СОДЕРЖАНИЕ
1.Исходные данные
2.Вступление
3.Сравнительная характеристика антенн. Выбор типаантенны.
4.Выбор конструкции антенны
5.Расчет высоты установки антенны над поверхностьюЗемли
5.1.Расчет рабочейчастоты
5.2.Расчет высоты установки антенны
6.Расчет конструкции, параметров и характеристикантенны
6.1.Определимкоэффициент усиления антенны G
6.2.Определение диаграммы направленности
6.3.Определение параметроврупора
7.Выбор схемы и конструкцииустройства питания
8.Выводы и заключения
Исходные данные: 1.Растояние между РРС, км 65 2.Средняя частота передатчика РРС, ГГц 6,0 3.Средняя частота приемника РРС, ГГц 4,2 4.Мощность передатчика РРС, Вт 10 5.Мощность сигнала приемника РРС, пВт 38 6.Ширина спектра сигнала передатчика РРС, МГц 0,25 7.Поляризация сигналов передатчика РРС ЛВ
Вступление
Радиорелейнаясвязь — развивающийся вид связи благодаря ряду преимуществ по сравнению сдругими видами связи.
Основнымидостоинствами радиорелейных линий являются:
1. Большаягибкость и маневренность;
2.Возможность высококачественной передачи на дальние расстояния очень большогоколичества одновременных сообщений;
3.Работа в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн с использованиемостронаправленных антенн, обладающих большим усилением;
4.Практическое отсутствие атмосферных и промышленных помех в рабочем диапазонечастот.
Радиорелейнаясвязь в диапазоне СВЧ основана на многократной ретрансляции сигнала, т.е. наповторной передаче принятых сигналов. Промежуточные станции по трассерасполагаются на разных расстояниях, но при условии, чтобы расстояние междусоседними станциями не превышало дальности прямой видимости.
Прирасчете радиорелейной линии исходят из основного требования обеспечениянадежности и качества передачи необходимой информации при наименьшем количествепромежуточных станций.
Антеннырадиорелейных линий должны иметь высокий коэффициент усиления (обычно ЗОдБ вдециметровом диапазоне и 40-50 дБ в сантиметровом) и низкий уровень боковыхлепестков.
Наиболеераспространенными видами антенн для радиорелейных линий являются:рупорно-параболическая, перископическая и рупорно-линзовая.
Применениетого или иного вида антенны определяется технико-экономическими требованиями крадиорелейной системе. Перископическая антенна характерна отсутствием длинныхволноводных питающих трактов, что упрощает строительство и эксплуатациюрадиорелейной линии. К недостаткам антенны относится ее малаяпомехозащищенность, являющаяся прямым следствием того, что система передачиэнергии от передатчика к верхнему зеркалу является открытой.
радиорелейная линия антенна
Сравнительнаяхарактеристика антенн. Выбор типа антенны
Тип антенны Характеристика
Вибраторные
1. Одновибраторные
2. Петлевые (Вибратор Пистолькорса)
3. Рамочные (магнитные вибраторы)
4. Турникетные Наиболее просты в изготовлении, вследствие чего наиболее распространены, особенно на частотах метрового и дециметрового диапазонов. Вследствие низкого КНД используются в основном как приемные. Легко может быть реализована как линейная, так и круговая поляризация (турникетные антенны). При использовании специальной конструкции могут быть достаточно широкополосные (диполь Надененко) – полоса до 50%. Входные сопротивления могут изменятся в большом диапазоне значений в зависимости от конструкции
Рупорные
1. Пирамидальные
- H-, E- секторальные
- Остроконечные
- Клиновидные
2. Конические
Являются модификацией простейшего излучателя в виде открытого конца волновода, видоизмененного для получения большего КНД. Это наиболее простые антенны, являющиеся частью питающего волновода. Имеют высокий КПД, являются широкополосными устройствами, однако для достижения высокого КНД необходимо увеличивать сильно размеры раскрыва рупора. Для обеспечения круговой поляризации необходимо вводить дополнительные элементы в раскрыв рупора, либо применять пару рупоров с взаимным смещением фаз 900. Формируют ДН от 100 (в пирамидальных) до 1400 (при раскрыве специальной формы). Применяются в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн, а также (реже) в антенных решетках.
