Расчет передающей антенны для телевизионного вещания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

по курсу «Устройства СВЧ и антенны»

Расчет передающей антенны для телевизионного вещания (23 ТВ канал)

ЗАДАНИЕ

Рассчитать передающую антенну для телевизионного вещания (23 ТВ канал, диапазон частот МГц - 486-494, F = 8 МГц)

Исходные данные:

1. Коэффициент усиления передающей антенны (дБ) не менее - 12

2. Мощность подводимая к передающей антенне (кВт) - 2

3. Поляризация - горизонтальная.

4. Фидер коаксиальный, его длина (м) - 200

5. КБВ в фидере с волновым сопротивлением 75 Ом не менее - 0.85

6. Сечение мачты 450 450 мм2

ВВЕДЕНИЕ

Антенны это устройства для излучения и приёма радиоволн. Все линии радиосвязи и радиовещания состоят из элементов включающих антенны.

Любая антенна может как излучать, так и принимать радиоволны, но требования к передающим и приёмным антеннам разные. Поэтому они выполняются по-разному, в зависимости от требований. В передающих антеннах генерируются колебания, а приёмные извлекают энергию из окружающего пространства. При этом приёмные антенны должны быть хорошо помеха защищёнными

В диапазоне коротких и средних волн антенны являются линейными. В метровом и дециметровом диапазонах применимы только вибраторные антенны. А КПД у них почти равен 1.

Волны радио и телевидения распространяются практически прямолинейно, поэтому вещание ограничивается прямой видимостью. Передающие антенны ставят на высокие опоры или возвышенности для расширения радиуса вещания. Но есть предел высоты опоры, так как её цена очень зависит от высоты и на большой высоте большие ветровые нагрузки, которые могут сломать конструкцию. Приёмные антенны также ставят на возвышения, т.е. на крыши домов абонентов.

У антенн вещания радио и телевидения должна быть равномерная круговая диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, чтобы для всех абонентов доходила одинаковая напряженность поля. Для этого передающие антенны телевидения ставят в центр города или области, на которую производится вещание. Если антенна стоит не в центре области вещания (например на возвышенности, находящейся не в центре), то диаграмму делают неравномерной, чтобы в области большей концентрации абонентов и наибольшей дальности уровень сигнала оставался удовлетворительным, но при этом питание антенны было более экономичное.

Антенны телевещания очень высокие или многоэтажные для хорошего коэффициента усиления и узкой диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Телевидение это широкополосное вещание, по этому антенны должны хорошо вещать на заданной полосе частот, т.е. коэффициент усиления не должен опускаться ниже требуемого в полосе частот. Также сама антенна должна быть хорошо согласована с фидером, чтобы мощность передаваемая по фидеру не отражалась и не возникали повторы в вещании.

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЯ ТИПА АНТЕННЫ

Телевизионное вещание является широкополосным вещанием в метровом и дециметровом диапазоне. Для 23 ТВ канала антенна должна работать в дециметровом диапазоне (486-494 МГц). В этих диапазонах радиоволны распространяются практически прямолинейно, т.е. вещание ограничено прямой видимостью, для этого антенны помещают на опоры высотой 100-300 м. Применимы только вибраторные антенны.

Для телевизионного вещания применяют турникетные антенны, панельные антенны, радиально-штыревые антенны. У каждой из этих антенн есть свои преимущества и недостатки. Турникетные антенны не подходят для задания, так как не могут обеспечить усиления больше чем 7 дБ. Панельная антенна с расположенными панелями по сторонам квадрата при большом количестве этажей может обеспечить коэффициент усиления больше 12 дБ.

Полуволновые панельные антенны дают диаграмму направленности в горизонтальной плоскости близкую к круговой, но их применяют в основном на частотах не превышающих 174 МГц. Волновые панельные антенны дают диаграмму направленности хуже. Можно питать 4 панели синфазно, но переменно-фазное питание со сдвигом 90 градусов позволяет получить хорошее согласование в более широкой полосе частот.

Неравномерность в диаграмме направленности в горизонтальной плоскости не должна превышать 30%. Далее будут рассмотрены расчёты ДН для четырех вариантов панельных антенн.

Для панельной антенны с полуволновыми вибраторами определим размеры, которые учувствуют в формировании ДН в горизонтальной плоскости. Все размеры зависят от частоты, на которой будет работать антенна, берётся средняя частота полосы л = 0.61224 м.

Волновое число k = 2р/л = 10.2633 рад/м.

Расстояние между вибраторами и апериодическим рефлекторам выбирается в пределах d = 0.2-0.35 ?. Оно должно быть, для создания равномерной круговой диаграммы в горизонтальной плоскости, как можно меньше. Возьмём минимальное d = 0.2? = 0.1225 м.

