Расчет синфазной горизонтальной диапазонной (СГД) антенны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение. Краткая теория

Антенны СГД являются основным типом передающих антенн, применяемых в КВ диапазоне для радиовещания и радиосвязи на трассах большой протяжённости. Основными преимуществами антенн СГД являются возможности получения высокого КНД (и КУ, антенны имеют высокий КПД), а также управления ДН в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Антенны типа СГД могут работать без перестройки в непрерывном диапазоне волн с коэффициентом перекрытия 2 … 2.5.

Антенна представляет собой плоскую синфазную решётку, состоящую из нескольких рядов (этажей) синфазно возбуждаемых симметричных вибраторов, расположенных на определённом расстоянии d₂ друг от друга.

В настоящее время наиболее распространены двух- (трасса длинной 1000 … 3000 км), четырёх- (трасса длиной от 2000 до 6000 … 8000 км) и восьмиэтажные (трасса от 6000 км и более) антенны. Синфазность возбуждения всех вибраторов на любой длине волны достигается благодаря тому, что расстояние от точек питания отдельных вибраторов до точек присоединения главного фидера (точки a₁, a₂) одинаковы. Диапазонность по входному сопротивлению обеспечивается применением диапазонных вибраторов, а также включением в распределительные фидеры, подводящие питание к вибраторам, ступенчатых трансформаторов (трансформирующих вставок), обладающих различными волновыми сопротивлениями. При тщательном подборе волновых сопротивлений ступенчатых трансформаторов можно получить КБВ в главном фидере не ниже 0,6 … 0,65 в двукратном диапазоне волн.

В качестве фидеров применяют: проволочные вибраторы с пониженным волновым сопротивлением (W=280 … 470 Ом), состоящие из трёх проводов и имеющие треугольное поперечное сечение; жёсткие шунтовые вибраторы и самодополнительные проволочные плоские вибраторы. В решётках, выполненных по принципу самодополнительности, можно уменьшить число этажей, что объясняется большими вертикальными размерами плоских вибраторов. Кроме того, увеличивается допустимая подводимая мощность.

В антеннах СГД наиболее часто применяют вибраторы с длиной плеча (0,35 … 0,45) л₀, где л₀=vл_maxл_min; л_max и л_min - соответственно самые длинная и короткая волны рабочего диапазона.

Для создания однонаправленного излучения антенна снабжена рефлектором, располагаемым на некотором расстоянии d_р от полотна антенны. Могут применяться рефлекторы трёх типов: пассивные настраиваемые, апериодические и активные (питаемые).

Настраиваемый рефлектор выполняется в виде полотна из вибраторов (аналогично полотну антенны) и возбуждается благодаря пространственной электромагнитной связи между полотнами. К точкам a₁, a₂ рефлектора присоединяется отрезок линии, длина которого регулируется короткозамыкателем и который служит для настройки рефлектора. Рефлектор устанавливается на расстоянии d_р= (0,25 … 0,27) л_0. Использование настраиваемого рефлектора целесообразно в тех случаях, когда имеется необходимость в изменениях направления излучения (приёма) на обратное.

Апериодический рефлектор представляет собой плоский экран, выполненный из горизонтальных проводов, параллельных осям вибраторов. Он устанавливается сзади антенны на расстоянии d_р= (0,27 … 0,3) л_0. Размеры экрана несколько превосходят размеры полотна антенны. Апериодический рефлектор по позволяет по сравнению с настроенным рефлектором значительно уменьшить уровень излучения в обратном направлении, что весьма важно для уменьшения взаимных помех радиостанций. Для этого расстояние между проводами экрана должно быть примерно (0,035 … 0,07) л_0.

Основным достоинством антенны с апериодическим рефлектором является ненужность настройки, а недостатками - сложное конструктивное выполнение и почти полное отсутствие электрической прозрачности (т.е. возможности прохождения электромагнитных волн, излучаемых другими антеннами).

Активно питаемый рефлектор, так же как и настроенный, представляет собой полотно, идентичное полотну антенны, возбуждаемое за счёт части мощности, подведённой к рефлектору от генератора. Антенна СГД с активным диапазонным рефлектором не требует перестройки при смене рабочих волн. Такой рефлектор целесообразно применять в тех случаях, когда антенна используется при частой смене рабочих волн.

Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости (Д=0) описывается выражением

F(ц)=F₀(ц)F_c(ц)F_р(ц)

Здесь ц - азимутальный угол, отсчитываемый от плоскости антенны; F₀(ц) - ДН одного симметричного вибратора в горизонтальной плоскости; F_c(ц) - множитель системы, определяемый числом вибраторов в ряду; F_р(ц) - множитель рефлектора.

