книги / Основы проектирования антенных конструкций
..pdfГ. А. С а в и ц к и й
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Издательство «Связь» Москва 1973
«Ф2
С13 УДК 621.396.67.001.2
Савицкий Г. А.
С13 Основы проектирования антенных конструкций. М., «Связь», 1973.
112 с. с илл.
В книге сообщаются сведения о конструкциях антенн для радиосвя зи, радиовещания и телевидения; рассматриваются основные радиотех нические требования к ним и пути совершенствования этих устройств. Показана роль прикладкой климатологии, геофизики, аэродинамики, ма тематической статистики, машинного анализа при проектировании антенн.
Излагаются основы расчета нитей, мачт с оттяжками, мобильных мачт, башен, фундаментов антенных сооружений. Приводятся основные положения по повышению надежности и аэродинамической устойчивости антенн.
Книга рассчитана на специалистов, работающих о области теории, проектирования н эксплуатации антенн.
342—15
С045(01)—73
Георгий
Адольфович
Савицкий
основы
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
АНТЕННЫХ
КОНСТРУКЦИИ
6Ф2
24—73
Редактор Л. И. Ьенгрешок
Техн. редактор К. Г. Маркоч
Корректор Л. П. Текунова
Сдано в набор I6/X 1972 г. Подписано в печ. 22/1 1973 г.
Форм. бум. 84Х108/з2 3,5 печ. л. 5,88 усл,-п. л
5,96 уч.-изд. |
л. |
Т-00420 |
Тираж 10 000 экз |
Зак. изд, |
16030. Бумага' типографская № 2. |
||
|
|
Цена 36 |
коп. |
Издательство «Связь», Москва-центр, |
|||
Чистопрудный |
бульвар, 2 |
||
Типография |
издательства |
«Связь» Государстве» |
«ого комитета Совета Министров СССР по дела издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва-центр, ул. Кирова, 40. Зак. тип. 411
П Р Е Д И С Л О В И Е
Современные антенны радиосвязи, ра диовещания и телевидения — это сложные электромеха нические устройства. Длина проводов одной антенны мо жет достигать нескольких сотен километров, высота мачт — 600 м и более, вес стальных конструкций — ты сячи тони. Антенны свч и даже укв выполняют с особой точностью и малой деформативности с учетом различ ных метеорологических условий и силовых воздействий. Значительная стоимость антенных сооружений вызывает необходимость находить при их проектировании наибо лее экономичные решения при соблюдении всех техни ческих требований и обеспечении надежности. Этому способствует использование при расчетах антенных уст ройств прикладной климатологии, аэродинамики, теории колебаний и др., а также теории вероятностей и надеж ности, математической статистики.
С ростом размеров, особенно высоты антенн, домини рующим фактором в расчетах прочности и жесткости конструкций становится ветер, являющийся случайной кратковременной динамической нагрузкой, вызванной турбулентностью воздушного потока. Ветер оказывается причиной нередко возникающих вибраций, приводящих иногда к разрушениям отдельных деталей и даже всего сооружения. При расчете проводов и канатов антенн не обходимо учитывать обледенение.
Высокая точность расчета на ЭВМ требует более полного представления о механизме явлений, надежно сти исходных данных, влиянии параметров с физической и геометрической нелинейностью, приводящих к неу стойчивым решениям. При расчетах антенных устройств важно ясное физическое представление и тесное содру жество механиков со специалистами в области теории антенн.
В данной книге обобщаются современные основы рас чета антенных сооружений. Замечания и пожелания просьба направлять в издательство «Связь» (Моеквацентр, Чистопрудный бульвар, 2).
а
1 |
Общие вопросы проектирования |
АНТЕННЫ КАК СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
О |
с н о в н ы е с в е д е н и я о к о н с т |
|
р у к ц и я х . |
Современные антенны |
|
отличаются |
большим разнообразием |
форм, вызванным широким диапазоном воли, — от де сятков километров до единиц миллиметров.
Совершенствование конструкций, улучшение методи ки расчета, внедрение более прочных материалов, инду стриализация изготовления и монтажа позволяют соз давать проволочные антенны с активной площадью в несколько квадратных километров, мачты высотой 600 м и более, высокой точности рефлекторы размером в гектары. Стоимость современных антенн нередко со ставляет 30% и более общих затрат на строительство радиостанции, поэтому вопросы экономики получают большое значение.
В развитии теории и конструкций антенн достаточно четко выявились три периода: первый — характерный появлением антенн преимущественно длинных волн (дв), второй — антенн средних (св) и коротких (кв) волн и третий — антенн метровых, дециметровых и сантимет ровых волн (укв и свч). Основным сведениям об эволю ции антенн посвящена статья Б. В. Брауде, в которой, кроме того, даются 117 библиографий [I]. Описание сов ременных антенных устройств приведено в статье
Г.3. Айзенберга и С. П. Белоусова [2] и в монографии
Г.А. Савицкого [3].
