УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра АФУ

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ  ЗАДАНИЯ

И МЕТОДИЧЕСКИЕ  УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ  КУРСОВОГО  ПРОЕКТА

часть 1

по дисциплине 
«Распространение радиоволн и

антенно-фидерные устройства»

для студентов очного и заочного обучения

и направления подготовки «Телевидение, радиосвязь и радиовещание»

Ташкент 2004

ВВЕДЕНИЕ

Основной целью выполнения курсового проекта является закрепление и углубление знаний студента по наиболее важным разделам программы дисциплины «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн». Для выполнения расчётов по курсовому проекту необходимо изучить рекомендованный в указаниях по выполнению курсового проекта теоретический материал. Предлагаемые задания включают главным образом расчёт антенных решеток, состоящих из излучающих элементов СВЧ диапазона, параболической антенны для телевизионной станции и ромбической антенны КВ диапазона. Для каждого заданного типа антенны необходимо произвести конструктивный расчёт ее элементов, рассчитать электродинамические характеристики антенны и выбрать систему питания.

         Задание на курсовой проект имеет различные варианты. Варианты выбираются по двум последним цифрам студенческого билета. При выполнении курсового проекта необходимо указывать номер выполняемого варианта.

         При выполнении и оформлении курсового проекта студент должен придерживаться следующих правил:

1. При выполнении проекта во введении необходимо указать цель данного расчета, привести конструкцию заданной антенны, подробно описать ее принцип действия и изучить особенности распространения радиоволн заданного диапазона.

2. Результаты расчета характеристики направленности (диаграммы направленности) следует привести в виде таблицы. По результатам расчета характеристики направленности необходимо произвести ее нормирование и на рисунке привести нормированную диаграмму направленности (ДН) антенны в прямоугольной системе координат.

3. При расчете антенных решеток и параболической антенны, предназначенных для радиорелейных линий связи и телевизионного вещания, в качестве исходной величины для определения требуемого значения коэффициента направленного действия (КНД) в задании даётся либо действующее значение напряженности поля Е в месте расположения приёмной антенны, либо мощность сигнала на выходе приёмной антенны P₂. Если задано только значение напряженности электрического поля и приемная антенна находится на расстоянии r, для которого выполняется следующее соотношение

 ,                           (1)

то значение КНД можно определить из формулы Б.А. Введенского [1]

мВ/м,                         (2)

где Р₁ - мощность на выходе передатчика;

r - расстояние между передающей и приёмной антеннами;

l         - длина волны, м;

D₁ - коэффициент направленного действия передающей антенны;

h^I₁ и h^I₂ - высоты подвеса передающей и приемной антенн с учетом сферичности земной поверхности, равные [2]:

  _,                                                                                     (3)

,                                                     (4)

где  h₁  и   h₂   - высоты подвеса передающей и приемной антенн,

a_Э – эквивалентный радиус Земли, который равен

^,                                                     (5)

где а – радиус Земли, равный 6,37×10⁶ м;

dN/dh – градиент индекса коэффициента преломления тропосферы.

Для расчета КНД по известным значениям мощности на входе приемного устройства Р₂ и напряженности электрического поля Е в месте расположения приемной антенны можно воспользоваться следующей формулой [3]

,                                                    (6)

где    G₂     - коэффициент усиления приемной антенны;

h₂      - КПД фидера приемной антенны

Первоначально условно принимаем значение h₂ =1 и D » G.

Поскольку в коаксиальном антенном фидере длиной l_ф возникают потери a, равные

a = a₁× l_ф  ,   дБ,                                                     (7)

где a₁ - погонное ослабление в фидере, дБ/м, то эти потери необходимо компенсировать увеличением значения КНД от D  до D_A

D_A=10 lg D +a ,  дБ                                               (8)

и по значению D_A (в разах)    рассчитать саму антенну.

В синфазных эквидистантных антенных решетках поперечного излучения

D_A » D₁×N,                                                            (9)

где    D₁ – КНД одного излучателя,

N – количество излучателей.

         Для антенн, запитываемых волноводом (антенн сантиметрового диапазона) необходимо рассчитать коаксиально-волноводный переход (КВП), состоящий из отрезка волновода и возбуждающего штыря, соединённого с центральной жилой коаксиального кабеля. Возбуждающий штырь устанавливается на расстоянии l₂=L/4 от короткозамкнутого конца волновода.

         В случае использования прямоугольного волновода и расположения штыря посередине широкой стенки волновода высоту штыря l₁ можно рассчитать по формуле

,                          (10)

где W_Ф – волновое сопротивление питающего коаксиального кабеля (50 или 75 Ом);

a и b – внутренние размеры соответственно широкой и узкой стенок волновода;

L -длина волны в волноводе, равная

L = l /Ö1-l/(2а)²  .                                              (11)

Рис.1. Эскиз коаксиально-волноводного перехода

Марка коаксиального кабеля и соответствующее значения a₁  выбираются из таблицы Приложения 1.

Марка прямоугольного волновода, соответствующее значение a₁  и внутренние размеры поперечного сечения волновода выбираются из таблицы Приложения 2.

Варианты 00…19

1. РАСЧЕТ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ

Рис.1.1.Эскиз параболической антенны

Требуется рассчитать антенну для передвижной телевизионной станции внестудийного вещания, работающей на несущей частоте видеосигнала f. Антенна выполнена в виде параболоида вращения и должна в месте расположения приемной антенны (на телецентре) обеспечить заданное значение напряженности поля Е при выходной мощности передатчика
Р₁=15 Вт. Расстояние между передвижной станцией и телецентром r, высота подвеса приемной антенны 100 м, а передающей – 5 м. В качестве облучателя параболического зеркала используется симметричный полуволновой вибратор с плоским контррефлектором. Длина фидера l_ф. Известен градиент индекса коэффициента преломления тропосферы  dN/dh на трассе.

