457_Andrusevich _Antenno-fidernye _Ustrojstva _

Расчет диаграммы направленности антенны

Диаграммы направленности антенны-линзы вычисляются по тем же формулам, что и для прямоугольного волновода, или для пирамидального рупора (3.1, 3.2), или по формулам для круглого волновода и конического рупора (3.3, 3.4).

Коэффициент усиления (он же КНД) антенны проверяется с использованием диаграмм направленности в плоскостях Е и Н по формуле

где φ0.5Е, φ0.5н- ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны по половинной мощности в плоскостях Е и Н соответственно.

3.7 Волноводно-щелевые решетки

Щели, прорезанные в стенках волновода, широко применяются в качестве антенн в различных системах связи в сантиметровом диапазоне волн. Одиночная щель по своим направленным свойствам идентична симметричному вибратору. Однако ее излучающая способность существенно превосходит излучающую способность вибраторных антенн. Для получения высоких направленных свойств из одиночных щелей формируют антенные решетки. Решетки могут быть синфазными (резонансными) и решетками бегущей волны (нерезонансными) (рис.3.13).

Рис.3.13 Нерезонансная антенная решетка

21

Резонансные решетки применяются преимущественно тогда, когда антенна работает на фиксированной частоте. Щели могут прорезаться как в широкой стенке прямоугольного волновода, так и в узкой стенке. Для обеспечения синфазного возбуждения щелей шаг решетки должен равняться длине волны в волноводе (рис.3.12,а). Для увеличения количества щелей при тех же габаритах решетки щели располагают в шахматном порядке относительно осевой линии волновода (рис.3.12,б). При этом для сохранения синфазного возбуждения щелей, шаг решетки должен равняться половине длины волны в волноводе.

Нерезонансные решетки применяются тогда, когда требуется частотное сканирование луча ДН. Для обеспечения режима бегущей волны в нерезонансных решетках в конце волновода устанавливается согласованная поглощающая нагрузка. В нерезонансных решетках также возможно расположение щелей в шахматном порядке (рис.3.13)

Расчет электрических характеристик антенны

Расчет антенны начинается с определения количества щелей решетки, необходимого для получения коэффициента усиления в соответствии с ТЗ на проект из приближенной формулы

где Ψ = 0, для резонансных решеток и Ψ = π для решеток с переменнофазным питанием,

Диаграмма одиночной щели в плоскости Н определяется по

формуле

где l - длина щели.

Проверку коэффициента усиления антенны можно выполнить по формуле

22

для коэффициента направленного действия

02π -2π Fн(φ)2FE (θ)2cosφdφdθ

2

где

FH (φмакс) - значение диаграммы направленности решетки в плоскости Н в максимуме главного лепестка. Следует учесть, что антенны сверхвысоких частот имеют КПД практически равный единице. Поэтому G D.

3.8 Графическая часть проекта

К графической части проекта относятся:

1.Эскизный чертеж антенны с указанием основных размеров.

2.Нормированные диаграммы направленности антенны.

Литература

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

2.Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин. Антенны УКВ (1, 2 том). Радио, 1977.

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

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

5.Конспект лекций.

4 Антенно-фидерные устройства дециметрового диапазона

4.1Общие положения

Вдиапазоне дециметровых радиоволн работают метеорологические низкоорбитальные спутники и системы непосредственного приема сигналов стационарных спутников наземными приемными устройствами без предварительной ретрансляции.

Как было указано выше, в этом диапазоне радиоволн на линиях космической связи используются антенные решетки, элементом которых служат антенны вибраторного типа. Примером служит отечественная система «Экран», работающая в диапазоне 700 МГц. В качестве элемента решетки используются либо директорные антенны, либо спирали. Последние предпочтительнее, так как спираль обладает существенно более широкой полосой пропускания по сравнению с директорной антенной и эффективнее работает в условиях поляризационных замираний. Как правило, используемые

23

антенные решетки являются плоскостными, синфазными, равноамплитудными и эквидистантными.

