Проектирование фазированной антенной решетки

В данной работе проведено эскизное проектирование ФАР для приема телевидения стандарта MMDS. Данная антенна обеспечивает все технические параметры, которые заданы для нее в ТЗ.

Антенна выполнена на МПЛ. Полосковые и микрополосковые антенны выполняют по интегральной технологии, как и другие устройства СВЧ (делители мощности, фазовращатели, согласующие элементы). К достоинствам этого вида антенн относятся простота, сравнительно небольшие объём, масса и низкопрофильность. Существенным недостатком одиночного микрополоскового излучателя является узкополосность, связанная с резонансным механизмом действия антенны.

В настоящее время происходит интенсивное становление теории и совершенствование технологии микрополосковых антенн, отличающихся большим разнообразием конструкций и пригодных для применений в качестве как самостоятельных антенн, так и элементов антенных решёток. Освоенный диапазон частот микрополосковых антенн простирается от 0,3 до 20 ГГц. Основными направлениями исследований являются создание надежных методов автоматизированного проектирования микрополосковых антенн, объединенных с питающими трактами, совершенствование конструкций излучателей и антенных решёток, расширение рабочей полосы частот, повышение КПД и продвижение в диапазон миллиметровых волн.

1. Теоретическая часть

Многоканальная Многоточечная Распределительная Cистема - в английской аббревиатуре MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System) - это система наземного телевещания, аналог кабельного телевидения, но без кабеля, некоторым образом сходная со спутниковой телевещательной системой - только спутник-ретранслятор в этом случае как бы находится на Земле. Во многих случаях этот способ распространения теле- и радиопрограмм имеет неоспоримые преимущества перед давно известными и широко используемыми - по кабельным сетям и посредством спутников-ретрансляторов. Так, в частности, приемные антенны могут быть значительно меньше спутниковых, ведь мощность MMDS-сигнала гораздо больше, чем сигнала со спутника.

MMDS - это американское изобретение, она была разработана как своеобразная реакция на юридические, политические, финансовые и бюрократические сложности и препоны, а также иные проблемы, связанные с развитием преимущественно кабельного телевидения. Создание кабельных телевизионных сетей, специализировавшихся и ориентировавшихся на городской и междугородный рынок, происходило очень медленно. Первые же опыты по внедрению и распространению MMDS (тогда еще MDS - без multichannel, то есть не многоканальной) показали, что - как с финансовой, так и с технической стороны, да и в вопросах управления тоже - такая система распространения телевизионных программ является более эффективной и гибкой, ее гораздо проще и быстрее смонтировать и подключить, чем систему кабельного телевещания.

Исторически дело выглядело так: в 60-х годах Канада и Соединенные Штаты совместными усилиями создали Информационную Службу Телевизионных Стандартов (Instructional Television Fixed Service), использующую полосу 2500-2686 МГц. В 1963 году по образу ITFS Соединенные Штаты создали Федеральную Службу Связи (Federal Communication Comission), которая разместила 31 телевизионный канал в полосе 2500-2690 МГц для нужд местной распределительной системы телевещания. Двадцать восемь из них были предназначены исключительно для ITFS. В конце 60-х годов Федеральная Служба Связи, осознав коммерческий потенциал местного широкодиапазонного телевещания, выделила дополнительные два канала в полосе 2150-2162 МГц для службы, названной MDS (Multipoint Distribution Service). После первой установленной в 1971 году и работающей для потребителей системы MDS-сервис в США быстро развился и вырос в средство распространения платного телевидения - сначала в учреждениях и отелях, а затем и в индивидуальных квартирах. Услуги подписки на один канал были чрезвычайно популярны, и число подписчиков было очень велико. Несмотря даже на некоторые возникшие технические трудности, MDS сильно окрепла и развилась в финансовом отношении. К началу 80-х годов системами MDS (вернее сказать, системами MD - чтобы избежать тавтологии) обслуживалось около миллиона североамериканских подписчиков. Однако и кабельное телевещание тем временем не стояло на месте, и к концу 70-х - началу 80-х одноканальная система MD подошла к логическому концу своего существования. Все больше и больше городов охватывались кабельными сетями, и за те же самые деньги подписчик мог получить не один канал для просмотра, как в MDS, а 12-14 каналов. В сложившейся ситуации компании MDS были вынуждены искать пути расширения рынка - прежде всего, конечно, в направлении возможности увеличения числа транслируемых каналов. В 1983 году FCC создали многоканальную (multichannel) MD-систему, используя диапазон 2500-2686 МГц, при этом количество каналов выросло с двух до тридцати трех! Вот так, собственно говоря, и образовалась та самая знаменитая MMDS.