         В расчете необходимо:

1. Рассчитать конструктивные размеры облучателя и значение его входного сопротивления. Рассчитать характеристики направленности облучателя с шагом в 10° (от 0° до 90°) и построить их нормированные ДН в плоскостях Е и Н в прямоугольной системе координат и определить оптимальный угол раскрыва зеркала Y_опт (см. пример на рис.1.2).

2. Выбрать марку питающего коаксиального кабеля и определить степень его согласования (значение КБВ) с входным сопротивлением облучателя антенны.

3. Определить требуемое значение КНД антенны D_A .

4. Определить значение коэффициента использования поверхности раскрыва параболического зеркала, используя рис.1.3.

5. С учетом, рассчитанных ранее, значений КНД антенны и коэффициента использования поверхности раскрыва параболического зеркала рассчитать конструктивные размеры параболического рефлектора (зеркала): диаметр,  фокусное расстояние, профиль зеркала и допуски отклонений.

6. Рассчитать характеристики направленности антенны в плоскостях Е и Н. Построить нормированные ДН параболической антенны и по ним определить ширину главного лепестка по уровням нулевого излучения и половинной мощности, уровень первого бокового лепестка в плоскостях Е и Н.

Таблица вариантов

Вариант	00 10	01 11	02 12	03 13	04 14	05 15	06 16	07 17	08 18	09 19
f, МГц r, км E, мВ/м	780 20 14 13	800 21 13 12	820 22 12 11	840 23 11 10	860 24 10 9	880 25 9 8	900 26 8 7	920 27 7 6	940 28 6 5	960 29 5 4
dN/dh, 1/м	0	-0,02	-0,04	0,02	0	-0,02	-0,04	0	-0,02	-0,04

Для вариантов 00…09 – значение длины питающего фидера l_ф =10м, а для вариантов 10…19 – l_ф =15м.

Указания по расчету

Для выполнения задания по курсовому проектированию необходимо предварительно изучить  §§ 3.2, 5.2, 7.4, 11.8 [3] или  §§ 3.2, 5.2…5.5, 6.2, 9.2, 9.4 [4], §§ 2.2, 2.7, 5.20 [1] и 7.1…7.5 [2].

Контррефлектор представляет собой металлическую пластину диаметром 0,815l (l - длина волны), расположенную на расстоянии d = l/4 от вибратора.

Входное сопротивление облучателя в виде полуволнового вибратора с плоским контррефлектором равно

Z_вх = R_вх + jХ_вх = Z₁₁ – Z₁₂ = (R₁₁ – R₁₂) + j(X₁₁ – X₁₂),        (12)

где  Z₁₁ = R₁₁+jX₁₁ – собственное значение входного сопротивления;

Z₁₂ = R₁₂+jX₁₂ – наведенное сопротивление.

Для полуволнового вибратора     R₁₁ = 73,1 Ом,       Х₁₁=42,5 Ом.

Значения наведённых сопротивлений R₁₂ и X₁₂ определяются по графикам § 3.2 [3,4],  являющихся функциями расстояния между вибратором и его зеркальным изображением,  т.е. 2d₁.  В случае  Х_вх > 0, для получения чисто активного входного сопротивления вибратор должен быть укорочен в соответствии с формулой

,                                            (13)

где W – волновое сопротивление вибратора.

Коэффициент бегущей волны (КБВ) в питающем фидере можно определить по формуле:

                                         (14)

В тех случаях, когда волновое сопротивление питающего фидера W_Ф

резко отличается от входного сопротивления R_BX облучателя для согласования можно использовать четвертьволновый трансформатор с волновым сопротивлением W_T, представляющий собой отрезок фидера длиной в четверть длины волны в кабеле  l_к/4 = l / (4√e), где e - относительная диэлектрическая проницаемость заполнителя кабеля, например, для полистирола e = 2,5. 

W_T = √ R_BX ∙ W_Ф (15)

Характеристики направленности облучателя в плоскостях Е и Н можно рассчитать по формулам:

,                        (16)

.                                          (17)

По рассчитанным значениям построить нормированную ДН облучателя в плоскостях Е и Н. Угол раскрыва зеркала  Y_опт определяется по ширине диаграммы направл

угла раскрыва зеркала Y_опт из графика, представленного на рис.1.3 определить значение коэффициента использования поверхности раскрыва v параболического зеркала.

Рис.1.3.Зависимость коэффициента использования поверхности раскрыва параболической антенны от угла раскрыва

                                                               .

Радиус раскрыва параболического зеркала определяется из соотношения

(18)

где n - коэффициент использования поверхности раскрыва зеркала;

S _ЗАТ – площадь облучателя, затеняющего раскрыв зеркала.

Фокусное расстояние f₀ параболического зеркала определяется по формуле

f₀ = (R₀ /2)×ctg(Y_ОПТ /2).                                                         (19)

Полученную величину необходимо подкорректировать так, чтобы выполнялось равенство f₀ = nl /4 , где n = 1, 2, 3, 4, … .

Для расчета профиля параболического зеркала используется формула

y = √ 4 f₀Z

Приращение по Z дается до тех пор, пока величина "y" не станет равной R₀.

