Исследование способов создания телевизионных передающих антенн с режекторной диаграммой направленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование способов создания телевизионных передающих антенн с режекторной диаграммой направленности

В связи с наличием сложной электромагнитной обстановки в диапазоне 742,0-750,0 МГц возникает проблема электромагнитной совместимости между ТВ передающей антенной 55-го канала и антенной систем специального назначения. Телевизионные передатчики обеспечивают широкий сектор покрытия. Поэтому, исходя из реальной электромагнитной обстановки, сектор работы ТВ антенн отличается от желаемого наличием секторов, где излучение подавляется.

Передающие телевизионные антенны обычно выполняют в виде системы горизонтальных симметричных вибраторов; расположение и схема питания вибраторов определяют форму диаграммы направленности (ДН) и величину коэффициента усиления (КУ) антенны. Как правило, ДН передающих телевизионных антенн в горизонтальной плоскости почти круговая, а в вертикальной имеет форму лепестка (направленного вдоль поверхности Земли). Часто применяемая на практике телевизионная передающая антенна представляет собой «турникетную» модель, которая состоит из двух скрещенных горизонтальных симметричных вибраторов, сделанных из металлических труб. Каждый вибратор имеет в горизонтальной плоскости диаграмму направленности в форме цифры 8, и при возбуждении двух вибраторов со сдвигом по фазе на 90°--суммарная диаграмма в той же плоскости становится почти всенаправленной.

Направленность в вертикальной плоскости (а, следовательно, и коэффициент усиления антенны) можно улучшить путем установки на антенной мачте нескольких ярусов турникетных антенн одну над другой.

Рассмотрим телевизионную антенну, представленную на рис. 1.

Рис.1. Модель передающей ТВ антенны.

Антенна представлена в виде трех пар электрических вибраторов длиной 18 см, расположенных на расстоянии 30 см друг от друга. Пара вибраторов имеет одинаковое значение токов с фазой, равной 0 и 90 градусов. Увеличение числа ярусов ТВ антенны связано с улучшением коэффициента усиления антенны. В свою очередь это усложняет конструкцию антенны. Поэтому расстояние между ярусами было подобрано таким образом, чтобы сделать их число минимальным для достижения нужного результата. ДН передающей ТВ антенны представлена на рис. 2.

Рис. 2. ДН передающей ТВ антенны в горизонтальной плоскости.

Как видно из полученной ДН, минимальный коэффициент усиления антенны составляет 5 дБ, что соответствует требованиям ТЗ. Все расчеты производились в программном пакете XFDTD.

Для предоставления качественной связи операторам (особенно это касается районов страны с высоким уровнем загруженности диапазонов) приходится решать трудновыполнимые задачи, связанные с исключением взаимных помех между ТВ передающими антеннами и антеннами систем специального назначения.

Для исключения взаимных помех между этими двумя типами систем используются следующие меры:

1. Использование взаимного согласия сторон на совместную борьбу с помехами в процессе эксплуатации вплоть до определения очередности в графиках работы этих типов антенн;

2. Снижение загрузки частотного спектра с соответствующим уменьшением либо количества пользователей, либо скорости передачи данных;

3. Изменение поляризации ТВ передающих антенн и антенн специального назначения целью обеспечения поляризационной развязки между ними;

4. Создание зон радиотени в направлении потенциально опасных зон взаимного влияния.

Как нетрудно видеть из вышеприведенного перечня, наиболее простым и экономически эффективным способом решения данный проблемы является последний пункт, связанный с формированием в исходной широкой ДН в горизонтальной плоскости ТВ передающей антенны углового участка или участков, в которых наблюдается подавление излучения антенны.

Для решения задачи о влиянии экрана на излучение первичной антенны воспользуемся методом численного решения задач дифракции электромагнитных волн на незамкнутых поверхностях. Метод основан на численном решении интегрально-дифференциальных уравнений первого рода относительно токов, текущих по экрану.

Для решения задачи дифракции монохроматического электромагнитного поля на незамкнутой поверхности произвольной формы введем систему криволинейных координат q, t, v так чтобы S совпадала с частью координатной поверхности q=q₀ (рис. 3).

