Розразунок рупорно-параболічної антени

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Зміст

Вступ

1. Порівняльна характеристика антен.

2. Вибір типу антени

3. Вибір конструкції антени

4. Розрахунок конструкції антени й висоти її установки над поверхнею Землі

4.1 Розрахунок робочої частоти

4.2 Розрахунок висоти установки над поверхнею землі

4.3 Визначення необхідного коефіцієнта підсилення антени

4.4 Розрахунок конструкції антени і її геометричних розмірів

5. Розрахунок параметрів і характеристик антени

5.1 Характеристики направленості антени

5.2 Визначення КНД антени

5.3 Визначення потужності випромінювання антени

6. Вибір схеми й конструкції живлення антени

7. Розрахунок пірамідального рупора (опромінювача параболоїда обертання)

Висновок



Вступ

рупорна параболічна антена радіорелейний

Радіорелейний зв'язок -- це радіозв'язок по лінії, побудованій ланцюгом приймально-передавальних радіостанцій (ретрансляторах). Звернімося до історії. Глобальна мережа радіорелейного зв'язку активно розгорталася в СРСР в 70-х рр. (оскільки це набагато дешевше, ніж кабельні лінії, особливо в умовах величезних просторів з нерозвиненою інфраструктурою; високі ж швидкості передачі інформації тоді не були ще потрібні), і ретранслятори можна знайти практично де завгодно -- на будь-якій висотній будівлі або піднесенні і уздовж будь-якої транспортної (особливо -- залізничної) магістралі. Пізніше на її основі (як магістральній мережі) будувалася мережа стільникового зв'язку, особливо в регіонах.

Антени сусідніх станцій зазвичай розташовують в межах прямої видимості, оскільки це найнадійніший варіант. Для збільшення радіусу видимості антен їх встановлюють якомога вище -- на щоглах (баштах) заввишки 70-100 м (радіус видимості -- 40-50 км.) і на високих будівлях. Граничним випадком цього підходу є супутниковий зв'язок -- в ній ретранслятор винесений на максимально можливу висоту (десятки тисяч кілометрів!), і в зоні його видимості -- майже половина Земної кулі. Протяжність наземної лінії радіорелейного зв'язку -- до 10000 км., ємкість -- до декількох тисяч каналів.

Особливі властивості, які відрізняють радіорелейний зв'язок від традиційного кабельного, роблять її все більш привабливою для використання в глобальних, регіональних і місцевих мережах передачі даних. У тих випадках, коли є необхідним швидке розгортання мереж передачі даних, обслуговуючих рухомих абонентів, або в районах з нерозвиненою зв'язною інфраструктурою, радіорелейному зв'язку немає альтернативи. Тому метою даної роботи вивчення закономірностей та конструювання однієї з антен, що використовуються для побудови РРЛ.



1. Порівняльна характеристика антен

Для проектування антен СВЧ () необхідно розглянути різні їхні модифікації в даному діапазоні. Для таких антен пред'являються наступні основні вимоги:

· високий коефіцієнт підсилення;

· висока захисна дія антени;

· більша розв'язка по поляризації;

· стійкість до зовнішніх впливів.