Далее рассчитываются допуски на точность изготовления параболической антенны:

а) на отклонение формы поверхности зеркала от заданной

s < l/30,                                                                       (20)

б) на смещение облучателя из фокуса в осевом направлении

s_f = l/[4×(1 - cosY_ОПТ)] . (21)

Для расчета характеристики направленности параболической антенны необходимо предварительно рассчитать и построить приближённое амплитудное распределение в раскрыве зеркала в плоскостях Е и Н с помощью формул:

E_S^E / E₀ = [(1+cosq)/2]×F^E(q), (22)

E_S^H / E₀ = [(1+cosq)/2]×F^H(q), (23)

где    F^E(q) и F^H(q) – значения характеристик направленности облучателя в плоскостях Е и Н для углов 0⁰ … Y_ОПТ.

         Приближенное амплитудное распределение поля можно рассматривать как функцию относительного переменного радиуса раскрыва t = r / R₀, где  r - расстояние до определенной точки раскрыва. Каждому значению угла q диаграммы направленности соответствует своё значение t, связанное с геометрическими размерами зеркала соотношением

t = (2f₀/R₀)×[sinq/(1+cosq)].                                 (24)

Выражение для нормированной величины t имеет вид

t_H = sinq×(1+cosY_ОПТ)/[(1+cosq)×sinY_ОПТ].                           (25)

Результаты расчёта E^E_S /E₀,  E^H_S /E₀ и t_H занести в таблицу 1.1.

                                                                                                             Таблица 1.1

Результаты расчёта амплитудного распределения

Q°	E^ES	E^HS	tH
0 10 20 … YОПТ

По результатам расчёта построить амплитудные распределения в раскрыве зеркала и определить величины «пьедесталов» D (см. пример на      рис.1.4).

Рис. 1.4. Пример амплитудного распределения

Характеристики направленности параболической антенны в плоскостях Е и Н можно рассчитать по формулам:

f^E(a) = D^E×L₁(U)+[(1-D^E)/4]×L₂(U), (26)

f^H(a) = D^H×L₁(U)+[(1-D^H)/4]×L₂(U), (27)

где U = (2pR₀/l)sina.

Расчет значений f^E(a) и f^H(a) проводят через каждые 2° до тех пор, пока не будет рассчитан главный лепесток и два боковых лепестка.

         Значения лямбда-функций можно определить из графиков на рис 1.5. Значения f^E(a) и f^H(a) следует отнормировать, т. е. F^E(a) = f^E(a)/f^E_max(a) и 
F^Н(a) = f^Н(a)/f^Н_max(a).

         Результаты расчёта свести в таблицу и построить нормированные диаграммы направленности в прямоугольной системе координат.

Ориентировочный перечень контрольных вопросов к защите курсового проекта:

1. Принцип действия параболической антенны.

2. Виды облучателей параболических антенн и требования к ним.

3. Влияние амплитудного распределения в раскрыве параболического зеркала на ДН антенны.

4. Как зависит ширина ДН излучающей площадки

а) от вида амплитудного распределения?

б) от вида фазового распределения?

5. Что такое коэффициент использования поверхности антенны и от чего он зависит?

6. От чего зависит КНД излучающей площадки?

7. Методы согласования облучателя с питающим фидером.

8. Реакция зеркала на облучатель и борьба с этим явлением.

9. Область применения параболической антенны.

10. Особенности РРВ над плоской поверхностью Земли при поднятых антеннах.

11. Учет влияния сферичности земной поверхности при расчете напряженности поля в зоне освещенности.

12. Управление ДН параболической антенны.

13. Оптимальный угол раскрыва параболической антенны.

14. Требования к облучателям параболических антенн.

15. Параметры антенно-фидерных устройств.

Рис. 1.5. Графики для определения значений L₁(U), L₂(U)

Варианты 20…39

2. РАСЧЕТ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ИЗ СПИРАЛЬНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Рис.2.1.Эскиз  антенной решетки из двух спиральных излучателей

  Требуется рассчитать приёмную антенну с вращающейся поляризацией, работающую на средней частоте f. Антенна выполнена в виде синфазной эквидистантной антенной решётки из цилиндрических спиралей и должна обеспечить на входе приёмного устройства  мощность сигнала Р₂ при заданном значении напряженности поля в точке приёма Е.  Антенным фидером служит коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Длина фидера l_Ф.

         В расчете необходимо:

1. Нарисовать схему питания синфазной эквидистантной антенной решётки из цилиндрических спиралей.

2. Выбрать тип фидера и рассчитать его затухание на средней частоте (Приложение 1).

3. Рассчитать требуемое значение коэффициента направленного действия антенны с учётом затухания в фидере.

4. Выбрать число спиралей и рассчитать их конструктивные размеры: диаметр витка, число витков, длину спирали, входное сопротивление спирали, диаметр противовеса (экрана) и расстояние между спиралями.

5. Рассчитать характеристику направленности и построить нормированную диаграмму направленности одной спирали.

6. Определить ширину главного лепестка по нулевой и половинной мощности излучения отдельной спирали.

7. Рассчитать характеристику направленности и построить в прямоугольной системе координат нормированную диаграмму направленности антенной решётки.

8. Определить ширину диаграммы направленности антенной решётки по нулевому излучению и по мощности излучения.

Таблица вариантов

Вариант	20 30	21 31	22 32	23 33	24 34	25 35	26 36	27 37	28 38	29 39
f, МГц Р2, пВт Е, мкВ/м	400 50 110	450 50 115	500 50 120	1400 60 480	1500 70 510	1600 70 560	1700 70 520	1800 80 550	1900 85 570	2000 90 590

Для вариантов 20…29 значение длины питающего фидера l_Ф = 10м, а для вариантов 30…39 – l_Ф = 20м.

