457_Andrusevich _Antenno-fidernye _Ustrojstva _

Для увеличения напряженности поля у поверхности Земли диаграмма направленности в вертикальной плоскости должна иметь наклон под угломмакс 1 20 относительно линии горизонта. Для этого каждый следующий по высоте этажа вибраторов питается с опережением по фазе на определенный угол. Эта величина определяется из условия γ=kdэsinΔмакс . Тогда формула (4.16) принимает вид:

Графическая часть проекта

К графической части проекта относится:

1.Эскизный чертеж панели антенны с указанием основных размеров.

2.Графики диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Литература

1.Г.Н. Кочержевский, Г.А. Ерохин, Н.Д. Козырев. Антенно-фидерные устройства. Радио и связь, 1989.

2.В.П. Чернышов, Д.И. Шейнман. Распространение радиоволн и антеннофидерные устройства. Радио и связь, 1989.

3.Л.К. Андрусевич, А.А. Ищук. Антенно-фидерные устройства. СибГУТИ, 2006.

4.Конспект лекций.

5 Антенно-фидерные устройства декаметровых радиоволн

5.1Общие положения

Вдиапазоне декаметровых (коротких) радиоволн в качестве передающих

иприемных антенн используют антенны проволочного типа в виде одиночных вибраторов, а также антенны, выполненные в виде системы проводов.

На радиолиниях большой протяженности (тысячи и десятки тысяч километров) связь на коротких волнах ведется за счет ионосферных радиоволн, испытывающих однократное или многократное отражение от ионосферы. Поэтому, как известно, существуют ограничения при выборе рабочих частот, способных отражаться от ионосферы на каждой конкретной радиолинии

данной протяженности. По этой причине на всех радиолиниях дальней коротковолновой радиосвязи существуют максимально применимые частоты

31

(МПЧ), и работа ведется на рабочих частотах (ОРЧ), величина которых не превышает МПЧ. Величины МПЧ имеют суточный и сезонный ход, поэтому приемные и передающие КВ антенны должны обладать достаточно высокими диапазонными свойствами при их использовании на различных рабочих частотах.

В качестве передающей антенны преимущественно применяется ромбическая антенна типа РГД , а в качестве приемной антенны, антенная решетка бегущей волны (АБВ).

5.2 Ромбическая антенна

Ромбические антенны относятся к классу антенн бегущей волны и получили широкое распространение в качестве передающих антенн КВ диапазона. Для обеспечения режима бегущей волны ромб со стороны острого угла нагружен на активное сопротивление в виде двухпроводной поглощающей линии из проводов с большим удельным сопротивлением. Фидер, связывающий передатчик с антенной, подключается к антенне со стороны второго острого угла (рис. 5.1).

Рис.5.1. Ромбическая антенна

Для увеличения коэффициента направленного действия (коэффициента усиления) и подавления боковых лепестков применяют два полотна ромбических антенн, нагруженных на общую поглощающую линию (рис. 5.2) и сдвинутую относительно друг друга в горизонтальном направлении на величину D1. Если необходимо подавить боковые лепестки под углами 30º ÷ 40º, то величина смещения

D1= 1 0.8 λ ,

где λ – рабочая длина волны.

Рис.5.2. Двойная ромбическая антенна

32

Для определения конструктивных размеров ромбической антенны необходимо знать оптимальную рабочую частоту (ОРЧ) на радиолинии заданной протяженности.

В начале определяется максимально применимая частота (МПЧ) из условия:

где fкр – максимальная частота вертикально падающего луча при отражении его в области отражения наклонного луча с углом падения 0.

Угол падения 0 (рис. 5.3) определяется из соотношения

где - геоцентрический угол, а – радиус Земли (а = 6370 км),

80.8 NF2 .

Рис.5.3. К определению угла падения

Оптимальная рабочая частота ОРЧ = 0,7 МПЧ.

Вертикальный угол наклона ДН (угол возвышения) определяют из условия:

Определение конструктивных размеров антенны

Оптимальное значение тупого угла Ф определяется из формулы:

Длина стороны ромба:

Такая антенна на волнах длиннее 25 м оказывается весьма громоздкой, так как каждая сторона ромба будет превышать 150 м. На практике отступают от оптимальных размеров несколько уменьшая длину сторон или уменьшают тупой угол Ф. Обычно L = (2 5) . Высота подвеса ромбической антенны:

33

4sin

Определение коэффициента усиления антенны

На рис. 5.4, а, б, в, приведены графики зависимостей коэффициентов усиления в зависимости от рабочей частоты и от угла прихода волны для различных типов ромбических антенн.

В соответствии с вычисленными значениями Ф, L, Н по графикам рис.5.4 выбирается тип антенны и определяется коэффициент усиления G в зависимости от .