В настоящее время и в Канаде, и в Соединенных Штатах в большинстве кабельных сетей используются существующие воздушные телефонные линии, и линии электропередач - а именно коаксиальный кабель протягивается прямо рядом с такими линиями на телефонных столбах или столбах линий электропередач. Такая конструктивная форма кабельных линий, невозможная для большинства европейских стран и прочих стран света, доказала эффективность и быструю окупаемость в Северной Америке - за счет своей экономичности, ибо такая система довольна дешева, и разумной политики цен, ибо дешевизна системы обуславливает и весьма умеренные тарифы на услуги этих кабельных сетей для подписчиков. Сложившееся положение показывает, что в большинстве стран мира весьма важными и имеющими преимущество над кабельными распределительными телевизионными сетями являются сети беспроводные. Коаксиальные и оптоволоконные кабельные системы - это проверено на практике - обычно требуют больших затрат и усилий для обеспечения финансовой жизнеспособности, особенно если они не подкрепляемы правительственными субсидиями или денежными средствами из иных источников.

MMDS представляет собой станцию местного обслуживания, передающую сигналы - видео или другую информацию - с центральной антенны на маленькие, расположенные на крышах подписчиков в зоне обслуживания антенны. Исходный сигнал - а это может быть телесигнал, аудиосигнал или сигнал данных - после приема поступает на модулятор, а затем на конвертор, переносящий частоту исходного сигнала в полосу 2150-2686 МГц - каждый канал в свой частотный диапазон. Затем сигнал усиливается до мощности от одного до ста Ватт, и передающая MMDS-антенна транслирует его на всю область обслуживания, радиус которой обычно составляет 30-60 километров. Диаграмма направленности передающей антенны чаще всего круговая. При необходимости, например, в сильно пересеченной местности или для увеличения зоны обслуживания - в определенных точках устанавливаются дополнительные антенны-ретрансляторы MMDS-сигнала. Они, как правило, меньше передающих антенн и не требуют обсуживающего персонала. И, наконец, абонент-подписчик принимает этот сигнал на свою маленькую - размером (в поперечнике; или диаметром, если круглая) 25 сантиметров - принимающую MMDS-антенну. Затем конвертор переносит принятый сигнал в метровый или дециметровый диапазон длин волн непосредственно для подачи его на телеприемник. Поступать исходный сигнал на вход системы MMD может либо со спутника, либо от наземной эфирной трансляционной станции в метровом или дециметровом диапазоне, либо может формироваться в местных теле- и радио - студиях. Поскольку MMDS есть система «прямой видимости», т.е. сигнал не может огибать препятствий и неровностей рельефа на своем пути, передающую антенну необходимо - для обеспечения как можно большего радиуса обслуживания - размещать на наиболее высоких зданиях, башнях или на естественных возвышенностях. Для абонентов, в свою очередь, важно - для хорошего приема - чтобы в непосредственной близости от принимающей антенны, в направлении на антенну передающую, не было каких-либо препятствий для сигнала. А служить такими препятствиями, ослабляющими сигнал или вовсе перекрывающими ему путь, может и дерево, и здание или сооружение, и просто какой-нибудь холм. Как уже говорилось, для приема MMDS-сигнала нужна весьма небольшая, размером всего 25-50 сантиметров, антенна. Конвертор, понижающий частоту сигнала до метрового-дециметрового диапазона, помещается непосредственно сразу за антенной - для уменьшения потерь в кабеле, которые могут быть довольно существенными на гигагерцовых частотах.