Количество элементов решетки определяется коэффициентом усиления антенны, необходимым для обеспечения заданного уровня мощности сигнала на входе приемного устройства.

Спиральные антенные решетки

Одиночная спираль (рис.4.1) не может обеспечить требуемый коэффициент усиления, так как для этого потребуется ее большая длина за счет увеличения количества витков. В действительности рабочими оказываются только несколько первых витков, остальные витки практически не участвуют в работе антенны. Это легко объяснить, воспользовавшись принципом взаимности. Пусть спираль работает в режиме излучения. Тогда основная доля мощности излучения приходится на первые витки спирали, расположенные ближе к генератору. А остальные витки возбуждаются токами достаточно малой амплитуды.

Расчет электрических характеристик антенны обычно начинается с определения требуемого коэффициента усиления по формуле (3.6), учитывая

где ℓ- длина витка, n-количество витков спирали, d- шаг спирали. Обычно длина витка спирали выбирается равной λ.

Рис.4.1. Спиральная антенна

Шаг спирали выбирается из условия

d=(0.15-0.3)λ. (4.3)

24

Как правило, размер спирали оказывается слишком большим, и, чтобы обеспечить требуемый коэффициент усиления антенны, спираль «разрезают» на ряд коротких спиралей с количеством витков 3-7, и из них формируют синфазную решетку. Количество элементов решетки определяют ориентировочно и затем уточняют после вычисления коэффициента усиления решетки по диаграммам направленности в двух главных плоскостях. Конфигурация антенной решетки должна быть согласована со схемой питания решетки, которая должна быть максимально простой и обладать необходимыми диапазонными свойствами. Последнее предполагает, что расстояние от главного фидера до каждой спирали должно быть одинаковым для всех спиралей. Шаг решетки обычно выбирается равным 0.5λ.

Расчет схемы питания антенны

Питание спиральной решетки осуществляется системой распределительных фидеров, состоящих из отрезков коаксиального кабеля. Нужно так построить систему питания антенны, чтобы ее входное сопротивление равнялось волновому сопротивлению магистрального фидера

(Wф = 50 Ом).

Для этой цели в качестве согласующих устройств применяют трансформаторы в виде четвертьволновых отрезков коаксиального кабеля. Пример построения схемы питания синфазной решетки из 4-х спиралей приведен на (рис.4.2).

Входное сопротивление одиночной спирали определяется по формуле:

Рис. 4.2. Схема питания антенны из четырех спиралей

где ℓ - длина витка.

25

Для согласования с магистральным фидером необходим четвертьволновый - трансформатор с волновым сопротивлением

Wт=Rвх.Wф=35 50=42Ом.

В этом случае можно использовать типовой кабель с волновым сопротивлением Wт = 50 Ом.

Питание синфазной решетки из спиралей можно организовать по какой – либо другой схеме. Автору проекта предоставляется решить эту задачу самостоятельно.

Расчет диаграммы направленности антенны

Формула для диаграммы направленности антенны имеет вид:

F( ) = F1( ) . F2( ) . F3( ), (4.5)

где F1( ) – множитель, характеризующую диаграмму направленности одного витка спирали,

F2( ) – множитель, характеризующий направленные свойства одной

спирали,

F3( ) – множитель, характеризующий направленные свойства системы из N спиралей.

Диаграмма направленности одного витка спирали приближенно можно

где n – количество витков, d – шаг спирали,

-коэффициент замедления в РБВ. Его оптимальное значение приблизительно равно 1.22.

26

Множитель синфазной решетки, состоящей из N спиралей, описывается выражением:

где N – количество спиралей в данной плоскости,

dс – расстояние между центрами соседних спиралей.

Антенно-фидерные устройства передающих телевизионных центров

Передача телевизионных программ ведется в диапазоне метровых и дециметровых радиоволн. По этой причине в качестве передающих антенн используются антенные решетки, элементами которых, как правило, являются симметричные вибраторы. Наиболее широкое распространение в настоящее время получили антенны панельного типа. Панель состоит из двух (реже четырех) симметричных волновых или полуволновых симметричных вибраторов, питаемых синфазно (рис.4.1, а,б), или с переменной фазы (со сдвигом фазы питания на π/2 в вибраторах одного этажа).