Расчет диаграммы направленности антенны

В вертикальной плоскости формула для диаграммы направленности ромба имеет вид:

34

В горизонтальной плоскости:

Расчет поглощающей линии

Поглощающая линия располагается параллельно поверхности Земли на небольшой высоте вдоль большой диагонали ромба (рис.5.1).

Обычно поглощающая линия выполняется из фехралевых, реже стальных проводов диаметром 1 3 мм.

Длина двухпроводной поглощающей линии

Здесь r – радиус провода,

- относительная магнитная проницаемость провода;- удельное сопротивление провода, Ом м.

Для фехраля и стали на высоких частотах 80. Удельное сопротивление стали = 10-7 Ом м, фехраля – приблизительно = 10-6 Ом м.

Расчет согласования ромбической антенны с фидером

Антенна РГД питается двухпроводным фидером с волновым сопротивлением Wф = 600 Ом, который присоединяется к антенне при помощи фидерного трансформатора, понижающего волновое сопротивление от 600 до 300 Ом ( волновое сопротивление РГД Wа 300 Ом).

Трансформатор представляет собой отрезок четырехпроводной линии, волновое сопротивление которой плавно изменяется вдоль линии по экспоненциальному закону (рис. 5.5).

35

Рис. 5.5 Экспоненциальный трансформатор

Необходимая длина трансформатора определяется по формуле:

Коэффициент бегущей волны (КБВ) обычно выбирают равным 0,95.

5.3Приемные антенны на коротковолновых линиях связи

Вкачестве приемных антенн на КВ линиях получили широкое распространение антенны бегущей волны. Антенна бегущей волны (АБВ) представляет собой систему из параллельно расположенных симметричных вибраторов, подсоединенных к собирательной симметричной линии через элементы связи R (рис.5.6).

d

К приемнику

Rн

Рис.5.6. Антенна бегущей волны на сопротивлениях связи R

С одного конца антенна подключена посредством фидера к приемнику, другой конец антенны нагружен на активное сопротивление Rн, равное волновому сопротивлению собирательной линии Wсл. Равенством Rн = Wсл обеспечивается в собирательной линии режим бегущей волны, что и определяет название антенны. Роль элементов связи R заключается в том, чтобы уменьшить шунтирующее действие вибраторов на режим работы собирательной линии. Поэтому, чем больше Wсл, тем больше должна быть величина R. Однако это приводит к росту потерь в антенне и соответственно к снижению ее КПД.

36

Обычно КПД антенны не превышает 0,5 и снижается с ростом длины волны. Поэтому АБВ применяются только как приемные.

Чтобы увеличить КПД антенны, необходимо уменьшать волновое сопротивление собирательной линии. Поэтому ее выполняют как систему параллельно соединенных проводов, что позволяет довести Wсл до величины 168 Ом.

Длины плеч вибраторов антенны выбирают равными (0,5…0,6)λ. С уменьшением размера вибраторов появляется емкостная составляющая входного сопротивления вибраторов, что уменьшает фазовую скорость волны в собирательной линии. В свою очередь это приводит к увеличению коэффициента

замедления волны в линии ξ= c и соответственно к уменьшению оптимальной

личению уровней боковых лепестков.

Из конструкторских соображений длина антенны выбирается не более 100 м. Число вибраторов выбирается из следующих соображений. Увеличение числа вибраторов при фиксированной длине антенны, с одной стороны, уменьшает уровень боковых лепестков, с другой стороны, увеличивает шунтирующее действие вибраторами на собирательную линию. Обычно число вибраторов ограничивается величиной n = 20…30, при этом шаг d лежит в пределах d= 0.3...0.4 λкор , где λкор – самая короткая длина волны рабочего диапазона.

Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости определяется по формуле

где F1 (φ) – ДН одиночного вибратора; Fс (φ) – множитель решетки бегущей волны:

В вертикальной плоскости ДН определяется по формуле

где Fс(Δ) – множитель решетки бегущей волны; Fз(Δ) – множитель, учитывающий влияние Земли.

где h – высота подвеса антенны над Землей.

Из (5.14) и (5.16) следует, что АБВ формирует ДН одновременно в двух плоскостях (Е и Н).

КНД антенны бегущей волны ориентировочно можно определять по формуле для решетки бегущей волны:

37

λ

где N – кол-во элементов решетки, d – шаг решетки.

Антенна бегущей волны обозначается как БС N R h, где БС – антенна бе-

l d

гущей волны с сопротивлением связи в виде активных сопротивлений, N – число симметричных вибраторов, l - длина плеча симметричного вибратора, м, R – сопротивление резистора (сопротивление связи), Ом.

