книги из ГПНТБ / Гешелин М.Г. Радиотелемеханизация в нефтедобывающей промышленности (системы и элементы)

Количество лепестков в диаграмме направленности определяется высотой подъема антенны над землей. Чем выше антенна, тем боль­ ше лепестков на диаграмме и тем ниже расположен первый лепе­ сток. В телесистемах с сосредоточенными ИП, находящимися на значительном расстоянии от ДП, волны проходят под малыми угла­ ми к вертикальной плоскости; поэтому необходимо применять ан­ тенны, у которых в диаграмме направленности первый лепесток расположен низко.

Коэффициент усиления имеет такой же физический смысл, как коэффициент направленности. При рассмотрении последнего срав­ ниваются две антенны с одинаковыми потерями. При вычислении коэффициента усиления производится сравнение с эталонной антен­ ной, имеющей изотропное излучение и к.п.д., равный 100%, т. е. с изотропной антенной без потерь. В первом случае соблюдается ра­ венство излучаемой мощности, во втором — равенство мощности,

результате чего разница между коэффициентом усиления и коэффи­ циентом направленности незначительна.

Необходимо иметь в виду, что на практике рассматриваемая ан­ тенна сравнивается не с эталонной антенной, а с полуволновым ви­ братором, коэффициент усиления которого в 1,64 больше, чем у изотропного вибратора.

Коэффициент усиления антенны является очень важным ее па­ раметром, показывающим, насколько меньше может быть мощность передатчика для радиоканала системы телемеханизации при ис­ пользовании направленной антенны по сравнению с ненаправленной, чтобы получить такую же мощность в точке приема. Коэффициент усиления является как бы комплексным параметром, учитывающим направленные свойства рассматриваемой антенны и ее к.п.д.

противление излучения антенны показывает зависимость излучае­ мой мощности как от качества антенны, так и от силы тока, созда­ ваемого в антенне. Сопротивление излучения определяет способ­ ность рассматриваемой антенны к излучению электромагнитной энергии при данной силе тока, возбуждаемой в антенне.

Его величина определяется из соотношения

где / — действующее значение тока в антенне.

Сопротивление излучения может относиться как к пучности то­ ка, так и к основанию антенны.

Для передачи большей мощности от передатчика к антенне не­ обходимо согласовать выходное сопротивление передатчика с вход­ ным сопротивлением антенны, которое зависит от параметров антен ны, расположения точки, в которую подводится возбуждаемая ЭДС, и т. д.

Для расчетов входного сопротивления пользуются ' различными методами. Наибольшее распространение в практике советских спе­ циалистов получил метод наведенных ЭДС, предложенный Д. А. Рожанским.

Сопротивление излучения и входное сопротивление антенны тес­ но связаны между собой. Методы расчета сопротивления излучения служат одновременно основанием для определения составляющей активного входного сопротивления антенны.

Сопротивление излучения /?= и активное входное сопротивление связаны зависимостью, удобной для расчета:

= т1зКт-

Из-за небольшой величины реактивной составляющей входного сопротивления антенн, применяемых в радиоканалах телемеханиче­ ских систем, ею можно пренебречь.

Как уже указывалось, в радиоканалах телемеханических систем приемные и передающие антенны совершенно идентичны; как пра­ вило, для передачи и приема используется одна и та же антенна. Основным качественным показателем приемной антенны является способность выделять принимаемые сигналы со значительным пре­ вышением над уровнем помех. Получение большого отношения

сигнал ,

—- ——обусловливается при прочих равных условиях направлен­

ностью приемной антенны, так как при малой ширине диаграммы направленности область прихода помех определяется пространст­ вом зоны главного лепестка диаграммы. Прием в направлении боко­ вых лепестков оказывает вредное влияние, обусловленное поступ­ лением помех в этих направлениях.

Приведенные рассуждения свидетельствуют о том, что основным параметром приемной антенны является ее эффективная площадь

20

Sa , которая выражается как отношение мощности, подводимой ан­ тенной к приемнику, к мощности плоской электромагнитной волны, приходящейся на 1 м2 поверхности волнового фронта:

_£пр

ар •

где Ps— мощность плоской волны, приходящейся на 1 м2 поверх­ ности волнового фронта, определяемая величиной вектора Умова-Пойтинга.

Коэффициент усиления может быть выражен через эффективную площадь антенны:

_ 4я5а

отношением коэффициента усиления в направлении максимального излучения етах: к усилению в направлении боковых лепестков е6ок:

г/’ __ £тах Л3д

£бок

Важным показателем надежности канала радиосвязи является напряжение, подводимое на вход приемного устройства; оно опре­ деляется рациональным выбором всех элементов приемно-передаю­

служить критерием надежности канала связи, так как надежность радиоканала в конечном счете определяется напряжением полезно­ го сигнала, подводимого на вход приемника, чувствительностью приемника и уровнем напряжения помех, поступающих на его вход. Результат, получаемый по этой формуле, необходимо увеличить в 1,4 раза по следующим причинам:

на практике полного согласования антенны и фидера получить не удается;

определение напряженности поля в точке приема носит прибли­ женный характер.