За четверть вековую историю существования и развития MMDS показала свою жизнеспособность и перспективность как альтернативы кабельным распределительным сетям, а в отдельных случаях доказала и просто свое исключительное преимущество. К примеру, на российских просторах, где-то реки-озера, то леса-болота, города далеко друг от друга и плотность населения не столь огромна, как в Европе да в Америке, решить задачу подписного телевещания «кабельным» путем весьма и технически непросто, и финансово затруднительно. А что касается как раз организационно-финансовой стороны, технология MMDS дает возможность внести подписные взносы быстро, с инвестиционным капиталом 50-60% от необходимого для развертывания обычной кабельной сети. В результате MMDS является сейчас как бы «топ-моделью», последним писком сегодняшнего коммуникационного бизнеса. Наиболее распространены и развиты MMD-системы, конечно же, в Соединенных Штатах и в Канаде, Европа в этом виде телекоммуникационных технологий пока слабо развита и даже уступает России с бывшими союзными республиками. Так, Великобритания, Германия, Испания, Франция, Швейцария только начинают делать первые шаги в этом направлении, лучше дело обстоит в странах бывшей народной демократии - в Польше, Венгрии и Чехии MMD-системы уже функционируют. Сильнее же всего они распространены - имеется в виду среди европейских стран - в Ирландии и в Исландии. Что касается США, то там около двухсот систем обслуживают, по разным данным, от 750 до 875 тысяч подписчиков, а к концу второго тысячелетия их количество прогнозируется на уровне 2.5 миллионов. Канада, а также Южная Америка - Аргентина, Мексика, Бразилия - тоже стараются сильно не отставать, и MMDS-телевидение пользуется там очень большой популярностью.

Выделим основные черты системы MMD и главные преимущества ее применения при том, что все главные технические и сервисные достоинства кабельных распределительных сетей - эффективное управление, обратная связь абонент-оператор, гибкая система оплаты и пр. - сохраняются:

1. Главное преимущество сетей MMDS - вещания перед кабельными состоит в том, что они требуют меньших капитальных затрат (как минимум в четыре раза при 100 распределительных точках в радиусе 20 км от телецентра). При этом развертывание головной станции MMDS занимает всего несколько дней.

2. Система MMDS по сравнению с кабельной сетью более компактна и мобильна, не требует содержания большого штата сотрудников для эксплуатации и ремонта сети.

3. Сеть на основе MMDS разворачивается всего за несколько дней и сразу же начинает окупать вложенные средства

Использование систем MMDS в многоканальных системах наземного телевидения имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными системами наземного телевещания:

Они имеют возможность передачи до 25 телевизионных программ, в зависимости от стандарта при аналоговом сигнале и в 4-6 раз больше при модуляции цифровыми сигналами стандарта MPEG-2.

Радио- и телевещание ведется на экологически безопасном уровне, когда суммарная мощность передатчика не превышает 1000 Вт (в основном 1-10 Вт). (Для справки: в применяемых сейчас системах ТВ-вещания используются передатчики мощностью в метровом диапазоне до 50 кВт, в дециметровом - до 10 кВт, при этом уровень электромагнитного поля вблизи телецентров значительно превышает допустимые нормы).

Сравнительная дешевизна абонентской установки за счёт использования компактной малогабаритной антенны с линейными размерами 15-25 см.

Высокое качество сигналов из-за сравнительно низкого уровня помех в выделенных для этих систем диапазонах частот (2,5-2,7 ГГц).

Независимость условий приёма от телевизионных стандартов NTSC, PAL, SECAM за счёт оцифровки сигналов.

Системы MMDS позволяют устранить так называемые «мертвые зоны» в крупных городах с многоэтажной застройкой. Они обеспечивают значительную экономию средств по сравнению со строительством систем кабельного телевидения (СКТВ). Если в разветвленной кабельной сети требуется перекрыть отдельные участки длиной 5..20 км, то вариант с ретранслятором может оказаться предпочтительнее прокладки кабеля.

Существенно уменьшаются эксплуатационные расходы благодаря отсутствию протяженных магистральных и субмагистральных линий.

Повышается надежность системы теле- и радиовещания, поскольку кабельные линии уязвимы при различного рода реконструкциях, проводимых в городах, и стихийных бедствиях (пожар, землетрясение)

Системы сотового телевидения на основе технологии MMDS открывают широкие возможности и по увеличению числа программ, ретранслируемых на региональном уровне: вместо 2-5 каналов телезрители смогут увидеть от 25 аналоговых до 100 цифровых зарубежных каналов.

Основным же недостатком данной системы является то, что она работает только в пределах «прямой видимости», т.е. на небольших расстояниях и на открытом пространстве.

2. Основная часть

2.1 Расчет параметров одиночного излучателя

Как было сказано во введении, в данной антенне в качестве излучателя применен микрополосковый резонатор. Главный недостаток такого излучателя это узкая полоса рабочих частот, связанная с резонансным механизмом действия антенны.