Указания к расчёту

Для выполнения задания по курсовому проектированию необходимо предварительно изучить §§ 5.2, 7.2, 7.3, 11.5  [3] или §§ 4.3, 6.2, 8.6 [4], §§ 2.2, 5.20 [1] и §§ 7.1…7.5 [2].

         Питание излучателей антенной решётки можно произвести по схеме типа «ёлочка», которая имеет следующий вид

Рис.2.2. Схема питания типа «елочка» для антенной решетки из четырех спиральных излучателей
(1 – коаксиальный фидер, 2 – коаксиальные тройники, 3 – спиральный излучатель).

Количество элементов в синфазной эквидистантной антенной решётке для данной схемы питания может быть равно 2, 4, 8, 16 и т.д.

         При определении числа спиральных излучателей в антенной решётке необходимо учесть, что КНД антенны приблизительно равен произведению КНД одного излучателя на количество излучателей в решётке.  Задавшись количеством витков в спирали (но не более 10) и рассчитав значение КНД спи-рального излучателя D_сп, определяют количество излучателей N (N = D_A/D_сп), выбирая одно из возможных значений числа излучателей для выбранной схемы питания. Рассчитанное таким образом значение КНД антенной решётки должно быть больше значения D_A на 5…20%.

Порядок определения величины D_A с учетом ослабления в фидере указан ранее.

Спиральный излучатель (рис.2.3) изготавливается из металлического проводника диаметром (0,03…0,06)l  (l - длина волны), свернутого по образующей цилиндра в спираль, расположенную над плоским экраном так, что ось спирали перпендикулярна плоскости экрана. В диапазоне дециметровых волн экран диаметром (0,9…1,1)l выполняется из металлической сетки с размером ячеек не более 0,1l.

Рис.2.3 Спиральный излучатель (1 – экран, 2 – четвертьволновой трансформатор, 3 – коаксиальный фидер)

Методика расчета коаксиального четвертьволнового трансформатора приведена выше.

Краткая информация по спиральному излучателю

Экран выполняет функции переходного устройства, устраняя антенный эффект фидера и обеспечивая однонаправленное излучение. Коаксиальный фидер подводится к спирали обычно не по осевой линии, а по образующей и подключается непосредственно к первому витку. Угол намотки первого витка выполняется плавно изменяющимся от 0° до значения a на последующих витках. В этом случае он выполняет роль трансформатора, согласуя при этом фидер с входным сопротивлением антенны.

При диаметре спирали, меньшем 0,18l, антенна работает как штыревая с малым сопротивлением излучения. При диаметре спирали больше 0,45l диаграмма направленности антенны раздваивается относительно оси антенны. При диаметре спирали (0,25…0,45)×l антенна создает излучение вдоль оси по направлению движения волны тока. В основном, применяются спиральные антенны с направлением максимального излучения вдоль оси. В антенне с длиной витка, равной примерно средней длине волны L=l и при числе витков более трех, устанавливается режим бегущей волны.

Параметрами цилиндрической спирали являются:

l – осевая длина спирали; S – шаг спирали (расстояние между центрами соседних витков); L – длина витка спирали, n – число витков спирали, a - угол подъема витка и d – диаметр спирали.

Между указанными параметрами существуют следующие соотношения:

L²=(pd) ² + S²  ,                                                            (28)

sin a = S/L,                                                                     (29)

 l = nS,                                                                            (30)

Условие получения круговой поляризации поля выполняется, если

L_круг = (l+S)× v/c ,                                                      (31)

а для получения максимального значения КНД необходимо

L_опт = (l+S+l/(2n))× v/c ,                                           (32)

где v – фазовая скорость, c – скорость света, c/v – коэффициент замедления.

             При большом числе витков значение L_опт незначительно отличается от  L_круг, т.е. обеспечивается максимальный КНД при почти круговой поляризации поля. Если параметры антенны подобраны в соответствии с (29) и (30), то хорошие направленные свойства и поляризация поля, близкая к круговой, сохраняется в довольно широком диапазоне волн от (0,7…0,8) l до 1,4 l.

            Шаг витка S = (0,15…0,3) l. Угол a обычно лежит в пределах 8°…15°.

 Ориентировочно L » l, S » 0,22l.

         Значения коэффициента направленного действия D, входного сопротивления R_вх, ширины диаграммы направленности по нулевому излучению 2j₀ и по половинной мощности  2j_0,5  спиральной антенны при
n > 3 и a = 12°…15° можно определить по полуэмпирическим формулам:

D »  15 (L/l)²×(nS/l),                                                   (33)

R_вх=140L/l , Ом,                                                          (34)

                                    2j₀ = 115°/[( L/l)ÖnS/l],                                               (35)

                                    2j_0,5 = 51°/[( L/l)ÖnS/l].                                               (36)

Характеристику направленности отдельной спирали можно рассчитать по формуле

,                                    (37)

где    n – количество витков спирали,

S – шаг витка,

L – длина витка,

Q – угол между осью спирали и направлением на точку наблюдения.

Расстояние между излучателями синфазной эквидистантной антенной решётки предлагается выбрать равным d₁ = l / 2.