Таблиця 1. Порівняльні характеристики антен діапазону НВЧ

Тип антени	Характеристика
Вібраторні · Одновібраторні · Петлеві · (Вібратор Пістолькорса) · Рамкові (магнітні вібратори) · Турнікетні	Найбільш прості у виготовленні, внаслідок чого найпоширеніші, особливо на частотах метрового й дециметрового діапазонів. Внаслідок низького КНД використаються в основному як приймальні. Легко може бути реалізована як лінійна, так і кругова поляризація (турнікетні антени). При використанні спеціальної конструкції можуть бути досить широкополосні (диполь Надененко) - смуга до 50%. Вхідні опори можуть зміняться у великому діапазоні значень залежно від конструкції
Рупорні · Пірамідальні · H-, E- секторальні · Гострі · Клиноподібні · Конічні	Є модифікацією найпростішого випромінювача у вигляді відкритого кінця хвилеводу, видозміненого для одержання більшого КНД. Це найбільш прості антени, що є частиною живильного хвилеводу. Рупор може бути виконаний з будь-якого металу, покритий антикорозійним шаром або фарбою. При цьому коефіцієнт корисної дії в антени залишається високим, близьким до одиниці, оскільки провідна поверхня, по якій розтікаються струми хвилеводу, у неї більша, і вся енергія проходить через розкривши рупора. Рупорна антена порівняно добре погодиться із хвилеводом, тому що завдяки плавній зміні її перетину відбувається узгодження хвильового опору хвилеводу із хвильовим опором вільного простору. Є широкосмуговими пристроями, однак для досягнення високого КНД необхідно збільшувати розміри розкриву рупора. Для забезпечення кругової поляризації необхідно вводити додаткові елементи в розкривши рупора, або застосовувати пари рупорів із взаємним зсувом фаз 900. Формують ДН від 100 (у пірамідальні) до 1400 (при розкриві спеціальної форми). Застосовуються в якості опромінювачів дзеркальних і лінзових антен, а також (рідше) в антенних ґратах.
Антени поверхневих хвиль · Плоскі з діелектричним направителями · Плоскі з ребристим направителями · Стрижневі діелектричні · Ребристо-стрижневі · Дискові діелектричні · Дискові ребристі	Мають малі поперечні розміри, гарними діапазонними властивостями по діаграмі направленності й вхідному опору. Технологія їхнього виготовлення досить проста. Недоліком таких антен є великий УБЛ, а також більші втрати в діелектричному направителі.
Хвилевідно-щілинні антени · Резонансні · Нерезонансні	Через відсутність виступаючих частин випромінююча поверхня може бути сполучена із зовнішніми обводами корпуса літального апарата. Розподіл поля в розкриві може вибиратися в широких межах за рахунок зміни зв'язку випромінювача із хвилеводом; має порівняно простий збудливий пристрій, проста в експлуатації.
Спіральні · Плоскі · Циліндричні · Конічні	Основна перевага - легкість забезпечення поляризації ЭМХ, близької до кругового без введення додаткових елементів, простота конструкції. Однак для одержання високонаправленної антени її довжина повинна бути неприпустимо великий (не виконується умова механічної міцності).
Лінзові · Що сповільнюють · Прискорювальні · Геодезичні · Неоднорідні	Забезпечують високу спрямованість випромінювання/прийому, однак у порівнянні із дзеркальними менш вимогливі до точності виготовлення поверхні, мають 3 ступеня волі (2 поверхні переломлення й закон розподілу коефіцієнта переломлення) для додання антені додаткових властивостей (хитання діаграми направленності, необхідне розподіли амплітуди й фази поля по розкриву). Також відсутнє затінення розкрива опромінювачем. Істотними недоліками є більша маса, вузькополосність і втрати в речовині лінзи.
Дзеркальні · Осесиметричні · Однодзеркальні · Двухзеркальні (за схемою Кассегрена або Грегорі) · Офсетні · Рупорно-параболічні · Перископічні	Легко забезпечують високу спрямованість, широкополосні, мають порівняно просту конструкцію. При високих частотах вимоги до точності виготовлення дуже високі (відхилення порядку ). Кругова поляризація забезпечується конструкцією опромінювача або введенням додаткових елементів, що ускладнить й утяжчують конструкцію. До недоліків можна віднести великі габарити антен.

У даній роботі мова йтиме про побудови радіорелейної лінії з використання рупорно-параболічних антен, тому необхідно провести аналіз та порівняння антен інших конструкцій, що можуть бути використані при проектуванні РРЛ.

Такими типами є:

· перископічна антенна система (ПАС);

· однодзеркальна параболічна антена (ОПА);

· дводзеркальна параболічна антена (ДПА);

· рупорно-параболічна антена (РПА);

· рупорно-лінзова антена (РЛА).