В нашем случае относительная полоса частот равна, т.е. простую конструкцию - несимметричный полосок на диэлектрике применять нельзя, т.к. она не удовлетворяет нас по широкополостности. Возьмем усовершенствованную конструкцию: излучатель расположен на несущей конструкции (стеклотекстолит) малой толщины, а основную часть подложки составляет воздух. Выберем параметры (толщину стеклотекстолита и прослойки воздуха) из графиков [3]. Все параметры выбраны из расчета заданной полосы пропускания.

Укорочение резонатора до значения (0,48 - 0,49) длин волн связано с наличием реактивной энергии, «запасённой» вблизи кромок.

Входное сопротивление такого МПЛ рассчитаем исходя из следующих соображений: питание будем подводить к одному из углов излучателя, т.е. входное сопротивление в таком случае будет в два раза выше, чем если бы мы запитывали по оси симметрии излучателя.

2.2 Расчет ДН одиночного излучателя

Построенная ДН одиночного излучателя в плоскости XOZ по уровню -3дБ имеет ширину 73,8 град и в плоскости YOZ - 67,2 град. В нулях ДН в плоскости XOZ стремится к град, а в плоскости YOZ - значительно расширяется (это подтверждается теоретически).

Полученные параметры одиночного излучателя:

Rвх=266 Ом входное сопротивление резонатора;

a=52 мм ширина резонатора;

b=52 мм длина резонатора;

h=6 мм толщина подложки.

2.3 Расчет параметров ФАР

Рассчитаем конструктивные параметры ФАР исходя из заданных в ТЗ данных (КНД, уровень боковых лепестков).

По заданному уровню боковых лепестков (-17 дБ) выбираем форму раскрыва антенны и вид амплитудного распределения. В данном случае можно взять наиболее простой (в плане осуществления) вариант - круглый раскрыв с равномерным амплитудным распределением. Выбрав такое распределение и такой раскрыв, мы обеспечили себе нужный уровень боковых лепестков и даже имеем некоторый запас по этому показателю. Далее подберем размеры антенны, т.е. ее радиус так, чтобы обеспечить нужный коэффициент направленного действия (в антенне с выбранной нами реализацией подложки потери настолько малы, что ими можно пренебречь и взять КПД близким к единице, тогда коэффициент усиления будет равен коэффициенту направленного действия: КУ=КНД).

Исходя из заданного уровня боковых лепестков по таблице 3.1 [1] определяем следующие параметры (равномерное распределение, круглый раскрыв):

ширина ДН по уровню -3 дБ:

скачок на краю (пьедестал):????????D=1

распределение поля в раскрыве:

форма раскрыва:

диаграмма направленности:

,

фазированный антенный решетка излучатель

где а J1 (U) - функция Бесселя первого порядка.

Определим геометрические размеры антенной решетки (определяем размеры круглого раскрыва, но в дальнейшем заменяем круг правильным шестиугольником):

расстояние между соседними излучателями d выбирается с таким расчетом, чтобы дифракционные максимумы решетки не входили в видимую часть , где - направление главного максимума (по нормали к плоскости решетки). Выберем .

2.4 Расчет схемы питания ФАР

Даная схема представляет собой последовательно-параллельную схему питания. Питание подводится к антенной решетке специализированным коаксиальным кабелем с воздушным заполнением или кабелем со вспененным диэлектриком (AF-113), что связано с большими потерями мощности в обычных кабелях для данного диапазона частот. Далее мощность делится на два симметричных плеча, сопротивление каждого из которых складывается из параллельного соединения двенадцати излучателей, каждый из которых имеет входное сопротивление 266 Ом. Исходя из этого, входное сопротивление одного плеча антенной решетки составляет 22,2 Ом.

Список литературы

1. Антенны и устройства СВЧ: Учебник для радиотехнических спец. вузов / Д.М. Сазонов. - М.: Высшая школа, 1988. - 432 с.

2. Микрополосковые антенны / Б.А. Панченко, Е.И. Нефёдов. - М.: Радио и связь, 1986. - 144 с.

3. Фазированные антенные решётки: Методические указания по выполнению лабораторных работ. - Свердловск: изд. УПИ им С.М. Кирова, 1987. - 35 с.

Размещено на Allbest.ru