Министерствообразования и науки Украины
Житомирскийгосударственный технологический университет
Кафедрарадиотехники
группа РТ-7
КУРСОВОЙПРОЕКТ
По предмету:«Проектирование антенно-фидерных устройств»
«Многовибраторнаяантенная решетка с рефлектором 16х4 эт.»
Выполнил:
Масловский А. Б.
Проверил:
Хоменко Н. Ф.
Житомир
2006
Содержание
1. Техническое задание
2. Короткие теоретические сведенья
2.1 Общие сведенья о многовибраторной синфазной решетке
2.2 Антенны с настраиваемым рефлектором
2.3 Антенны с апериодическим рефлектором
2.4 Описание конструкции
3. Расчетная часть
3.1 Расчет входного сопротивления антенны
3.2 Симметрирующе-согласующие устройство
3.3 Расчет коэффициента направленного действия
3.4 Расчет ДН в горизонтальной плоскости
3.5 Расчет ДН в вертикальной плоскости
Вывод
Список использованной литературы
1. Техническое задание
Рассчитать чертёж, КНД,ДН, Rвх многовибраторной антенной решетки срефлектором 16х4 эт. Построить по таблицам, в полярной и декартовой системекоординат расчётную ДН в Е и Н плоскостях. />см.
2.Короткие теоретические сведенья
2.1Общиесведенья о многовибраторной синфазной решетке
Коротковолновыеантенны с остронаправленным излучением в виде плоских синфазных решетокпоявились в середине 20-х годов. Разработка таких антенн в Советском Союзевелась в Нижегородской радиолаборатории, созданной по указанию В. И. Ленина,под руководством М. М. Татаринова и М. А. Бонч-Бруевича. Применявшаяся втечение ряда лет в коротковолновом диапазоне синфазная горизонтальная антенна(СГ) являлась узкополосной. Ее можно было использовать только на одной рабочейволне.
На рис.1. показано полотносинфазной антенны. Полотно включает nэ рядов (этажей) вибраторов. Каждый этаж состоитиз nв полуволновых вибраторов(или из nс=/> симметричныхволновых вибраторов). Расстояние между этажами составляет половину длины волны.Вертикальный распределительный фидер, питающий вибраторы разных этажей,перекрещивают при переходе от одного этажа к другому. При распределении энергииот одного этажа к следующему волна, пройдя в вертикальном распределительномфидере путьl=0,5/>,отстает по фазе на угол kl=/>. Если перекрещиваниефидера не делать, то вибраторы соседних этажей будут возбуждены.впротивофазах. Вертикальный распределительный фидер питает группу вибраторов,называемую секцией. Секции вибраторов соединяются параллельно вблизиповерхности земли горизонтальными распределительными фидерами одинаковой длины,с соблюдением фазировки. К середине горизонтального распределительного фидераподключается главный питающий фидер.
/>
Рис. 1.Синфазная горизонтальная антенна
Разработаннаяв СССР синфазная горизонтальная антенна (рис. 2) работает без перестройки внепрерывном диапазоне волн с коэффициентом перекрытия 2-2,5 примерно (0,8-2)/>, где />-расчетная длина волны.Длина одного симметричного вибратора составляет примерно 0,82/>. С учетом уменьшенияфазовой скорости в вибраторе можно считать, что /> являетсярезонансной волной вибратора.
/>
Рис. 2. Синфазная горизонтальная диапазонная антенна
В этойантенне обеспечивается синфазность возбуждения всех вибраторов на любой длиневолны благодаря тому, что расстояние от точек присоединения главного фидера долюбого вибратора совершенно одинаково. Поэтому при изменении частотынаправленные свойства не ухудшаются резко. Впервые такая схема питания былаприменена С. И. Надененко в разработанной им коротковолновой антенне дляодновременной работы на двух волнах.