Їхні характеристики представлені в наступній таблиці:

Таблиця 2. Антени РРЗ

	ПАС	ОПА	ДПА	РПА	РЛА
Рівень бічного випромінювання	досить високий	високий	низький	низький	низький
Діапазон робочих частот, ГГц	4-6	3-5	2-6	4-6	5-8
Коефіцієнт підсилення,Дб	40--43	44-47	39-45	39-43	39-42
Коефіцієнт захисної дії, дБ	40-45	30-48	>65	65-75	>65
Коефіцієнт використання поверхні	0,65-0,75	0,50-0,60	0,65-0,70	0,65-0,75	0,50-0,65
Узгодження з фідером	високе	низьке	високе	низьке	низьке
Массогабаритні параметри	низькі	низькі	низькі	низькі	Високі
Показник складності й вартості виготовлення	низький	низький	низький	високий	високий



2. Вибір типу антени

У радіорелейних системах прямої видимості, тропосферних і супутникових системах передачі використовується достатньо обширний парк антен. Вживані в цих системах антени можна підрозділити на апертурні і осьового випромінюванні. До апертурним відносяться однозеркальні і двохзеркальні параболічні, рупорно-параболічні і рупорно-лінзові антени, перископні антенні системи і пасивні ретранслятори.

Рупорно-параболічна антена РПА (мал. 1) є окремим випадком осенесимметричной параболічної антени, у якої випромінюючий рупор 2 збільшений в розмірах і об'єднаний в єдину конструкцію з дзеркалом, що відображає, 1, що є частиною параболоїда обертання. Живлення в рупор подається через хвилевід 3. Закрита конструкція дозволяє отримати виключно низький рівень бічного випромінювання (прийому) в порівнянні з іншими типами антен і високий КНД (65...75 дб).

Рис1. Конструкція РПА

Для поліпшення направлених властивостей антена забезпечується екранами, розташованими на бічних і верхньою кромках її розкрива. Для запобігання попаданню пилу і атмосферних опадів всередину антени її апертура закривається кришкою з пінопласту. Рупорна антена має КІП 0,6...0,7. З недоліків антени слід в першу чергу відзначити великі габарити і масу, а також значне вітрове навантаження, яке вони випробовують при експлуатації в порівнянні з осесимметричнимі параболічними антенами з таким же коефіцієнтом підсилення. На теренах країн колишнього СРСР на РРЛ широко застосовуються антена РПА-2П і її модернізація РПА-2П-2 з площею розкрива 7,5 м2. Використовується вона для роботи в діапазонах 4 і 6 Ггц і має відповідно коефіцієнт посилення 39 і 43 дб.



3. Вибір конструкції антени

Сьогодні застосовується два основні конструктиви рупорно-параболічних антен:

ь РПА пірамідального типу

ь РПА конічного типу

Випромінюючий розкрив S1 для першої є частиною кільцевої поверхні, по конфігурації достатньо близькою до трапеції. Кути розкриву рупорної частини антени не обов'язково рівні між собою. Внизу рупорної частини антени встановлений рупорний перехід, що слугує для сполучення з вертикально розташованим живлячим хвилеводом.

Рис. 2. Схема РПА

Для РПА конічного типу випромінюючий розкрив антени S2 є кругом радіусу r. Внизу конічного рупора антени розташований рупорний перехід, що слугує для сполучення з вертикально розташованим живлячим хвилеводом.

В нашому випадку, беручи до уваги вигідний діапазон роботи антени та підходящий для заданої технічним завданням відстані коефіцієнт підсилення обираємо рупорно бараболічну антену пірамідального типу.

На практиці такі антени почали широко використовуватися при побудові безпровідних ліній передачі в країнах СНД і часто досі експлуатуються (хоча і замінюються або іншими типами антен, або вдосконаленими моделями вищеназванних).

Вихідні дані

Вихідні дані для проектування рупорно-параболічної антени РРЛ відповідно для варіанта завдання №0701:

Відстань між РРС, км	45
Середня частота передавача, ГГц	2,1
Середня частота приймача, ГГц	2,7
Потужність передавача РРС, Вт	2
Потужність сигналу приймача РРС, пВт	7
Ширина спектра сигналу передавача РРС, МГц	0,1
Поляризація сигналів передавача РРС	Лінійна горизонтальна



4. Розрахунок конструкції антени й висоти її установки над поверхнею Землі

4.1 Розрахунок робочої частоти

Робочу смугу частот антени, що працює на прийом і передачу можна визначити по наступній рівності

(1).