Конечный результат должен проверяться измерением.

21

Выбор рабочей волны к и расчет напряженности поля Е в точке приема' производятся в соответствии с соображениями, приведенны­ ми в главе I.

пучности тока и высокое в узле тока.

Примечание. Табл. 3.заимствована из книги Т. П. Самойлова «Дальний прием телевизионных передач». Связьиздат, М., 1956.

Данные табл. 3 свидетельствуют, что при одной и той же мощ­ ности передатчика напряженность поля в месте приема зависит от

22

водные; в случае малых расстояний между ДП и ИП (до 1 км) можно применять штыревые антенны,

ИП нужно объединять в кусты в соответствии с направленностью антенн ДП. ИП, входящие в куст, должны находиться на небольших расстояниях друг от друга и в одном направлении от ДП. Разбив­ ку на кусты следует вести применительно к активной площади дей­ ствия антенн диспетчерского пункта. Антенны ИП должны ориенти­ роваться строго на диспетчерский пункт. Количество антенн на дис­ петчерском пункте при отдельной несущей для каждого куста соот­ ветствует числу кустов.

Из табл. 3 видно, что как у одиночного петлевого вибратора, так и у сложных антенн, где активным элементом служит петлевой ви­ братор, входное сопротивление в четыре раза больше, чем при ис­ пользовании обычного полуволнового вибратора. Это требует неко­ торого пояснения параметров антенн этих двух типов, так как они могут применяться на практике и как самостоятельные антенны, и в качестве активных элементов сложных антенн для -радиоканалов телемеханических систем. Следует отметить, что величина входного сопротивления антенны является весьма важным ее параметром, так как она определяет степень трудности согласования антенны с фи­ дером.

Полуволновый вибратор. Полуволновый вибратор (рис. 6) со-

Рис. 6. Схема полуволнового вибратора (а) и график для определения К (б)

23

стоит из двух равных трубок, расположенных горизонтально и со­ единенных симметричным или несимметричным фидером.

Резонансная длина полуволнового вибратора зависит от диамет­ ра примененных трубок; поэтому в выражение для определения дли­ ны трубки входит коэффициент укорочения К, равный

где d — диаметр трубки.

Для определения К можно также пользоваться графиком, приве­ денным на рис. 6, б.

Диапазонные свойства полуволнового вибратора также зависят от диаметра трубок, что свидетельствует о необходимости учета это­ го фактора.

равно 10—25 мм.

Рис. 7. График для определения вход­ ного сопротивления

Для определения величины входного сопротивления полувол­ нового вибратора можно воспользоваться графиком, приведенным на рис. 7. Входное сопротивление /?вх при резонансе определяется, исхо­ дя из асимптотического распределения тока в нем. Оно равно

9Р

/?вх = — = 73,12 ом.

fl

'о

Входное сопротивление незначительно и зависит от диаметра тру­ бок и от условий на входе. Практически изменение не превышает не­ скольких омов.

24

Коэффициент направленного действия D полуволнового вибрато­ ра равен

D= 1,64 — 2,15

Действующая площадь составляет

А - 0,1 ЗР.

Полуволновый петлевой вибратор, или так называемый шлейф-

вибратор, предложенный советским ученым А. А. Пистолькорсом, нашел широкое применение в каналах УКВ радиосвязи как в Со­ ветском Союзе, так и за рубежом. Он имеет те же параметры, что и обыкновенный полуволновый вибратор, но его входное сопротивле­ ние примерно в 4 раза больше, чем у обыкновенного вибратора, т. е. •^вх-пет =296 ом, Петлевой вибратор представляет собой двухпро­

водную линию длиной y , замкнутую на обеих концах, т. е. как

бы состоит из двух полуволновых вибраторов, включенных парал­ лельно в концевых точках. В связи с этим ток в петлевом вибраторе в 2 раза больше тока в обычном вибраторе, в результате чего излу­ чаемая мощность и сопротивление излучения увеличивается в 4 ра­ за, т. е.

диаметра трубок. При равных диаметрах трубок и расстоянии меж­ ду ними в пределах 100—150 мм входное сопротивление /?вх рав­ но 292 ом. Сравнивая петлевой вибратор с обычным полуволновым, у которого /?вх =73 ом, можно найти сопротивление петлевого виб­ ратора из следующего выражения:

2D “I

Р . — Р

1g — d,

vbx пет— 'Хвх

2D lg —

где D — расстоянье между центрами трубок, dy и d2—диаметры трубок.