Диапазонностьантенны по входному сопротивлению обеспечивается тем, что вибраторы имеютпониженное волновое сопротивление (280—470 Ом) благодаря выполнению их из рядатаких проводов по типу вибратора С. И. Надененко, либо они выполняются по схемедиапазонных шунтовых вибраторов.
Применяетсяспециальная система распределительных фидеров. Эти фидеры делаются ступенчатыми— в них включаются трансформирующие вставки длиной />/4,обладающие различным волновым сопротивлением. Тщательно подбирая волновыесопротивления распределительных фидеров и вставок, можно получить КБВ в главномфидере не ниже 0,6—0,65 в двукратном диапазоне волн. Можно также применить вкачестве излучателей вибраторы, основанные на принципе самодополнительности.Самодополнительные вибраторы выполняются не сплошными металлическими, а дляоблегчения конструкции состоят из системы проводов. По экспериментальным даннымКБВв фидере такой антенны не падает ниже 0,6 в двукратном диапазоневолн.
В решетках,выполненных по принципу самодополнительности, можно уменьшить число этажей иупростить систему распределительных фидеров по сравнению с обычнымивибраторными решетками. Это объясняется большими вертикальными размерами плечвибраторов. Кроме того, увеличивается допустимая подводимая мощность.
Для созданияоднонаправленного излучения антенна снабжается рефлектором, причем в основномприменяют пассивные рефлекторы двух типов: настраиваемые и апериодические.
Многовибраторныеантенны рекомендуется использовать для радиовещания, так как благодаря высокомуКПД и сравнительно низкому уровню боковых лепестков эти антенны при достаточновысоком КУ могут обслуживать значительный сектор пространства. Для коротковолновогорадиовещания на дальние расстояния (выше 6000 км) в СССР были разработаны и внедрены остронаправленные восьмиэтажные многовибраторные антенныс апериодическим рефлектором, имеющие управляемые ДН в горизонтальной и вертикальнойплоскостях.Многовибраторные антенны получили также некотороераспространение в радиосвязи.
2.2 Антенныс настраиваемым рефлектором
Настраиваемыйрефлектор (РН) выполняется в виде полотна из вибраторов аналогично полотнуантенны и возбуждается благодаря пространственной электромагнитной связи междуполотнами. В отличие от антенны, к точкам а1, а2рефлектораприсоединяется не генератор, а отрезок длинной линии (настроечноесопротивление), длина которого регулируется короткозамыкателем. Рефлекторустанавливается на расстоянии dр= (0,22÷0,25)от антенны. Его полотнообычно с помощью рей крепится к тем же мачтам, что и полотно антенны.Присоединив генератор к настроенному рефлектору и превратив полотно антенны врефлектор, можно реверсировать антенну — изменить направление излучения илиприема на обратное.
Антенна снастроенным рефлектором имеет более легкое конструктивное выполнение и большуючем у антенны с апериодическим рефлектором «электрическую прозрачность». Однакотакая антенна требует перестройки рефлектора при смене рабочей волны, чтокрайне усложняет эксплуатацию антенны и значительно обесценивает возможности ееиспользования в широком диапазоне волн.
2.3Антенны с апериодическим рефлектором
Апериодическийрефлектор (РА) представляет собой плоский экран, выполненный из горизонтальныхпроводов, параллельных осям вибраторов, и устанавливаемый сзади антенны нарасстоянии dp= (0,25÷0,3)/>. Размеры экрана несколькопревосходят размеры полотна антенны. Апериодический рефлектор позволяет посравнению с настроенным рефлектором значительно уменьшить уровень излучения вобратном направлении, что весьма важно для уменьшения взаимных помехрадиостанций. Для этого расстояние между проводами экрана должно быть примерно(0,035÷0,07)/>. Важнейшимдостоинством антенны с апериодическим рефлектором являются отсутствие элементовнастройки последнего и возможность одновременной работы на одной антенне в двухпротивоположных направлениях.