При урахуванні того, що ширина спектра прийнятого сигналу дорівнює ширині спектра переданого сигналу, то останню рівність можна записати у вигляді: . Підставивши дані з умови, одержимо:

Розрахуємо робочу частоту коливань по формулі:

(2),

де - середня частота передавача;

- середня частота приймача.

Робочу довжину хвилі визначимо по формулі:

,

де з = 3 * 10⁸ м/с - швидкість світла.

4.2 Розрахунок висоти установки над поверхнею землі

Рис. 3. Ілюстрація зони Френеля

Наявність різних предметів у поле випромінювання антен приводить до перерозподілу електромагнітного поля в просторі й до зміни параметрів антен. Найбільше часто поблизу антен перебувають плоскі провідні поверхні й особливо часто Земля. Суть проблеми в конкретному випадку відображена на ілюстрації.

Основним критерієм для розрахунку висоти підвісу антен є умова відсутності екранування перешкодами мінімальної зони Френеля при субрефракції радіохвиль. Як відомо, основна частина енергії передається «усередині» мінімальної (першої) зони Френеля, що представляє собою еліпсоїд обертання з фокусами в точках передачі/прийому.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Рис. 4. Розподіл поля в зонах Френеля

Радіус довільної зони в критичній точці прольоту:

де .

Таким чином, радіус першої зони Френеля:

Величину просвіту між Землею й нижньою границею першої зони приймемо рівну: .

Тепер можна розрахувати мінімальну висоту підвісу антен:

З урахуванням повна висота підвісу складе: .

4.3 Визначення необхідного коефіцієнта підсилення антени

Раніше було отримано, що:

Робочий діапазон частот визначимо, як: , саме ці частоти були обрані як граничні, оскільки ширина смуги спектра стосовно робочої частоти становить частку близько 0,01%, що свідомо менше погрішності розрахунків.

· Робоча довжина хвилі:

· Максимальна довжина хвилі:

· Мінімальна довжина хвилі:

Для визначення характеристик антени використаємо найбільш характерні значення робочих параметрів апаратури РРЛ. Коефіцієнт, що визначає електричні параметри апаратур при передачі телефонії (смуга сигналу 0.1 МГц припускає використання системи саме для цих цілей): .

Потужності передавача й приймача, енергетичні властивості системи пов'язані між собою співвідношенням:

де:

, - відповідно потужність приймача й передавача;

- значення коефіцієнта підсилення антени на середній довжині хвилі;

, - КПД прийомного й передавального антенно-фідерного тракту;

- загасання сигналу на інтервалі, довжиною при робочій довжині хвилі без урахуванні впливу землі, тропосфери, А-Ф Тракту (загасання між приймальною й передавальною антенами);

- множник ослаблення вільного простору, дорівнює відношенню напруженості поля, спостережуваного в місці прийому при поширенні радіохвиль із урахуванням впливу землі й тропосфери, до напруженості поля в тім же місці при поширенні радіохвиль у вільному просторі.

При передачі багатоканальної телефонії із частотним ущільненням і частотною модуляцією мінімально припустима величина множника ослаблення:

де:

;

- максимально - припустима величина потужності теплових шумів у каналі в крапці з нульовим відносним рівнем, що може перевищувати значення , пВт, протягом не більше відсотків часу будь-якого місяця року;

- потужність всіх постійних складових шумів, що визначається типом використовуваних апаратур, кількістю інтервалів і структурою лінії й не міняється в часі, тому що шуми цього виду не залежать від рівня сигналу на входах приймачів проміжних станцій.

Відповідно до рекомендацій МККР, необхідно, щоб для апаратур рівень власних шумів для 80% часу не перевищував 7500пвт (при передачі телефонії).

Таким чином, максимальне значення , у першу чергу обумовлене наявністю завмиранням на трасі, приблизно можна вважати рівним: .

Приймаючи (найбільш типове значення), КПД антенно-фідерного тракту відповідно до згаданої формули:

або

Тоді, коефіцієнт підсилення антени (при цьому візьмемо мінімальну довжину хвилі й отримаємо мінімально необхідний КНД і коефіцієнт підсилення, що задовольнить технічному завданню, оскільки передача сигналу йде на двох частотах) буде:

;

Після підстановки всіх відомих величин:

;

або ,

Тоді КНД антени: або .