При расчёте характеристики направленности антенной решётки необходимо в формулу (37) добавить множитель системы антенной решётки

,                                                        (38)

Ширина главного лепестка синфазной эквидистантной антенной решетки поперечного излучения приближенно определяется по формулам

                            2q₀ = 115°l/(Nd₁) ,                                                                (39)

2q_0,5 = 51°l/(Nd₁) .                                                                (40)

Ориентировочный перечень контрольных вопросов к защите курсового проекта:

1. Принцип действия спирального излучателя.

2. Виды спиральных излучателей (антенн), их достоинства и недостатки.

3. Принцип действия антенн бегущей волны. Оптимальная длинна антенны. ДН антенн бегущей волны.

4. ДН спиральных излучателей. Зависимость ДН от формы и размеров излучателей.

5. ДН синфазной эквидистантной антенной решетки.

6. КНД синфазной эквидистантной антенной решетки.

7. Выбор расстояния между излучателями синфазной эквидистантной антенной решетки.

8. Влияние амплитудного и фазового распределения на ДН эквидистантной антенной решетки.

9. Схема питания синфазной эквидистантной антенной решетки.

10. Диапазонность и поляризационные свойства спиральных излучателей.

11. Область применения спиральных антенн.

12. Особенности распространения радиоволн над плоской поверхностью Земли при поднятых антеннах.

13. Учет влияния сферичности земной поверхности при расчете напряженности поля в зоне освещенности.

14. Параметры антенно-фидерных устройств.

Варианты 40…59

3. РАСЧЕТ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ИЗ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ

Рис.3.1. Эскиз антенной решетки из двух диэлектрических стержней (1 – конический диэлектрический стержень, 2 – волноводный тройник, 3 – коаксиально-волноводный переход)

Требуется рассчитать приемную антенну, работающую на частоте f. Антенна выполнена в виде синфазной эквидистантной антенной решетки из диэлектрических стержней и должна обеспечивать на входе приемного устройства мощность сигнала Р₂ при заданной напряженности поля в точке приема Е. Антенным фидером служит коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Длина фидера l_ф.

В расчете необходимо:

1. Нарисовать схему питания синфазной эквидистантной антенной решетки.

2. Выбрать тип фидера и рассчитать ослабление сигнала на средней частоте (Приложение 1).

3. Рассчитать требуемое значение КНД антенны с учетом ослабления в фидере.

4. Рассчитать конструктивные размеры диэлектрического стержня: максимальный и минимальный диаметры, длину стержня и определить значение КНД.

5. Выбрать число диэлектрических стержней и расстояние между ними.

6. Нарисовать возбуждающее устройство диэлектрического стержня и выбрать для него тип прямоугольного волновода и рассчитать размеры коаксиально-волноводного перехода.

7. Рассчитать характеристики направленности и построить нормированные ДН одного диэлектрического стержня.

8. Рассчитать характеристики направленности и построить нормированные ДН синфазной антенной решетки.

Таблица вариантов

Вариант	40 50	41 51	42 52	43 53	44 54	45 55	46 56	47 57	48 58	49 59
f, МГц	700	750	800	850	900	950	1000	1050	1100	1150
Р2, пВт	50	55	60	65	70	75	80	85	90	95
Е, мкВ/м	100	110	120	130	140	150	160	170	180	190

Для вариантов 40…49 значение длины питающего фидера l_Ф=15 м, а для вариантов  50…59 – l_Ф=25 м.

Указания к расчёту

Для выполнения задания по курсовому проектированию необходимо предварительно изучить §§ 5.2, 7.2, 7.3,11.9[3] или §§ 4.3, 6.2, 8.7[4],  §§2.2, 5.20[1] и §§7.1…7.5[2].

Схему питания излучателей антенной решетки целесообразно выбрать в виде «ёлочки».

Для расчета размеров диэлектрического стержня необходимо выбрать материал, из которого будет изготовлен этот стержень (см. табл. 4.1) .

Таблица 4.1

Значения относительной диэлектрической проницаемости e различных материалов

№	Материал диэлектрика	e
1	Полистирол	2,50
2	Полиэтилен высокой плотности	2,33
3	Фторопласт-4	2,02
4	Фторопласт-4МБ	2,10
5	Фторопласт-4ОШ	2,60
6	Фарфор	5,20

Для графического определения величины v/c (обратной коэффициенту замедления c/v, где с – скорость света, v – фазовая скорость в стержне) необходимо предварительно определить среднее значение диаметра стержня

d = (d_max + d_min) /2,

где d_max = l / Öp(e - 1) , (41)

d_min = l / Ö2,5 p(e - 1) , (42)

l - длина волны.

Рис.3.2 Зависимость величины v/c от e и d/l

Значения оптимальной длины стержня и его КНД можно рассчитать по формулам:

,                                                         (43)

D₁ = (7…8) L / l,                                                                 (44)

где L – длина диэлектрического стержня.

Количество стержней N определяется отношением D_A/D₁ и округляется в большую сторону до рекомендуемых значений N при питании по схеме «ёлочка».

В качестве возбуждающего устройства для диэлектрического стержня можно также использовать коаксиально-волноводный переход (рис.4.3), соединенный с коаксиальными тройниками.

Рис.3.3. Эскиз коаксиально-волноводного перехода с диэлектрическим стержнем

Расчёт размеров коаксиально-волноводного перехода приведен ранее. Марка прямоугольного волновода выбирается из Приложения 2 так, чтобы в волноводе был одноволновой режим.

Характеристики направленности одного стержня в плоскостях E и H рассчитываются по формулам:

,                                        (45)

                                          (46)

При соединении N диэлектрических стержней в синфазную решетку с расстоянием между стержнями d₁ добавляется множитель антенной решетки

                                           (47)

к формуле (45) или (46), в зависимости от вида соединения стержней в решетку.