Недостаткамимноговибраторной антенны с апериодическим рефлектором являются сложноеконструктивное выполнение и почти полное отсутствие «электрическойпрозрачности» (возможность прохождения электромагнитных волн, излучаемыхдругими антеннами), что может вызывать трудности при размещений нескольких антеннна ограниченной площади.
2.4Описание конструкции
Синфазнаягоризонтальная антенна (рис.3) относится к группе настроенных остронаправленныхантенн. Обозначается антенна СГ/>, чтоозначает: синфазная горизонтальная антенна, имеющая п этажей, в каждомиз которых находится р полуволновых вибраторов. При наличии рефлектора обозначениедополняется буквами РА(рефлектор апериодический) или РН(рефлекторнастраиваемый).
/>
Рис. 3.Синфазная горизонтальная антенна. а) — схема питания, б) — распределениенапряжения в фидере одной секции вибратора.
Конструкциямноговибраторной антенной решётки должна удовлетворять следующим требованиям.
-необходимообеспечить надежное крепление всей системы вибраторов;
-вибраторы повозможности должны занимать в пространстве горизонтальное положение (непровисать), а их взаимное расположение должно строго фиксироваться (расстояниемежду этажами b=/> и между центрамивибраторов по горизонтали /> ).
-вибраторыдолжны быть тщательно изолированы друг от друга и от земли.
-необходимообеспечить возбуждение всех вибраторов в фазе и с равной амплитудой тока.
-механическоекрепление вибраторов должно быть увязано с системой питания антенны (рис.3, а).
Фидер отгенератора в точках 5-6 разветвляется на две линии, каждая из которых в точках1-2, 3-4 подключается к двухпроводным линиям 9, непосредственно подводящимпитание к вибраторам. Так как каждый вибратор имеет электрическую длину вполволны, то в точках подключения линии к вибраторам находятся пучностьнапряжения и узел тока, а следовательно, в данном случае входное сопротивлениевибратора велико и больше волнового сопротивления линии. В результате в линии 9наряду с бегущими волнами возникают стоячие. Как видно (рис. 3, б), одноименныевибраторы соседних этажей подключаются к противоположным проводам линиипитания. Поскольку расстояние между этажами />,стоячие волны в линии питания обеспечивают синфазное возбуждениевибраторов. Для облегчения согласования антенной системы длина участков фидераот сечений 1-2, 3-4 до сечения 5-6(рис. 3, а) должна быть одинаковой икратной />. Основой для крепления антенны являютсясвободно стоящие металлические башни или деревянные мачты с оттяжками (рис. 4).Вибраторы каждого этажа механически соединяются между собой изоляторами 10, 11,причем изоляторы 10 имеют специальную (крестообразную) форму, позволяющуюфиксировать взаимное расположение проводов линии 9 и получить перекрещивание всхеме питания для синфазного возбуждения вибраторов. Крайние вибраторы каждогоэтажа соединяются, со стальными тросами 12, которые через блоки 14 создаютнатяжение соответствующего ряда вибраторов.
Вмноговибраторных антеннах этого обычно недостаточно для того, чтобы исключитьпровисание горизонтальных проводов. В таких случаях конструкцию дополняют верхнимстальным тросом 15, называемым леером, к которому через вертикальные тросы 13подвешиваются линии питания 9, Снизу эти линии прикрепляются к тросам 16,которые, так же как тросы 12, натягиваются через блоки.
Для компенсации емкостиизоляторов между вибраторами последние дополнительно укорачивают. Обычно длинавибратора меньше половины длины волны на 3—8%. Вибраторы и линии питания должныбыть тщательно изолированы от тросов. Кроме того, тросы необходимо разбить нанебольшие участки с целью исключения паразитного резонанса. Для этогопредназначены изоляторы 17,
Таким образом,многовибраторная антенна конструктивно представляет собой жесткую систему,которую в соответствии с ее внешним видом называют полотном или решеткойвибраторов.