Для організації лінії зв'язку із заданими параметрами при використанні апаратури із зазначеними характеристиками необхідно використати антени з параметрами не гірше: , .

Аналізуючи отримані величини робимо висновок, що найбільш доцільно застосування рупорно-параболічної антени, що має максимальний коефіцієнт захисної дії (-65-75 дБ) з гостронаправленною ДН

().



4.4 Розрахунок конструкції антени і її геометричних розмірів

Коефіцієнт використання поверхні розкрива для РПА v=0.6-0.75

Коефіцієнт спрямованої дії визначається зі співвідношення:

Знайдемо звідси S: (беремо максимальну довжину хвилі, для того щоб задовольнити умові передачі сигналів на двох різних частотах)

Ефективна площа антени:

Перейдемо до безпосереднього розрахунку розмірів конструкції антени.

Задамося кутом розкриву. При цьому позначення розмірів приймемо відповідно мал.1.

Рис. 5. Позначення розмірів РПА

При великому куті розкрива погіршується узгодження й збільшується нерівномірність амплітудного розподілу поля в розкриві РПА по вертикалі. Тому вибирають у межах 25⁰-45⁰. Приймемо =30⁰.

Для одержання рівних середніх розмірів розкрива РПА у вертикальній і горизонтальній площинах, радіуси розкрива будемо визначати по формулах:

[1,стор. 92]

[1,стор. 92]

Розрахуємо їх:

Визначимо фокусну відстань РПА:

[1,стор. 92]

Розрахуємо горизонтальні розміри розкрива:

[1,стор. 97]

[1,стор. 97]

Розрахуємо їх:

Для запобігання попадання вологи в антену, її розкрив закриєм вологостійкою кришкою з пінопласту. Щоб зменшити відбиття від кришки, виконаємо її радіопрозорою. Для цього її товщину необхідно розрахувати по формулі:

[3,стор. 166],

де:

n=1,2,3,...;-відносна діелектрична проникність матеріалу кришки.

У якості матеріала для кришки виберемо пенополивинилхлорид відносна діелектрична проникність якого =2,4

Розрахунок товщини кришки проведемо для середнього значення довжини хвилі , при цьому для забезпечення необхідної міцності кришки нам цілком вистачить значення n=2



5. Розрахунок параметрів і характеристик антени

5.1 Характеристики направленості антени

Характеристики направленності РПА в першому наближенні можна розраховувати в площинах Е и Н відповідно по формулах антени із прямокутним розкривом. При цьому розміри розкрива приймають рівними:

ь у вертикальній площині R₂-R₁;

ь у горизонтальній 0,5(А₁+А₂).

Ширина ДН:

1. На верхній частоті ( )

У площині Н (приймаючи косинусоїдальний розподіл):

У площині Е (прийнявши рівноамплітудний розподіл):

,

але для наближених розрахунків у площині Е можна використати формулу:

[1,стор. 92] ,



Де , .

У прямокутній системі координат:

Рис. 6. ДНА в Е-площині

На малюнку співставлено графіки для двох різних частот передачі. Суцільною лінією позначили частоту , пунктирною відповідно . Як видно з наведених графіків (отриманих за допомогою системи мат. обчислення Mathcad14) , ДНА істотно не змінилися в Е-площині при девиації частоти. Тут в Е-площини рівень бічних пелюстків .

У полярній системі координат:

Рис.7. ДНА в Е-площині в полярних координатах

Для Н-площини використовується наступна формула:

(11)

У прямокутних координатах маємо графік:

Рис. 8.ДНА в Н-площині в прямокутних координатах

У полярних координатах:

Рис 9. ДНА в Н-площині в полярних координатах

У Н-площині рівень бічних пелюстків .

2. На нижній частоті

Більш точним методом розрахунків вважається АМПЕРТУРНИЙ МЕТОД. Застосуємо його для визначення розподілу поля в розкриві.

Відомо, що рівень бічного й заднього випромінювання буде нижче при підключенні прямокутного живлячого хвилеводу до РПА таким чином, що хвиля буде вертикально поляризована відносно Землі.