Антенны поверхностных волн
1. Плоские с диэлектрическим направителем
2. Плоские с ребристым направителем
3. Стержневые диэлектрические
4. Ребристо-стержневые
5. Дисковые диэлектрические
6. Дисковые ребристые Обладают малыми поперечными размерами, хорошими диапазонными свойствами по диаграмме направленности и входному сопротивлению. Технология их изготовления достаточно проста. Недостатком таких антенн является большой УБЛ, а также большие потери в диэлектрическом направителе.
Волноводно-щелевые антенны
1. Резонансные
2. Нерезонансные Ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата. Распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателя с волноводом; имеет сравнительно простое возбуждающее устройство, проста в эксплуатации.
Спиральные
1. Плоские
2. Цилиндрические
3. Конические Основное преимущество – легкость обеспечения поляризации ЭМВ, близкой к круговой без введения дополнительных элементов, простота конструкции. Однако для получения высоконаправленной антенны её длина должна быть недопустимо большой (не выполняется условие механической прочности).
Линзовые
1. Замедляющие
2. Ускоряющие
3. Геодезические
4. Неоднородные Обеспечивают высокую направленность излучения/приема, однако по сравнению с зеркальными менее требовательны к точности изготовления поверхности, имеют 3 степени свободы (2 поверхности преломления и закон распределения коэффициента преломления) для придания антенне дополнительных свойств (широкоугольное качание диаграммы направленности, требуемое распределения амплитуды и фазы поля по раскрыву). Также отсутствует затенение раскрыва облучателем. Существенными недостатками являются большая масса, узкополосность и потери в веществе линзы.
Зеркальные
1. Осесимметричные
- Однозеркальные
- Двухзеркальные (по схеме Кассегрена или Грегори)
2. Офсетные
3. Рупорно-параболические
4. Перископические
Легко обеспечивают высокую направленность, широкополосны, имеют сравнительно простую конструкцию. При высоких частотах требования к точности изготовления очень жесткие (отклонения порядка />). Круговая поляризация обеспечивается конструкцией облучателя или введением дополнительных элементов, что усложнит и утяжелит конструкцию.
Выборконструкции антенны
Перископическуюантенную систему можно разбить на две части: излучающая антенна ипереизлучатель. Излучающая антенна состоит, в свою очередь, из облучателя инижнего зеркала. Переизлучатель называется иначе верхним зеркалом. Излучающаяантенна располагается обычно на небольшой высоте вблизи передатчика илиусилительного устройства, соответственно передающего или принимающего сигнал изантенны.
Верхнеезеркало располагается на довольно значительной высоте и крепится на башне.Высота расположения верхнего зеркала или высота башни определяется исходя израсстояния между соседними ретрансляционными пунктами. Зеркала антенныустанавливаются и ориентируются таким образом, чтобы энергия электромагнитныхколебаний, излученных антенной, перехватывалась верхним зеркалом и направляласьна соседнюю ретрансляционную станцию.
Наиболеерациональным является вариант с разнесенным облучателем и нижним зеркалом. Вданном случае облучатель располагается вблизи передатчика, что обеспечиваетминимальную длину волновода, соединяющего облучатель с передатчиком. Нижнеезеркало отнесено далеко от облучателя, что облегчает условия согласованияоблучателя с нижним зеркалом.
По формеповерхности зеркала могут быть выполнены в виде части поверхности параболоидаили эллипсоида вращения. В простейшем случае зеркало может быть выполненоплоским. Форма зеркала определяет дополнительные условия фокусировки лучавнутри антенны. Эллипсоидальная форма зеркала обеспечивает наилучшие фазовые соотношениялуча на выходе антенны. Для получения минимальных фазовых искажений сигнала навыходе антенны наиболее рациональным считается вариант с эллипсоидальным нижними параболическим верхним зеркалами, который мы и будем использовать.
Облучательрасположен в одном из фокусов эллипсоида, а центр переизлучателя — в другомфокусе. Главная ось параболоида, частью которого является верхнее зеркало,направлена на приемную антенну. Поток энергии от нижнего зеркала к верхнемубудет несколько сужаться, что приводит к некоторому увеличению к.п.д. передачипо сравнению с параллельным пучком.