Рис.4.3 а) панель из полуволновых вибраторов; б) панель из волновых вибраторов

Особенностью этих антенн является широкая рабочая полоса. Для этого в антеннах применяются вибраторы с пониженным волновым сопротивлением (Wв = 150 – 300 Ом) и используются схемы компенсации реактивной составляющей входного сопротивления. В панельных антенных используют симметричные волновые вибраторы цилиндрической формы из труб диаметром(0,05 – 0,2) или полуволновые вибраторы, выполненные в виде стальных пластин.

27

Питание вибраторов в панели осуществляется с помощью 2-х или 4-х проводной симметричной линии. Для согласования панели с коаксиальным кабелем применяется симметрирующее устройство. Значения коэффициента усиления антенны в зависимости от числа этажей приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Панель имеет два параллельно соединенных вибратора, следовательно, входное сопротивление каждого вибратора должно равняться 2Wф = 150 Ом. Соединительные линии от каждого вибратора до симметрирующего устройства используются как четвертьволновые трансформаторы. Их волновые сопротивления определяются из формулы:

соседних вибраторов и рефлектора равняется Rвх = 140 Ом.

Входное сопротивление волнового вибратора определяется из формулы:

где Wв – волновое сопротивление вибратора, а R п сопротивление излучения вибратора, отнесенное к пучности тока. Для волнового вибратора R п

= 280 Ом.

Для расчетов в КП для волнового вибратора можно принять Wв = 300 Ом. Панели в этаже располагаются по сторонам опоры квадратного сечения

(рис. 4.4).

Рис. 4.4. Панельная антенна в горизонтальной и вертикальной плоскостях

28

При правильном выборе длины вибратора и вида питания в горизонтальной плоскости диаграмма направленности имеет вид близкий к круговой.

При проектировании предпочтение отдается панели с волновыми вибраторами, однако, если диаграмма направленности в горизонтальной плоскости будет иметь провалы, превышающие 30 % относительно круга, то необходимо перейти к панелям с полуволновыми вибраторами.

Наиболее равномерное излучение в горизонтальной плоскости дает антенна с синфазным питанием панелей в этаже с полуволновыми вибраторами, если расстояние между фазовыми центрами противоположных панелей не превышает 2 .

Применение переменно-фазного питания расширяет полосу пропускания антенны, однако, увеличивает неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и применяется в случаях, когда сторона опоры не превышает . В случае, когда не удается получить приемлемую форму диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, допускается некоторое уменьшение стороны опоры.

Окончательное решение о выборе типа панели и схемы питания панелей в этаже принимается только после проверки всех возможных вариантов.

Расчет диаграммы направленности антенны

В горизонтальной плоскости диаграмма направленности антенны в любом направлении формируется суммой полей двух соседних панелей. Поля излучения двух других панелей практически не участвуют в формировании диаграммы, так как экранируются рефлекторами.

Таким образом, диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости описывается выражением:

где F1( ) и F2( ) – диаграммы направленности каждой панели в этаже,- разность фаз этих полей в пункте приема, которая учитывает

пространственную разность фаз и разность фаз по питанию панелей на этаже. При синфазном питании панелей разность фаз определяется только

В случае полуволновых вибраторов

29

В вертикальной плоскости антенна представляет собой синфазную решетку из вибраторов (рис.4.4).

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости вычисляется по формуле:

где Fср( ) – множитель синфазной решетки, Fр( ) – множитель рефлектора.

В окончательном виде формула для диаграммы направленности имеет

вид:

где nэ – число этажей, которое определяется исходя из заданного коэффициента усиления антенны (таблица 4.1 ),

dэ – расстояние между этажами.

Основные конструктивные размеры панельной антенны выбираются из

Rф = 0.5dр + 0.5LЕ + (50 100).

Все величины в формулах в мм.

Прежде, чем окончательно выбрать тип антенны, необходимо оценить неравномерность поля в горизонтальной плоскости.

30