Рефлектор антенныявляется полной аналогией собственно антенны. Полотно рефлектора (не показанноена рис. 4) расположено параллельно полотну антенны на расстоянии (0,25λ)от него. Рефлектор так же может быть активным. Питание антенны с активнымрефлектором показано на рис. 5. Для создания сдвига фаз в 900междутоками антенны и рефлектора, в цепь антенны включается линия длиной равнаяλ/4. для поглощения отраженных от антенны волн на расстоянии λ/4 отточек включения фидера ставятся баластны сопротивления R.
/>
Рис. 4. Крепление полотнавибраторов синфазной горизонтальной антенны.
/>
Рис. 5. Схема питанияантенны с активным рефлектором.
3. Расчетнаячасть
3.1 Расчетвходного сопротивления антенны
Сопротивлениеизлучения RΣп каждого полуволнового вибратора антенны, отнесенное к пучности тока,находят как сумму собственного сопротивления и сопротивлений, наведенных всеми остальнымивибраторами антенны и рефлектора. Сопротивление излучения антенны равно суммесопротивлений излучения всех вибраторов антенны. Тогда можно записать формулуусредненного сопротивления излучения полуволнового вибратора:
/> (3.1) [4]
Где /> - сопротивление излучения антенны
Есликоличество вибраторов в этаже или ряде превышает 8, то их можно не учитывать,так как их наведенные сопротивления излучения очень малы.
Конструкцияантенны идентичная конструкции рефлектора п х р=4 х 16, гдеп – количество этажей, р – количество полуволновых вибраторов вэтаже. В данном случае количество вибраторов в этаже превышает 8, учитываясказанное выше, рассчитаем сопротивление излучения для решетки 4 х 8.
Выражениеобщего сопротивления излучения для такой решетки будет выглядеть так:
/>
Где /> - сопротивленияизлучения решетки 4 х 8 (без учета рефлектора);
/> - сопротивления излучения вибраторовпервого ряда с учетом наводимых другими вибраторами решетки сопротивлений излучения;
/> - сопротивления излучения вибратороввторого ряда с учетом наводимых другими вибраторами решетки сопротивленийизлучения;
/> - сопротивления излучения вибраторовтретьего ряда с учетом наводимых другими вибраторами решетки сопротивленийизлучения;
/> - сопротивления излучения вибраторовчетвертого ряда с учетом наводимых другими вибраторами решетки сопротивленийизлучения;
Используя методнаведенных ЭДС найдем общее сопротивление излучения решетки 4 х 8.
Таблица 1.
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/> +73,1 +26,4 -4,1 +1,8 -1,0 +0,6 -0,4 +0,2
/> -12,5 -11,9 -0,8 +1,1 -1,0 +0,5 -0,3 +0,1
/> +4,1 +8,8 +3,6 -2,9 +1,1 -0,4 +0,1 -0,1
/> -1,8 -5,8 -6,3 +2,0 +0,6 -1,0 +0,9 -0,5
/>
Где /> - собственные сопротивления излученияполуволновых вибраторов; /> - сопротивления излучения наведенное вибратором р навибратор п. Пользуясь данными таблицы 1. найдем сопротивление излучениявсех вибраторов решетки
/>/>/>/>
Учитывая то, чтоконструкция решетки симметрична сопротивление симметрично расположенныхвибраторов будет одинаково.
/> Ом
/> Ом
/> Ом
/> Ом
/>/>/>/>
Учитывая симметричностьконструкции:
/> Ом
/> Ом
/> Ом
/> Ом
Так конструкциясимметрична, то сопротивление излучения первого ряда будет равно сопротивлениюизлучения четвертого, а сопротивление излучения третьего ряда будет равносопротивлению излучения второго.
/> Ом
/> Ом
Тогда: /> Ом
Сопротивление излучениярешетки не учтенных вибраторов будет равно сопротивлению излучения рассчитаннойчасти решетки.