R - расстояние от фазового центра панели до геометрического центра, вокруг которого расположены панели. Для его определения необходимо знать горизонтальную длину рефлектора панели, она должна быть не мене чем 0.6?. Также она зависит от сечения опорной мачты, которая 0.45*0.45 м.2. Возьмём длину рефлектора 0.465 м., т.е. примерно 0.76?. Фазовый центр примерно в середине расстояния от рефлектора до вибраторов. Тогда R = 0.48? = 0.293875 м.

Тогда ДН в горизонтальной плоскости:

где - сдвиг по фазе (пространственный без сдвига по питанию):

Получившаяся ДН представлена на рисунке 1.

Для панельной антенны с полуволновыми вибраторами с переменно-фазным питанием сдвиг по фазе отличается на сдвиг по питанию:

Рисунок 1.

Получившаяся ДН представлена на рисунке 2.

Рисунок 2.

Определим необходимые размеры для панельной антенны с волновыми вибраторами.

Расстояние между вибраторами и апериодическим рефлекторам выбирается в пределах d = 0.2-0.35?. Крепление волновых вибраторов происходит непосредственно к рефлектору, где имеется нулевой потенциал, т.е. стальными стержнями длиной d = 0.25? = 0.153 м.

R - расстояние от фазового центра панели до геометрического центра, вокруг которого расположены панели. Для его определения необходимо знать горизонтальную длину рефлектора панели, она должна быть не мене чем длина волновых вибраторов, которые укорочены и длиной 0.73?. Также она зависит от сечения опорной мачты, которая 0.45*0.45 м.2. Возьмём длину рефлектора 0.54 м., т.е. примерно 0.88?. Тогда R = 0.565? = 0.345 м.

Для антенн с волновыми вибраторами ДН в горизонтальной плоскости рассчитывается:

Для синфазного питания , ДН на рисунке 3.

Рисунок 3. Для переменно-фазного питания:

ДН для этого случая на рисунке 4.

Рисунок 4.

Из диаграмм направленности видно, что у случаев волновых вибраторов и полуволновых вибраторов с переменно-фазным питанием неоднородность более 30%, а в случае полуволновых вибраторов с синфазным питанием неравномерность в ДН не превышает 20%. По этому является предпочтительным вариант с полуволновыми вибраторами с синфазным питанием.

Выбор геометрических размеров

Для выбранной антенны определим размеры элементов панели. Все размеры зависят от частоты, на которой будет работать антенна, берётся средняя частота полосы л = 0.61224 м.

Длина одного плеча вибратора берётся примерно Lплеча = 0.24?, т.е. получим Lплеча = 0.147 м. Плечё выполняется из стальных полос, у которых начальные участки выполнены в виде конусов, концы вибраторов закруглены. Расстояние между вибраторами b = 0.5? = 0.306 м. Расстояние между вибраторами и апериодическим рефлекторам выбирается в пределах d = 0.2-0.35?. Оно должно быть, для создания равномерной круговой диаграммы в горизонтальной плоскости, как можно меньше. Возьмём минимальное d = 0.2? = 0.1225 м.

R - расстояние от фазового центра панели до геометрического центра, вокруг которого расположены панели. Для его определения необходимо знать горизонтальную длину рефлектора панели, она должна быть не мене чем 0.6?. Также она зависит от сечения опорной мачты, которая 0.45*0.45 м.2. Возьмём длину рефлектора равную стороне мачты 0.45 м., т.е. примерно 0.735?. Тогда R = 0.4675? = 0.2862 м. Высота рефлектора hреф = 0.8? = 0.48979 м. антенна панельный вибратор фидер

Симметричная двухпроводная линия выполняется из труб диаметром 20 мм и длиной равной средней длине волны (l = 0.61224 м.) замкнутая на концах, является согласующим устройством. Симметрирующее устройство выполнено в виде согнутой четверть волновой приставки. Сопротивление двухпроводной линии подбирается примерно 150 Ом.

Для формирования узкого лепестка в вертикальной плоскости ДН необходим большой размах, т.е. много этажей, также для необходимого коэффициента усиления G = 12 дБ нужно много этажей. В источнике 2 приведена таблица зависимости коэффициента усиления от количества этажей для панельной полуволновой антенны, для 24 этажей G = 11.5 дБ. Значит для 12 дБ необходимо большее количество этажей, но при этом с точки зрения экономии и прочности конструкции количество этажей должно быть минимальным. Возьмём n = 28 этажей.

Эскиз одной панели приведён на рисунке 5. Одного этажа на рисунке 6.

Расчёт диаграммы направленности в Е и Н плоскостях, КНД, коэффициента усиления.

Диаграмма направленности считается в двух плоскостях - в горизонтальной и вертикальной. В горизонтальной плоскости ДН формируется только одним этажом панелей, но учитывается влияние двух взаимно ортогональных панелей от 0 до 90 градусов.

Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости:

где d = 0.2? = 0.1225 м. - расстояние между вибраторами и апериодическим рефлектором.

k = 2р/л = 10.263 рад/м.