А н т е н н ы д л и н н ы х волн. Конструкции антенн дв не очень сложны. Они образуются из нескольких оди наковых секций горизонтальной сети из медных, бронзо вых или биметаллических, чаще всего сталеалюминие вых проводов диаметром 20 мм и более, подвешенных к мачтам высотой до 400 м (рис. 1.1)..Площадь активной
4
части современных антенн составляет несколько единиц квадратных километров, общая длина проводов — де сятки километров.
Антенны дв не претерпели принципиальных измене ний. Вначале были распространены антенны с сетью проводов, изображенной на рис. 1.1а, в последнее вре мя перешли к антеннам с секционированной сетью,
Рис. 1.1. Схемы сети проводов антенн длинных волн
изображенной на рис. 1.16 и в. Секционированные сети имеют повышенную живучесть и удобнее при проведении профилактических работ.
Лучшие технико-экономические показатели имеют антенны дв с сетью, подвешенной к опорам наибольшей допустимой высоты, ограничиваемой безопасностью по летов. При таком решении сокращается территория ра диостанции, длина дорог, ограждений, различных ком муникаций, число освещаемых объектов. С ростом вы соты опор уменьшается число пролетов сети, и следова тельно, количество изоляторов и механических деталей, являющихся наиболее часто повреждаемыми элемента ми антенны. Для более полного использования высоты опор Применяют провода повышенной прочности, чем снижается провисание. Сеть подвешивают с постоян ным натяжением, поддерживаемым противовесами (контргрузами) или механическими подъемными лебед ками, снабженными специальным автоматическим устройством, стабилизирующим усилие в подъемных канатах при изменении нагрузок (лед, ветер) на прово да. Средняя действующая высота антенны за год при таком способе подвески больше, чем при жестком за креплении.
5
А н т е н н ы с р е д н и х волн. |
Антенны |
св прошли |
эволюцию от простой Т-образной |
сети из медных или |
|
бронзовых антенных канатиков |
небольшого |
диаметра, |
Рис. 1.2. Схемы мачт-антенн:
а) четверть- и полуволновые вибраторы: б) с емкостной нагруз кой; в) с пониженным волновым сопротивлением
1 — ствол мачты, 2 — оттяжка, 3 — изолятор опорный, 4 — фидер, 5 — изо лятор оттяжечный, 6 — наклонный луч
подвешенной к деревянным или позже стальным опорам, до сложных систем из многих мачт-антенн высотой до 350 м. Излучающая мощность выросла от единиц и де
|
|
сятков киловатт |
до |
||||
|
|
1000 кВт |
и |
более. |
|||
|
|
Современные |
аи- |
||||
|
|
Т0ШНЫ -вещательного |
|||||
|
|
диапазона |
выполня |
||||
|
|
ют в виде мачт-ан |
|||||
|
|
тенн |
(рис. |
1.2). |
За |
||
|
|
-последнее время |
по |
||||
|
|
лучают |
'распростра |
||||
|
|
нение |
мачты-антен |
||||
|
|
ны -с |
регулируемым |
||||
|
|
распределением тока |
|||||
|
|
(АРРТ), |
позволяю |
||||
|
|
щие работать |
в |
ши |
|||
|
|
роком |
|
диапазоне |
|||
|
|
волн |
(200^2000 |
м) |
|||
|
|
и с хорошими радио |
|||||
Рис. 1.3. Схема антенны |
с регули |
техническими |
пара |
||||
руемым распределением тока: |
метрами |
(рис. |
1.3). |
||||
1 — оттяжки-провода; 2 — экран; |
3 — изоля |
Для |
направлен |
||||
тор опорный |
|
ного вещания приме |
няют систему из двух, четырех и более мачт-антенн, рас положенных на небольшом расстоянии друг от друга, диктуемым -длиной волны. Иногда это приводит к необ-
6
ходимости укорочения откоса анкеров дли закрепления оттяжек .в грунте, '«гго повышает стоимость конструкций. (Решение может быть в виде мачт с оптимальным накло ном оттяжек (около 45°), но 'немного развернутых в пла не, чтобы исключить касание канатов смежных .мачт.
Наиболее трудная задача — изоляция оттяжек мачт-антенн. С увеличением количества изоляторов в оттяжке повышается сечение каната, нагрузка на изо ляторы достигает иногда 100 т. При излучении мощности 1000 кВт и более обычное число ярусов оттяжек мачты недостаточно по условиям предельной нагрузки на изо ляторы, поэтому появляются еще один-два яруса, что удорожает строительство. Промышленность поставляет опорные изоляторы высотой до 1000 мм на разрушаю щую нагрузку до 2100 т, т. е. удовлетворяющие самым высоким электромеханическим требованиям.