Например, БС 21 200 25обозначает: антенна бегущей волны с резисторами

84.5

вкачестве сопротивлений связи, N = 21, = 8 м, l1 = 4,5 м, R = 200 Ом, h = 25 м.

Антенны бегущей волны в качестве сопротивлений связи могут иметь емкости или индуктивности и, тогда обозначаются БЕ или БИ. При емкостной связи вибраторов с собирательной линией уменьшается фазовая скорость волны в собирательной линии и соответственно, как было показано выше, уменьшается оптимальная длина антенны. При индуктивной связи вибраторов с собирательной линией фазовая скорость в собирательной линии становится больше скорости света, что, как известно, приводит к расширению главного лепестка ДН (и даже к его раздвоению). Если при этом длина плеча l = 2,5λ, то входное сопротивление вибратора приобретает емкостный характер. Совместно с индуктивным сопротивлением связи на отдаленных частотах рабочего диапазона возникают резонансные явления, приводящие к резкому шунтированию вибраторами собирательной линии, в результате чего коэффициент усиления на этих частотах резко падает. По указанным причинам антенны БЕ и БИ широкого применения не нашли.

Для сужения главного лепестка ДН и увеличения КНД на линиях КВсвязи широко используются антенны бегущей волны, имеющие в своем составе два полотна антенны БС, соединенных параллельно с помощью экспоненциальных трансформаторов (рис.5.7). Трансформаторами являются сами распределительные фидеры, состоящие из двух последовательно соединенных вертикального ТФ 168/208 и горизонтального ТФ = 208/416, что обеспечивает согласование антенны с основным фидером с волновым сопротивлением Wф = 208 Ом.

Для антенны БС-2 диаграмма направленности в горизонтальной плоскости определяется по формуле

где D1 – расстояние между собирательными линиями отдельных антенн БС. Обычно D1 выбирают равным 25 м.

38

Рис.5.7. Антенна БС-2

В вертикальной плоскости ДН антенны БС-2 такая же, как и у антенны БС. На (рис.5.8) показана зависимость КНД антенны АБС от длины волны.

, м

Рис.5.8. Зависимость КНД антенны бегущей волны от длины волны

Достоинствами АБВ являются высокие диапазонные свойства (возможность использования во всем диапазоне коротких волн) и сравнительно с ромбическими антеннами низкий уровень боковых лепестков.

Недостаток такой антенны в более сложной схеме питания по сравнению с ромбической антенной и низкий КПД.

Порядок выполнения проекта

В проекте необходимо:

1.Определить:

-вертикальный угол прихода луча;

-оптимальную рабочую частоту;

-медианный множитель ослабления, например, по методу А.Н. Казанцева, а затем корректируется найденный множитель для учета быстрых и медленных замираний, это делается на тропосферных линиях связи.

39

2.На основании исходных данных и найденного множителя ослабления определить требуемый КУ и КНД приемной антенны.

3.На основе найденного КНД выбирать конструктивные размеры антенны (выбирается типовой вариант, или рассчитать самостоятельно геометрию антенны).

4.Рассчитать ДН антенны в горизонтальной и вертикальной плоско-

стях.

5.Рассчитать согласование фидера с антенной.

К графической части проекта относятся:

1.Эскизный чертеж антенны с указанием основных размеров.

2.Графики диаграмм направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Литература

1.Г.Н. Кочержевский, Г.А. Ерохин, Н.Д. Козырев Антенно-фидерные устройства. Радио и связь, 1989.

2.Г.З. Айзенберг, Коротковолновые антенны. М.Связь 1962.

3.Л.К. Андрусевич, В.Г. Беленький Распространение радиоволн. СибГУТИ, 2003, с 7 – 157.

4.Л.К. Андрусевич, А.А. Ищук, К.А. Лайко. Антенны и распространение радиоволн. СибГУТИ, 2010.

5.Лекционные материалы.

6 Антенны гектометровых и километровых радиоволн

6.1Общие положения

Вдиапазоне гектометровых и километровых (средних и длинных) радиоволн применяются антенны проволочного типа. К ним относятся антенны-мачты, антенны-башни, с нижним и верхним питанием. На длинных волнах для увеличения КПД применяют антенны, выполненные в виде сложной системы проводов, обеспечивающей высокую излучающую способность антенны.

Влияние Земли вынуждает располагать антенны вертикально. Кроме этого из-за большой длины волны горизонтально расположенные антенны занимали бы слишком большую площадь антенного поля. Вследствие этого антенны указанных диапазонов являются вертикально поляризованными.

Сопротивление излучения для заземленного несимметричного вибратора можно определить по формуле:

где lд- действующая длина антенны.

40