Ориентировочный перечень контрольных вопросов

к защите курсового проекта:

1. Принцип действия диэлектрического излучателя.

2. Виды диэлектрических излучателей (антенн), их достоинства и недостатки.

3. Принцип действия антенн бегущей волны. Оптимальная длинна антенны. ДН антенн бегущей волны.

4. ДН диэлектрических излучателей. Зависимость ДН от формы и размеров излучателей.

5. ДН синфазной эквидистантной антенной решетки.

6. КНД синфазной эквидистантной антенной решетки.

7. Выбор расстояния между излучателями синфазной эквидистантной антенной решетки.

8. Влияние амплитудного и фазового распределения на ДН эквидистантной антенной решетки.

9. Схема питания синфазной эквидистантной антенной решетки.

10. Диапазонность и поляризационные свойства диэлектрических излучателей.

11. Область применения диэлектрических антенн.

12. Особенности распространения радиоволн над плоской поверхностью Земли при поднятых антеннах.

13. Учет влияния сферичности земной поверхности при расчете напряженности поля в зоне освещенности.

14. Параметры антенно-фидерных устройств.

15. Согласование диэлектрических излучателей с волноводом и окружающим пространством.

Варианты 60…79

4. РАСЧЕТ СИНФАЗНОЙ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВОЙ АНТЕННЫ

Рис.4.1. Эскиз синфазной щелевой антенны на прямоугольном волноводе (1 – коаксиально-волноводный переход, 2 – щель, 3 –  короткозамыкающий поршень, 4 – коаксиальный фидер)

Требуется рассчитать синфазную щелевую антенну на прямоугольном волноводе, предназначенную для приёмной станции летательного аппарата.

Антенна работает на частоте f и должна обеспечить на выходе уровень сигнала Р₂ при напряжённости поля в точке приёма Е. Длина фидера l_ф.

В расчёте необходимо:

1. Определить требуемое значение КНД  D_А антенны с учетом ослабления в фидере.

2. Выбрать марку прямоугольного волновода (см. Приложение2), обеспечивающую одноволновой режим и записать внутренние размеры волновода.

3. Выбрать конструктивные размеры: число щелей N, длину щелей l и расстояние между ними d, расстояние х₁ от центра щелей до оси волновода и длину антенны.

4. Нарисовать коаксиально волноводный переход, и рассчитать его размеры.

5. Рассчитать проводимость щелей, исходя из требования согласования антенны с волноводом.

6. Рассчитать характеристики направленности и построить нормированные ДН одной щели в плоскостях Е и Н.

7. Рассчитать характеристики направленности синфазной щелевой антенны  и построить её нормированные ДН.

8. Определить ширину главного лепестка антенны по нулевому излучению и по половинной мощности.

Таблица вариантов

Вариант	60 70	61 71	62 72	63 73	64 74	65 75	66 76	67 77	68 78	69 79
f, ГГц	3,4	3,7	4,0	4,3	4,6	4,9	5,2	5,5	5,8	6,1
Р2, пВт	500	510	530	570	620	670	580	640	535	750
Е, мВ/м	3,0 3,2	3,3 3,5	4,5 4,8	4,0 4,3	4,2 4,4	4,5 4,7	4,8 5,1	5,0 5,3	5,2 5,4	5,5 5,8

Для вариантов 60…69 значение длины питающего фидера  l_ф = 15 м, а для вариантов 70…79 l_ф = 25 м

Указания к расчёту

Для выполнения задания по курсовому проектированию необходимо предварительно изучить §§ 1.5, 5.2, 7.2, 11.4 [3] или §§ 2.6, 4.3, 6.2, 8.2 [4], §§2.2, 5.20[1], §§7.1…7.5[2].

При выполнении курсового проекта необходимо иметь в виду, что щелевой излучатель антенной решетки эквивалентен симметричному полуволновому вибратору с КНД  D₁=3,2. Причем ДН излучающей щели длиной  λ/4 в плоскости Н соответствует ДН полуволнового вибратора в плоскости Е. Соответственно ДН щели в плоскости Е соответствует ДН вибратора в плоскости Н.

F^E(Q) » 1, (48)

F^H(j) = cos(90°sinj)/cosj. (49)

Расстояние от щелей до оси волновода находится из условия согласования антенной решетки из N щелей с волноводом.

Нормированная проводимость одной щели определяется по формуле

,                                  (50)

где a и b – соответственно внутренние размеры широкой и узкой стенок прямоугольного волновода,

Λ – длина волны в волноводе,

x₁  – расстояние от центра щелей до  середины широкой стенки волновода.

L=l/Ö1-(l/2а)² .                                                          (51)

Нормированная проводимость антенны рассчитывается по формуле

G_вх = G_вх1 × N .                                                    (52)

Приравняв нормированную проводимость антенной решетки к единице, получим выражение для x₁

x₁

                                  (53)

Диаграмма направленности волноводно-щелевой антенны, в основном, определяется множителем линейной антенной решетки.

,                                          (54)

где d – расстояние между центрами соседних щелей (d = L/2).

Резонансная длина щели 2l = 0,5l-2Dl, где Dl – величина укорочения щели.

ln

щ

,                                         (55)

где d_щ – толщина щели. В случае приемной антенны   d_щ » 1,5…2 мм.

При синфазном и равномерном амплитудном распределении ширина ДН по нулевой и половинной мощности рассчитывается по формулам:

2j₀ = 115° λ/L,                                                   (56)

2j_0,5 = 51° λ/L,                                                   (57)

где L – длина линейной антенной решетки.