Башни-антенны применяются значительно реже из-за сложности изоляции ствола от фундаментов и примерно в 2—2,5 раза большей стоимости по сравнению с высо кими мачтами.
Антенну св в виде Т-образной сети на опорах высотой 50-^60 м теперь используют только для ближнего ве щания.
Рис. 1.4. Общий вид синфазной горизонтальной антенны с настраиваемым рефлектором
7
А н т е н н ы к о р о т к и х волн. Современные антен ны кв — это преимущественно сети, состоящие из мно гих десятков проволочных вибраторов (рис. 1.4). Жест
кие вибраторы антенн кв |
применяются реже, |
потому |
|
что они дороже. |
|
|
|
Большое |
распространение в радиосвязи на кв полу |
||
чили также |
ромбические |
антенны (рис. 1.5), |
горизон- |
Рис. 1.5. Общий вид двойной ромбической антенны
тальные диапазонные вибраторы и другие, а на приеме— антенны бегущей волны.
Одним из основных направлений развития передачи на кв является внедрение многоэтажных синфазных горизонтальных диапазонных антенн (СГД), состоящих из проволочных цилиндрических или плоскостных (фир ма Маркони) вибраторов. Это потребовало усложнения схемы, питания, конструкции фидеров, фидерных транс форматоров.
Эффективность радиостанции кв повышается с уве личением излучаемой мощности и коэффициента направ ленности антенны. Слабонаправленные используются в передаче информации на относительно небольшие рас стояния. Антенны кв часто выполняют в виде излучаю щей системы с отражателем, аналогичным антенне. Ти пичный пример — синфазные горизонтальные диапазон ные антенны с настраиваемым рефлектором СГД-РН (см. рис. 1.4).
Стремление к использованию более широкого диапа зона кв. не прибегая к перестройке антенны на другую волну, вызвало появление диапазонных многовибратор ных антенн с апериодическим (ненастраиваемым) реф лектором в виде вертикальной сети из большого числа горизонтальных проводов (рис. 1.6). Различие конст рукций антенны и рефлектора приводит при ветре к \ асинхронному раскачиванию сетей, величину сближения
6
которых ограничивают, чтобы не ухудшать характери стики антенны и не допускать разрядов между провода ми антенны и заземленного рефлектора. Это облегчает нагрузку на опоры.
В некоторых случаях необходимо антенное устройст во кв, способное излучать (принимать) волны в любом направлении. Для этого ряд антенн, каждая ориентиро ванная по своему азимуту, подвешивают к группе мачт, расположенных в углах многоугольника. Горизонталь ными вантами, соединяющими мачты, гибкими раскоса ми из стального каната в плоскости двух смежных мачт и внешними оттяжками образуется упругий цилиндр, служащий общей опорой для подвески к ней нескольких антенных полотей (рис. 1.7). Для придания жесткости опоре ее вантам, раскосам и оттяжкам сообщается предварительное натяжение. Надежность такой опоры та же, что и у группы отдельных мачт, расположенных друг от друга на расстоянии в пределах их высоты, по тому что при обрушении одной из мачт в аварию могут быть вовлечены и другие. В последнее время стали вне дряться логопериодические антенны не только стацио нарные, но и поворачивающиеся по азимуту и углу места.
9
Требования к конструкциям ненаправленных антенн кв ограничиваются поддержанием волнового сопротив ления фидеров. Это решается постановкой распорок между проводами и постоянным натяжением их проти вовесом. Допуски на изготовление и монтаж конструк ций удовлетворяются простыми средствами — требуется предварительная вытяжка и точные длины проводов.
В конструкциях направленных антенн кв предъяв ляются более жесткие требования к постоянству взаим ного расположения (расстояния) сетей: появляются го ризонтальные несущие канаты (лееры), к которым через изолированные «поводки» подвешиваются вибраторы, повышается тяжение проводов антенны и рефлектора, уменьшающее стрелу провисания и, следовательно, амплитуду раскачивания сетей.
При выборе величины допусков на отклонение кон струкции при ветре или гололеде с ветром анализируют работу антенны за год. Допустимую деформацию сети устанавливают статистически обоснованными понижен ными значениями нагрузки, чем достигается более эко номичное решение конструкции по сравнению с рассчи танными на максимальную нагрузку.
Ураганный ветер или большой гололед, как редкие нагрузки, не должны быть причиной усложнения кон струкции по условиям ее деформативности (жесткости).
Рис. 1.7. Схема опоры D виде вантового упругого цилиндра