Результирующее поле определяется:

где - сдвиг по фазе, определяется как

R = 0.4674? = 0.2862 м. - расстояние от фазового центра панели до геометрического центра.

ДН в вертикальной плоскости формируется всеми этажами антенны. ДН в вертикальной плоскости определяется по формуле (8)

где b = 0.5? = 0.306 м. - расстояние между вибраторами.

Для хорошей передачи необходимо главный лепесток немного прижать к земле на 1-20. Для наклона направления максимального излучения под углом м = 20 к горизонту необходим сдвиг фаз за счёт питания панелей:

Рисунок 7

Ц = k D sin (м)

где D = 0.5л = 0.306 м. - расстояние между этажами. Тогда Ц = 6.30 = 0.11 рад

С этой поправкой определяем ДН:

Получившаяся диаграмма направленности представлена на рисунке 8. в декартовых координатах от 0 до -р/2 и на рисунке 9 в полярных координатах.

Рисунок 8.

Рисунок 9.

На практике же обычно переменно питают только два верхних этажа, что приводит к размыванию боковых лепестков и нормальному приёму даже в районе установки передающей антенны.

Коэффициент направленности действия определяется как

Отсюда D = 28.651 = 14.57 дБ.

КПД антенны принимается примерно равный 1.

Тогда коэффициент усиления в диапазоне СВЧ принимают

G = D з = D = 14.57 дБ

На практике же G меньше чем D, коэффициент усиления примерно Равен G = D/1.6 = 17.9 = 12.53 дБ, что больше требуемого 12 дБ.

В полосе частот 23 канала определим на крайних частотах КНД (изменяется только k).

На нижней частоте fн = 486 МГц, лн = 0.617284 м., k = 2р/лн = 10.179, тогда КНД на ней равен:

Dн = 28.384 = 14.53 дБ

На верхней частоте fв = 494 МГц, лв = 0.607287 м., k = 2р/лв = 10.346, тогда КНД на ней равен

Dв = 28.842 = 14.6 дБ

Выбор типа фидера, расчёт затухания в фидере и его КПД

В диапазоне метровых и дециметровых волн применяют фидеры в виде коаксиальных кабелей. Необходим коаксиальный кабель длиной 200 м. с волновым сопротивлением 75 Ом. Он должен быть согласован с антенной для получения требуемого КБВ.

Для заданных частот подходит коаксиальный кабель марки
РК-75-17-31, у которого волновое сопротивление Wф = 75 Ом, со сплошной изоляцией из стабилизированного полиэтилена. Диаметр центрального проводника d = 17 мм. КПД фидера возьмём 80%, тогда можно рассчитать коэффициент затухания из КПД фидера. Номинальная мощность 2900 Вт. Длина фидера lф = 200 м.

КПД фидера определяется как:

зф = e-0.23б lф

Отсюда требуемы коэффициент затухания:

б = = 0.004851 дб/м

Из волнового сопротивления в случае сплошного заполнения фидера можно найти диаметр внешний D:

Wф =

где е - относительная диэлектрическая проницаемость заполнения, для полиэтилена е = 2.5.

Выразив из формулы (12) вырази большой диаметр D:

D =

подставив d, Wф и е, получим D = 122.88 ? 123 мм.

Затухания по всему фидеру:

б lф = 0.004851 * 200 = 0.97 дБ

Мощность передаваемая в антенну должна быть Pа = 2 кВт. Значит мощность подводимая к фидеру:

Pподвод = Pа / зф = 2/0.8 = 2.5 кВт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассчитанная антенна для 23 ТВ канала обеспечивает практически равномерную ДН в горизонтальной плоскости без больших провалов. При этом обеспечивается коэффициент усиления выше заданного на всей полосе частот. Ширина главного лепестка в вертикальной плоскости меньше 40, что обеспечивает высокий КНД, он наклонён к земле на 20 для приёма сигнала на более низких опорах, а боковые лепестки размыты, для приёма в близкой зоне к антенне.

Высота всей антенны чуть больше 17 метров, что позволяет на одной опоре в 200 метров расположить ещё несколько антенн, работающих в других диапазонах. Ширина опоры и всей антенны относительно не велика, что уменьшает ветровые нагрузки.

Коаксиальный кабель, подводимый к антенне, обеспечивает мощность в антенне 2 кВт. Также потери в нём составляют 20%.

Получившаяся антенна может работать для вещания в дециметровом диапазоне (преимущественно 23 ТВ канал). Уверенный приём для всех абонентов будет при расположении её в центре населённого пункта или области, на которую ведётся вещание.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) Андрусевич Л.К. Ищук А.А. Антенно-фидерные устройства: Учебное пособие //СибГУТИ. - Новосибирск, 2012 г. - 182 с.

2) Чернышов В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещания: Учебник для техникумов связи. - М.: Связь, 2008. - 288 с.

3) Чернышов В.П. Распространение радиоволн антенно-фидерные устройства: Задачи и решение. «Радио и связь». 2014

Размещено на Allbest.ru