Ориентировочный перечень контрольных вопросов к защите курсового проекта:

1. Принцип действия антенны и ее конструкция.

2. ДН одной щели, прорезанной в металлическом экране.

3. В чем аналогия между симметричным вибратором и щелью, прорезанной в металлическом экране?

4. Конструкция возбуждающего устройства.

5. Выбор размеров волновода для создания одноволнового режима.

6. ДН линейной синфазной эквидистантной антенной решетки в плоскостях  Е и Н.

7. КНД синфазной эквидистантной антенной решетки.

8. Влияние амплитудного и фазового распределения на ДН эквидистантной антенной решетки.

9. Условие согласования антенной решетки из N-щелей с волноводом.

10. Каким путем можно согласовать коаксиально-волноводный переход с питающим фидером?

11. Область применения волноводно-щелевых антенн.

12. Особенности распространения радиоволн над плоской поверхностью Земли при поднятых антеннах.

13. Учет влияния сферичности земной поверхности при расчете напряженности поля в зоне освещенности.

14. Параметры антенно-фидерных устройств.

Варианты 80…99

5. РАСЧЕТ РОМБИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ

Рис.5.1. Эскиз ромбической антенны (1 – питающий фидер, 2 – сторона ромбической антенны, 3 – поглощающая линия)

Требуется рассчитать передающую ромбическую антенну для магистральной связи протяженностью r. Антенна должна иметь коэффициент усиления G в рабочем диапазоне волн не менее заданного. Высота отражающего слоя h_отр. Мощность на выходе антенны P₁.

В расчете необходимо:

1. Определить рабочий диапазон волн, требуемый для обеспечения связи в заданное время суток.

2. Рассчитать оптимальный угол излучения антенны D₀.

3. Определить конструктивные размеры ромбической антенны: высоту подвеса над землей H, длину стороны L  и значения острого (j₁) и тупого (F) углов ромба.

4. Рассчитать значения действующей высоты антенны h_∂ , сопротивления излучения R_S, КПД h_А, коэффициента направленного действия D и коэффициента усиления G для значений длин волн   l_min, l₀, l_max.

5. Рассчитать значения характеристик направленности ромбической антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях и построить нормированные диаграммы направленности (для длины волны l₀).

6. Определить ширину диаграммы направленности по нулевому излучению в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Таблица вариантов

Вариант	80 90	81 91	82 92	83 93	84 94	85 95	86 96	87 97	88 98	89 99
Время связи	д н е в н о е					н о ч н о е
hотр	300 км летом,    250 км зимой					300 км летом,    400 км зимой
r, км	1200	1500	1800	2100	2400	1200	1500	1800	2100	2400
Р1, кВт	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28
G, дБ	11	12	14	15	16	10	11	12	13	14

Для вариантов 80…89 зимнее время работы, а для вариантов 90…99 – летнее время работы.

Указания к расчёту

Для выполнения задания по курсовому проектированию необходимо предварительно изучить §§ 5.2, 7.3, 14.5 [3] или §§ 4.3, 6.2, 12.4 [4], §§5.8…5.14[1] и §§10.1…10.7[2].

1. Диапазон волн, используемый в ночное время, определяется кривыми 3 и 2, а в дневное время – кривыми 1 и 2 (рис.5.2).

Рис.5.2.График для определения рабочего диапазона волн

1. h_ОТР = 250 км

2. h_ОТР = 300 км

3. h_ОТР = 400 км

Рис.5.3.График для определения угла излучения D₀

2. Выбор конструктивных размеров осуществляется для оптимальной длины волны 

λ₀ = 2× (λ_min × λ_max)/( λ_min + λ_max).                               (58)

3. Расчет конструктивных размеров ромба выполняется по формулам:

половина тупого угла ромба   Ф = 90° - D₀ ;  

половина острого угла ромба   j₁ = D₀ ,                                      (59)

длина стороны ромба     ,                         (60)

            высота подвеса ромба     .                                      (61)

4. Длина стороны ромба L из конструктивных соображений не должна быть больше 150 м. Если расчетная волна окажется больше, то ее следует соответственно уменьшить до 150 м, изменив при этом тупой угол Ф антенны, который вычисляется по формуле

,                            (62)

тогда половина острого угла ромба будет равна j₁ = 90° - Ф

5. Ориентировочно значения КУ и КНД могут быть рассчитаны по формулам:

,                                         (63)

,                                          (64)

где      R_S = 240×(ln2kL – 0,423);

k – волновое число  (k = 2p/l);

ln

 –  волновое сопротивление ромбической антенны;

d – диаметр проводов (3…4 мм);

S = (0,02…0,03)L – расстояние между расходящимися проводами ромба у тупого угла;

h_д - действующая высота ромбической антенны

.                         (65)

 6. Значение КПД ромбической антенны можно рассчитать по формуле

h_А = 1 - exp(-R_S/W_A),                                                            (66)

тогда величина мощности на входе поглощающей линии будет равна

Р_п = Р₁(1- h_А).                                                                       (67)

7. Обычно поглощающую линию выполняют в виде двухпроводной линии из фехралевых проводов диаметром d_Л = (1…1,5) мм.