Тогда можно записать:
RΣa= />
RΣa= /> Ом
Где RΣa– сопротивление излучения антенны безучета рефлектора
Рассматривая антенну ирефлектор, как систему из двух связанных вибраторов и используя выражение:
/>,
где /> - сдвиг фаз токов; m– отношение амплитуд токов; /> - сопротивление изучения антенны безучета рефлектора; /> - сопротивление изучения рефлектора; найдем сопротивлениеизлучения всей антенны с учетом влияния рефлектора. Так как рефлектор активныйи его питание производится тем же источником, что и антенна, и имеет такую жеконструкцию запишем:
/>=900; m=1; />=/>=4901,6 Ом.
Тогда />9803,2 Ом
Входное сопротивлениепары соседних полуволновых вибраторов образующих один симметричный волновой вибратор равно
/>, (3.2) [2]
где />— волновое сопротивлениесимметричного вибратора, определяемое по формуле. Используя (3.1) запишем:
/> (3.3)
Учитывая, чтополуволновой отрезок фидера, соединяющий вибраторы соседних этажей,трансформирует проводимость в пропорции 1: 1 и полагая, что длина фидера отточек 5-6 до точек питания антенны 1-2 и 3-4 равна целому числуполуволн, можно прийти к выводу, что в точках питания входная проводимостьантенны равна сумме проводимостей всех волновых вибраторов. Следовательно,входное сопротивление антенны приближенно равно
/> (3.4) [2]
Подставляя (3.3) в (3.4)получим
/> (3.5)
Используяформулу В. Н. Кессениха найдем волновое сопротивление предварительно задавдиаметр вибратора равным 0,002 м
/> (3.6) [4]
Где а – радиусвибратора.
/>
Подставив полученозначение в (3.5) получим
/>
3.2Симметрирующе-согласующие устройство
Для питанияантенны используем коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом.Так как кабель не симметричен, то для того что бы сделать его симметричнымнужно симметрирующие устройство. Для этого берется четвертьволновой отрезоктакого же кабеля. Соединение кабеля с отрезком показано на чертеже.
Длясогласования используем согласующий трансформатор выполненный из стандартныхдвухпроводных симметричных фидеров.
/> (3.7) [4]
где /> - волновое сопротивлениетрансформатора;
/> - волновое сопротивлениекоаксиального кабеля;
/> - входное сопротивление антенны;
/>
Четвертьволновые отрезкисоединим параллельно, чтобы получить нужное сопротивление трансформатора.
/>
где /> - волновое сопротивлениечетвертьволнового отрезка симметричного фидера.
Так как отрезки имеюодинаковое волновое сопротивление, формула будет иметь вид
/>
где п – количествоотрезков.
Тогда: />
При />=300 Ом п=13,48;
При />=600 Ом п=26,97;
Для лучшего согласованиявыполним фидер из четвертьволновых отрезков двух проводного фидере с волновымсопротивлением 600 Ом. Понадобится 27 таких отрезков.
Волновое сопротивлениетакого трансформатора будет:
/>
3.3 Расчеткоэффициента направленного действия
Коэффициент направленногодействия горизонтальной синфазной антенны, с учетом влияния Земли можноприближенно определить по формуле
/> (3.8) [4]
/>
3.4 РасчетДН в горизонтальной плоскости
Диаграмма направленностимноговибраторной решетки в горизонтальной плоскости определяется по формуле
/> (3.9) [4]
где /> - диаграмма направленностиодиночного вибратора;
/> - множитель решетки;
/> - множитель рефлектора;
При определении диаграммынаправленности под одиночным вибратором будем понимать симметричный вибратор.Число симметричных вибраторов в одном этаже в два раза меньше числаполуволновых вибраторов и равно числу секций антенны.
/>; (3.10) [4]
/>; (3.11) [4]
/>; (3.12) [4]
Где l– длина плеча симметричноговибратора; /> - угол в горизонтальной плоскости, отсчитанный от нормалик плоскости полотна антенны; пс – число симметричныхвибраторов в одном этаже; d–расстояние между центрами симметричных вибраторов; dр– расстояние между полотнами антенны и рефлектора; /> - отношении амплитуд и сдвиг фазантенны и рефлектора.