Рис. 3. Система криволинейных ортогональных координат

Тогда связь декартовых координат с криволинейными определяется формулами:

x = x(q, t, х), y = y(q, t, х), z = z(q, t, х) (1)

Плотность полного тока, наведенного на поверхность S (т. е. сумма плотностей тока, наведенного на обеих сторонах) является источником вторичного электромагнитного поля E и H.

j(t, х) = t⁰ j _t(t, х) + v⁰ j _х(t, х) (2)

Используя формулы, связывающие электродинамические потенциалы A и Ш и вектора электрического и магнитного поля E и H, опуская точку наблюдения М на экран S, получим предельные соотношения, которые имеют вид интегро-дифференциальных уравнений

(3)

(4)

Система уравнений справедлива при произвольном первичном поле. Система интегрально-дифференциальных уравнений решается путем формирования системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) и его численного решения относительно распределения токов по экрану. Для этого распределение тока разлагается по базисным функциям с неизвестными весовыми коэффициентами J ^ф_ij, J ^х_ij. При этом поверхность S разбивается на n_t (отрезок [t_н, t_к]) и n_v (отрезок [х_н, х_к]) элементов ДS_ij с последующим использованием методом коллокации. В результате получаем СЛАУ в точках коллокации, вида

, (5)

где [n_t х n_v] - полное число точек коллакции,

(6)

Помещая точку наблюдения М в середину каждого из элементов ДS_ij из (5) определяются J^ф_ij, J^х_ij. Зная плотность токов текущих по экрану, находим характеристики электрического поля, переотраженного и дифрагирующего на экране.

При нахождении поля, прошедшего сквозь отверстие, использовался следующий подход. В случае использования кольцевого экрана, изображенного на рис.4, с внутренним радиусом и внешним радиусом , находящегося на расстоянии от центра первичной антенны, распределение интенсивности поля в области за экраном можно рассчитать по формуле [2, 5]

, (7)

где - волновое число, и - текущие координаты интегрирования по кольцу.

Рис.4. Защитный экран в виде радионепрозрачного кольца.

Для прямоугольного экрана с щелевым отверстием, изображенном на рис. 5, амплитуда поля в точке, находящейся на расстояние ( много больше наибольшего размера экрана) под углом , имеет вид [2, 6]

, (8)

где , - амплитуда поля первичной антенны у щели

Рис. 5 Прямоугольный экран с щелевым отверстием

Таким образом, используя систему формул (5-8), можно рассчитать ДН любой первичной антенны в присутствии экрана с отверстием. Для иллюстрации возможности разработанной методики рассмотрим 2 задачи построения антенны с режекторной ДН в горизонтальной плоскости на примере подавления излучения вертикального электрического полуволнового вибратора с помощью прямоугольного экрана с щелевым отверстием (рис. 6) и кольцевого экрана (рис. 7). Результаты решения подобной задачи могут быть полезны для проектирования коллинеарных антенных решеток с режекторной ДН.

Рис.6 Подавление излучения вертикального вибратора с помощью щелевого экрана.

Рис.7 Подавление излучения вертикального вибратора с помощью кольцевого экрана.

Для реализации задачи подавления поля в узком секторе углов предлагается установить вблизи антенны металлический уголковый экран с отверстиями. Модель антенны приведена на рис. 8.

телевизионный антенна усиление вибратор

Рис. 8. Модель передающей ТВ антенны с уголковым экраном.

Такая комбинация обеспечивает подавление излучения за счет компенсации в направлениях сектора подавления поля, дифрагирующего на кромках экрана, с полем, проникающим сквозь отверстие. ДН антенны с металлическим экраном представлена на рис. 9.

Рис. 9. ДН передающей ТВ антенны в горизонтальной плоскости.

Из полученной ДН видно, что подавление излучения в узком секторе углов в направлении 50° составляет - 31 дБ.

Путем численной оптимизации были получены варианты, которые обеспечивают либо отличное подавление в одном направлении при сильной неравномерности ДН в зоне обслуживания, либо хороший коэффициент усиления в зоне обслуживания, но невысокое подавление. Результаты полученных вариантов сведены в табл. 1.

Таблица 1.

Таким образом, можно сделать вывод, что проведенная работа показала возможность подавления всенаправленного излучения ТВ передающей антенны в узком секторе углов на величину порядка 31 дБ за счет установки вблизи антенны экрана с отверстиями. В этом случае обеспечивается хорошая развязка между нашей антенной и антенной системы связи специального назначения.

Размещено на Allbest.ru