Погонное сопротивление двухпроводной поглощающей линии можно определить по формуле

R_Л = (22/d_Л)×Ömr/l₀ , Ом/м,                             (68)

где r - удельное сопротивление (для фехраля r=1,2×10^-6 Ом×м);

m - относительная магнитная проницаемость (для частот КВ диапазона у фехраля m=80)

         Длина  поглощающей линии определяется из условия

l_П > (W_П/R_Л) × ln(10…20).                                  (69)

         Напомним, что волновое сопротивление поглощающей линии должно быть равно волновому сопротивлению ромба W_П = W_А. Расстояние между проводами двухпроводного поглощающего фидера определяется по формуле

r_ПЛ = 0,5×d_Л exp(W_A/120).                                   (70)

Поглощающая линия подвешивается на стойках с изоляторами под антенным полотном  ромбической антенны.

8.Характеристики направленности антенны в горизонтальной f(j) и вертикальной f(D) плоскостях рекомендуется рассчитывать по формулам:

      (71)

,                    (72)

где j и D - текущие углы, отсчитываемые от большой диагонали ромба в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Характеристики направленности следует рассчитывать с шагом в 5° в диапазоне углов 0°…90° в вертикальной плоскости и 0°…180° в горизонтальной плоскости.

9.Ширину диаграмм направленности по нулевому излучению в вертикальной  2D₀ и горизонтальной  2j₀  плоскостях можно рассчитать по формулам:

                                (70)

.                                           (71)

Ориентировочный перечень контрольных вопросов

к защите курсового проекта:

1. Особенности распространения ионосферных коротких волн.

2. Принцип действия и конструкции ромбической антенны.

3. ДН одиночного провода в режиме бегущей волны.

4. ДН ромбической антенны.

5. Способы сужения ДН в горизонтальной плоскости и уменьшения уровня боковых лепестков.

6. Сущность метода зеркальных изображений.

7. Как зависит ДН и дальность радиосвязи от высоты подвеса антенны?

8. КНД ромбической антенны.

9. От чего зависит выбор конструктивных размеров питающей и поглощающей линий?

10. Область применения ромбической антенны.

11. Для чего необходима поглощающая линия?

12. Что делают для выравнивания волнового сопротивления вдоль ромба?

13. От чего зависит волновое сопротивление двухпроводной линии?

14. Параметры антенно-фидерных устройств.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Черенкова Е.Л. Чернышёв О.В. Распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 1984.

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

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

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

6. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. – М. : Энергия, 1966.

7. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства – М. :Советское радио, 1974.

8. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М. и др. Коротковолновые антенны. – М.: Радио и связь, 1985.

9. Ликонцев Д. Н. Антенно-фидерные устройства. Конспект лекций. –  Т. : ТУИТ 2003.

Приложение 1 Основные данные коаксиальных кабелей

Пропускная мощность в кВт при  f МГц	3000 МГц	0,046	0,020	0,030	0,015	0,048	0,025	0,040	0,020	0,080	0,040
	1000 МГц	0,100	0,045	0,070	0,034	0,140	0,070	0,080	0,040	0,180	0,070
	100 МГц	0,42	0,20	0,36	0,15	0,90	0,40	0,34	0,15	0,70	0,24
Ослабление в дБ/м на частоте	3000 МГц	1,00	1,00	1,50	1,20	1,00	1,00	0,90	1,00	0,54	0,60
	1000 МГц	0,45	0,45	0,60	0,60	0,30	0,34	0,40	0,40	0,10	0,31
	100 МГц	0,100	0,100	0,105	0,105	0,070	0,070	0,100	0,090	0,075	0,088
WФ, Ом		75±0,4	75+3	75+3	75+3	75+3	75+3	75+3	75+3	100+5	100+5
Основные размеры	D2, мм	4,6±0,2	4,6+0,2	4,6+0,2	4,6+0,2	7,3+0,3	7,3+0,3	7,3+0,3	7,3+0,3	7,3+0,3	7,3+0,3
	D1, мм	0,72	0,72	0,78	0,78	1,13	1,13	1,20	1,20	0,60	0,60
Тип кабеля		РК-75-4-11 (РК-101)	РК-75-4-15   (РК-1)	РК-75-4-12   (РК-149)	РК-75-4-16   (РК-49)	РК-75-7-11	РК-75-7-15	РК-75-7-12 (РК-120)	РК-75-7-16   (РК-20)	РК-100-7-11(РК-102)	РК-100-7-13   (РК-2)

Приложение 2

Технические данные  прямоугольных волноводов

(стандарт, принятый Международной электротехнической комиссией МЭК)

Обознач. типа 1531ЕС	Диапазон частот для основного типа волн, ГГц		Внутренние размеры		Ослабление,  дБ/м
	от	до	ширина а, мм.	высота b, мм	на частоте, ГГц	максим. величина
R6	0,43	0,75	381,00	190,500	0,59	0,002
R8	0,64	0,98	292,10	146,050	0,77	0,003
R9	0,76	1,15	247,65	123,820	0,91	0,004
R12	0,96	1,46	195,58	97,790	1,15	0,005
R14	1,14	1,73	165,10	82,55	1,36	0,007
R40	3,22	4,90	58,17	29,083	3,87	0,032
R48	3,94	5,99	47,55	22,149	4,73	0,046
R58	4,64	7,05	40,39	20,193	5,57	0,056
R70	5,38	8,17	34,85	15,799	6,46	0,075
R84	6,57	9,99	28,499	12,624	7,89	0,103
R100	8,20	12,5	22,860	10,160	9,84	0,143
R120	9,84	15,0	19,050	9,525	11,8	0,133
R140	11,9	18,0	15,799	7,899	14,2	0,176

Индивидуальные задания и методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства» для студентов очного и заочного обучения рассмотрены на заседании кафедры АФУ 19.12.2003г. (протокол №5) 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.