Направленные свойства антенны СГД в вертикальной плоскости зависят от числа этажей и высоты подвеса геометрического центра H_ср антенны над землёй. Характеристика направленности в этом случае F(Д)=F_cF_рF_з. Здесь Д - угол в вертикальной плоскости между направлением на точку наблюдения и нормалью к плоскости антенны; F_c - множитель системы в вертикальной плоскости, определяемый числом этажей; F_р - множитель рефлектора в вертикальной плоскости; F_з - множитель, учитывающий влияние Земли на излучение антенны.

Чем больше число этажей, тем уже главный лепесток и меньше угол Д_max. Увеличение высоты подвеса антенны сопровождается сужением и прижатием к земле главного лепестка, а также увеличением УБЛ в вертикальной плоскости. Высота подвеса нижнего этажа обычно выбирается л₀ … 1,75 л₀. При увеличении рабочей длины волны ДН антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях расширяются. Антенны СГД подвешиваются на деревянных, асбоцементных или металлических мачтах высотой 100 метров и более.

Для управления ДН в вертикальной плоскости полотно антенны обычно разбивают на две группы с равным числом вибраторов в каждой группе и изменяют соотношение фаз и токов, протекающих в вибраторах различных групп.

Расчёт СГД антенны

антенна синфазная диапазон радиосвязь

Исходные данные:

1. Оценка возможного диапазона рабочих частот антенны и нахождение угла падения волны на ионосферу и угла наклона траектории.

Находим верхнюю частоту и, соответственно, длину волны:

Находим нижнюю частоту и, соответственно, длину волны:

Находим оптимальную частоту и, соответственно, длину волны:

Определяем центральный угол, соответствующий дуге r, учтя, что a_zm (радиус Земли) = 6370 км:

Определяем угол падения волны на ионосферу:

Определяем угол наклона траектории:

2. Определение геометрических размеров диапазонного вибратора.

Находим расстояние между центрами соседних симметричных вибраторов:

м

Находим расстояние между этажами:

м

Находим длину плеча вибратора:

м

Находим эквивалентный радиус вибратора:

м

Находим радиус цилиндра, образованного проводами, учтя что число проводов 6, а радиус провода 1мм:

м

Находим расстояние между проводами:

м

Находим расстояние между активным полотном антенны и рефлектором:

м

3. Построение диаграммы направленности в горизонтальной плоскости:

Определяем волновое число:

Диаграмма направленности одного симметричного вибратора рассчитывается по формуле:

Построим таблицу для расчёта ДН одного симметричного вибратора:

Построим ДН одного симметричного вибратора:

Множитель системы, определяемый числом вибраторов в этаже, определяется по формуле:

Множитель рефлектора определяется по формуле:

Диаграмма направленности антенны СГД рассчитывается как произведение трёх упомянутых выше множителей:

Построим таблицу для расчёта ДН антенны СГД:

Построим ДН антенны СГД в горизонтальной плоскости:

4. Построение диаграммы направленности в вертикальной плоскости:

Множитель системы, определяемый числом этажей, определяется по формуле:

Множитель рефлектора определяется по формуле:

Угол максимального излучения антенны равняется углу наклона траектории:

Находим среднюю высоту подвеса антенны над Землёй:

м

Находим высоту подвеса нижнего этажа антенны:

м

Множитель, учитывающий влияние Земли на излучение антенны определяется по формуле:

Диаграмма направленности антенны СГД в вертикальной плоскости рассчитывается как произведение трёх упомянутых выше множителей:

Построим таблицу для расчёта ДН антенны СГД:

Построим ДН антенны СГД в вертикальной плоскости:

5. Вычисление коэффициента направленного действия и коэффициента усиления.

Находим площадь полотна антенны:

м²

Рассчитываем КНД антенны для нижней частоты:

Рассчитываем КНД антенны для оптимальной частоты:

Рассчитываем КНД антенны для верхней частоты:

Рассчитываем КУ антенны на нижней частоте, учитывая, что КПД=0,7:

Рассчитываем КУ антенны на оптимальной частоте, учитывая, что КПД=0,9:

Рассчитываем КУ антенны на верхней частоте, учитывая, что КПД=0,7:

6. Определение действующего значения напряжённости электрического поля (E_д), создаваемого данной антенной в точке приёма, если к антенне подведена мощность P.

Частота продольного магнитного резонанса, выраженная в МГц:

МГц

Коэффициент, зависящий от критической частоты слоя Е ионосферы f_крЕ и длины трассы r:

Коэффициент, зависящий от протяжённости трассы r и действующей высоты отражения волны h_d от слоя F2:

Рассчитаем полный интегральный коэффициент поглощения для нижней частоты:

Рассчитаем полный интегральный коэффициент поглощения для оптимальной частоты:

Рассчитаем полный интегральный коэффициент поглощения для верхней частоты:

Рассчитаем действующее значение напряжённости электрического поля в точке приёма для нижней частоты:

В/м

Рассчитаем действующее значение напряжённости электрического поля в точке приёма для оптимальной частоты:

В/м

Рассчитаем действующее значение напряжённости электрического поля в точке приёма для верхней частоты:

В/м

Размещено на Allbest.ru