Используя формулу С.Щелкунова найдем длину плеча симметричного вибратора
/> (3.13) [3]
/> (3.14)
/>
Для данной антенны:
/>; пс=8; d=λ; dр=0,25λ; />; λ=0,15 м.
Подставив (3.10), (3.11),(3.12) в (3.9), и подставив в полученное выражение имеющиеся данные, получим
/>(3.15)
Для данной антенны ДН вгоризонтальной плоскости будет иметь вид:
— в полярной системе (Рис.6.)
— в декартовой системе(Рис. 7.)
/>
/>
Рис. 6.нормированная ДН в горизонтальной плоскости
/>
/>φ
Рис. 7. нормированная ДН в горизонтальной плоскости
По графикунаходим ширину ДН в горизонтальной плоскости
/>8,640
3.5Расчет ДН в вертикальной плоскости
Диаграмманаправленности многовибраторной решетки в вертикальной плоскости определяется произведением
/>/> (3.16) [4]
где /> - нормированный множитель системысинфазных излучателей;
/> - множитель, учитывающий влияниерефлектора;
/> - множитель, учитывающий влияниеЗемли.
/> (3.17) [4]
/> (3.18) [4]
/> (3.19) [4]
здесь пэ– число этажей в антенне; /> - расстояние между этажами; /> - средняя высота подвеса; /> - угол в вертикальной плоскостиотсчитываемый от поверхности Земли.
Обычно для таких антеннвысота подвеса над Землей нижнего этажа равна половине длины волны. Тогдаучитывая, что /> запишем значение для средне высоты подвеса:
/>
Подставив (3.17), (3.18),(3.19) в (3.16), и подставив в полученное выражение имеющиеся данные, получим
/> (3.20)
Для даннойантенны ДН в вертикальной плоскости будет иметь вид:
— в полярной системе(Рис. 8.)
— в декартовой системе(Рис. 9.)
/>
/>
Рис. 8.нормированная ДН в вертикальной плоскости
/>
/> />
Рис. 9.нормированная ДН в вертикальной плоскости
По графикунаходим ширину ДН в горизонтальной плоскости />13,880
Вывод
В данномкурсовом проекте была спроектирована многовибраторная синфазная антенна с активнымнастраиваемымрефлектором 16 х 4эт. для работы на длине волныравной 15 см. В ходе выполнения данного проекта были сделаны следующие выводы:
— сувеличением числа вибраторов сопротивление излучения антенны увеличивается, авходное сопротивление падает;
— сувеличением числа вибраторов увеличивается КНД, а также и коэффициент усиления;
— диаграмманаправленности в горизонтальной плоскости зависит только от количествавибраторов в этаже. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости зависиттолько от количества этажей. При чем при увеличении числа вибраторов или этажейдиаграмма направленности сужается;
Данная антеннатакже может работать как диапазонная в диапазоне со средне длиной волны равной 15 см., за счет активности рефлектора.
— входноесопротивление антенны – 9,9 Ом;
— коэффициентнаправленного действия – 512;
— ширина ДН вгоризонтальной плоскости – 8,640;
— ширина ДН ввертикальной плоскости – 13,880.
Списокиспользованной литературы
1. Коротковолновые антенны/ Г. З. Айзенберг, С.П. Белоусов, Э. М. Журбенко и др; под ред Г. З. Айзенберга – 2-е перероб и доп– М: Радио и связь, 1985. – 536 с., ил.
2. Антенны и устройства СВЧ/ Н. Т. Бова, Г. Б.Резников.
3. Антенно-фидерные устройства/ Кочержевский Г.Н.: Учебник для вузов. 3-е изд., доп. и перераб. – М; Радио и связь, 1981. –280 с., ил.
4. Распространение радиоволн и антенно-фидерныеустройства/ Чернышев В.П., Шейнман Д.И. – М: Связь 1972. – 408 с., ил.