционно-корректурная комиссия:

 

Редактор доц. Романенко Б.А.

    Корректор ст.преп. Павлова С.И.