Формули для визначення амплітуд поля в розкриві будуть мати такий вигляд:

У площині Н (прийнявши косинусоїдальний розподіл)

Рис. 10. ДНА в Н-площині (горизонтальній) для різних частот

У площині Е (прийнявши рівноамплітудний розподіл)

Рис. 11 ДНА в Е-площині (вертикальній) для різних частот

5.2 Визначення КНД антени

Розрахуємо КНД апертурним методом :

або D= 36,5Дб

При такому КНД розміри антени досить великі. Саме це і є істотним недоліком РПА.

5.3 Визначення потужності випромінювання антени

Використовуючи апертурний метод розрахунку потужності випромінювання розрахуємо її як потужність, що проходить через розкрив:



6. Вибір схеми й конструкції живлення антени

6.1 Визначення типу системи живлення

В якості живлючого хвилеводу ,а також для забезпечення лінійної поляризації використовуємо прямокутний хвилевід . Відомо, що основною хвилею лінії такої конструкції є Н10.

Розрахунок прямокутного хвилеводу

Для поширення у прямокутному хвилеводі тільки хвилі H₁₀ внутрішній перетин прямокутного хвилеводу вибирають із умов:

0,95л_мін?а?0,525л_{мах ;}

b<0,5л_мін

Із стандартизованої лінійки прямокутних хвилеводів вибираємо такий, що відповідає такій умові: a x b - 90х45 мм

Розрахунок загасання у прямокутному хвилеводі:

Раніше було розраховано висоту розміщення станції над поверхнею Землі: . Розрахуємо загасання у відрізку прямокутного хвилеводу довжиною 52.3м:

Тобто значення затухання амплітуди не перевищує 6 %. Такий показник доволі прийнятний, але зазначимо, що це досягнуто збільшенням собівартості матеріалів для виготовлення радіолінії з міді



7. Розрахунок пірамідального рупора (опромінювача параболоїда обертання)

В якості опромінюючого пристрою РПА візьмемо пірамідальний рупор. Пояснення такого вибору:

ь можливість формувати ДН різної ширини;

ь широкодіапазональність

ь простота конструкції.

На наведеному нижче малюнку показана конструкція пірамідального рупора з відповідними позначеннями.

Рис. 12. Розміри пірамідального рупора

Враховуючи попередні розрахунки геометричних параметрів РПА маємо, що:

Необхідно врахувати відбиття в рупорі, які виникають у двох перетинах: у розкриві рупора (Г1) і в горловині (Г2). Розрахуємо ці обидва коефіцієнти.



,

де :

k=49.8;

г=45.5;

Г1= 0.047

Обчислимо коефіцієнт відбиття від горловини рупора:

де Ze- еквівалентний опір:

,

де - довжина хвилі у хвилеводі

Отже Г2 = -3.092.



Висновки:

Виконана курсова робота передбачала розрахунок рупорно-параболічної антени, яка могла б успішно інсталюватися в станції радіорелейних ліній. Умовою технічного завдання було розташування радіорелейних станцій на відстані 45 км.

Таку антену було обраховано, і саме завдяки великій відстані між РРС антена характеризується великими габаритами, а отже і високою собівартістю. А це в свою чергу зумовлює наступний недолік - велике вітрове навантаження.

Але поряд з тим така система значно здешевлює побудову лінії передачі даних на специфічних територіях в порівнянні з кабельними технологіями.

Живлення запропонованої антени відбувається по круглому хвилеводі з хвилею Н01, який може використовуватися паралельно і в якості щогли для монтування антени. Передбачено і той факт, що у такому хвилеводі буде виникати безліч типів вищих хвиль, тому і застосовано фільтр типів хвиль.

В конструкції РПА для захисту від погодних осадів та пилу використано пінопластову кришку яка закриває рупорний отвір.

Неприхованим є те, що на своїй частоті РПА можуть значно піддаватися впливам опадів, а найбільше дощу.

Для збільшення КПД при виготовленні застосовується технологія полірування внутрішніх стінок, а також покриттям їх тонким шаром срібла.

Хоч є помітні недоліки, все ж РПА можуть практично застосовуватися при побудові РРЛ, тим паче на сьогодні вже існує величезний парк подібних приладів, що відкриває дорогу облегшеній інтеграції у виробництво нових модифікацій рупорно-параболічних антен.

Размещено на http://www.allbest.ru/