Питать петлевой вибратор можно при помощи симметричного и несимметричного фидера. Большое входное сопротивление обеспечи­ вает естественное согласование фидера с вибратором. Петлевой ви­ братор можно крепить к металлическому стержню в центре петли, так как в этой точке напряжение высокой частоты равно нулю; стержень находится в экваториальной плоскости вибратора. В ре­

25

зультате перечисленных причин стержень не оказывает влияния на работу полуволнового вибратора.

Схема полуволнового петлевого вибратора показана на рис. 8.

У сложных антенн величина входного сопротивления резко уменьшается за счет влияния пассивных вибраторов. При исполь­ зовании в них в качестве активного вибратора обычного полуволно­ вого вибратора входное сопротивление уменьшается до 8—10 ом;

Рис. 8. Схема полуволнового петлевого ви­ братора

при применении петлевого вибратора входное сопротивление слож­ ной антенны равно нескольким десяткам омов. Последнее обстоя­ тельство весьма важно, так как при низких входных сопротивлениях согласование антенны с фидером становится весьма затрудни­ тельным.

Благодаря высокому входному сопротивлению петлевой вибра­ тор используют для радиоканалов телемеханических систем и как самостоятельную антенну, и как активный элемент в сложных ан­ теннах.

При больших расстояниях между ДП и ИП и малых мощно­ стях передатчика надежность радиоканала может быть повышена путем применения сложных антенн. Для радиоканалов телемехани­ ческих систем в соответствии с изложенным в основном рекомен­ дуется использовать антенны типа волновой канал.

Антенна типа волновой канал, или директорная, состоит из од­ ного активного вибратора, соединенного с выходным каскадом пе­ редатчика при помощи фидера, и ряда пассивных вибраторов. Пас­ сивный вибратор, обеспечивающий однонаправленное действие ан­ тенны, называется рефлектором; другие пассивные вибраторы, обеспечивающие сужение диаграммы направленности антенны с со­ хранением максимума излучения в направлении от рефлектора, на­ зывают директорами. Волновой канал выполняется из вибраторов,

26

X

длина которых близка к 2~. Схема волнового канала приведена на рис. 9.

Диаграмма направленности волнового канала зависит от рас­ стояния между вибраторами и от угла сдвига фазы между токами активного и пассивного вибраторов. Угол а составляет сумму уг­ лов сдвига фаз между напряжением, наводимым в пассивном виб­ раторе, и токо.м в активном вибраторе ( aj и сдвига фазы тока в

Рис. 9. Схема волнового канала

пассивном вибраторе относительно напряжения, наводимого в этом же вибраторе (а2):

его от резонанса.

Волновое сопротивление вибратора тем больше, чем меньше его сечение. При низком волновом сопротивлении резонансная длина

вибратора значительно отличается от -g-. Антенны типа волновой ка­

нал имеют малые потери, их коэффициент полезного действия бли­

правленного действия в 5 раз больше числа директоров п в антенне:

D = 5п.

кабелями. Схема двойного вибратора показана на рис. 10.

В тех случаях, когда диспетчерский пункт находится на расстоя­ нии 15—20 км от соседних промыслов и когда антенны ИП сосед­

27

них промыслов строго однонаправлены на свой ДП, можно приме­ нять на ДП однопроводную антенну.

Однопроводная антенна состоит из одиночного провода, длина которого равняется длине нескольких рабочих волн. Провод крепит­ ся на двух опорах-мачтах в горизонтальной плоскости. Однопровод­ ная антенна является направленной и потому должна иметь строгую ориентацию на куст, с которым должна вестись связь. ИП должны быть расположены на площади действия излучения, изображаемого на диаграмме направленности первым лепестком антенны.

Рис. 10. Схема двойного вибратора

Угол 0, который провод должен составлять с центром распо­ ложения ИП, определяется из выражения

q N~ z cos 0 =------- ,

N

где <V—число целых длин волн, укладывающихся на проводе антенны.

Схема однопроводной антенны показана на рис. 11, а диаграмма направленности и график зависимости 0 от длины провода — на рис. 12.

Согласование однопроводной антенны с фидером осуществляет­ ся путем присоединения фидера к точке, находящейся на расстоянии

от конца провода, противоположного направлению на ИП сква­

жины. В качестве согласующего элемента для этой антенны следует применять трансформатор, а в качестве фидера — коаксиальный кабель. Антенна ДП в системах, обслуживающих непосредственно нефтяные промыслы, по своим параметрам отличается от антенн ИП в основном тем, что она должна иметь излучение в направлении пер­ вого лепестка диаграммы направленности, который охватывает все ИП, корреспондирующие с ней, в то время как антенны ИП долж­ ны быть направлены строго на ДП. При выполнении последнего требования коэффициент усиления антенн ИП повышается, отчего напряженность поля в точке приема на ДП всегда больше, чем в точке ИП. Поэтому часто мощность передатчика на ДП должна быть больше мощности передатчиков на ИП.

28