По формеконтура зеркала могут быть квадратными, ромбическими, эллиптическими икруглыми. Последняя форма является наиболее удобной в технологическом отношениии обеспечивает получение диаграммы направленности антенны с меньшим уровнембоковых лепестков. В нашем случае форма контура зеркала не будет точно круглой,но с достаточной степенью точности мы можем считать ее таковой.
В качествеоблучателя нижнего зеркала в сантиметровом диапазоне волн удобно использоватьпирамидальный рупор.
Прибольших, по сравнению с длиной волны, раскрывах зеркал и больших, по сравнениюс раскрывами, расстояниях между зеркалами, что обычно имеет место в перископическихсистемах, возможно сделать следующие допущения:
1.Расчет распределения поля от эллипсоидального нижнего зеркала у поверхностиверхнего производят по формулам диаграммы направленности для дальней зонысинфазно возбужденной плоской поверхности с теми же размерами и распределениемамплитуд, что и реальное зеркало.
2.Формуфазового фронта волны у поверхности верхнего зеркала можно считать сферичной сцентром на поверхности нижнего зеркала. Поэтому, для получения плоскогофазового фронта на выходе антенной системы необходимо верхнее зеркало сделатьпараболоидальным с фокусом параболоида в центре нижнего зеркала.
Дляобеспечения передачи энергии от нижнего зеркала к верхнему с минимальнымипотерями необходимо, чтобы нижнее зеркало имело определенную форму и ширинудиаграммы направленности. От ширины диаграммы направленности нижнего зеркалазависит размер верхнего. Требуемая диаграмма направленнотси нижнего зеркаладолжна быть узкой. Последнее требование приводит к увеличению его размеров.Наиболее типичным для перископической антенны являются примерно равные размерыверхнего и нижнего зеркал.
Расчетвысоты установки антенны над поверхностью Земли
1.Расчет рабочей частоты
Рассчитаемрабочую частоту колебаний по формуле:
/>
/> — средняя частота передатчика; /> - средняя частота приемника.
/>=/>
Рабочуюдлину волны определим по формуле:
/>=/>
где с =3 • 108 м/с — скорость света.
/>=/>=0,0598 м
2.Расчет высоты установки антенны
Опредилимвысоту башни, исходя из условия, что расстояние между радиорелейными станциями65км-дальность прямой видимости:
/>=/>(/>+/>)
где /> - расстояние между радиорелейными станциями; /> =6372 км — радиус Земли;/>
/> - высоты соседних радиорелейных станций.
/>=/>=82.88м
Длятого, чтобы существенная область (область пространства, в которой происходитосновной перенос электромагнитной энергии) не экранировалась препятствиями,необходимо увеличить высоту станции хотя бы на величину радиуса минимальнойзоны Френеля. Радиус этой зоны найдем по формуле:
/>=/>
Подставляяизвестные значения, найдем />=10.29 м. Высота радиорелейной станции:
/>
/>=82.88+10.29=93.17 м.
Выберемвысоту подвеса нижнего зеркала над землей равным 2м, тогда действующая высотаантенны будет равна:
/> =/>
/> =91.17 м
Расчетконструкции, параметров и характеристик антенны
1.Определим коэффициент усиления антенны G
G=/>
где />
/>=π/>
b — радиус проекцииверхнего зеркала;
/> — к.п.д. передачи от нижнего зеркала к верхнему;
/> — к.п.д. передачи от облучателя к нижнему зеркалу;
Ки — коэффициент использования поверхности верхнего зеркала. Величины />, /> определяются потерями на пути облучатель-нижнее зеркало-верхнеезеркало. Причинами потерь являются: «переливание» энергии через края нижнегозеркала, рассеивание энергии на пути от нижнего к верхнему зеркалу, отражениеэнергии от мачты и дальнейшее ее рассеивание. Вследствие этих причин не всяэнергия от передатчика подводится к нижнему зеркалу, затем не вся подводимая книжнему зеркалу энергия попадает на верхнее и только часть энергии, попадающейна верхнее зеркало, передается к корреспонденту.
/> определяется распределением амплитуд и фаз поля в егораскрыве. Это распределение зависит от формы диаграммы направленности нижнегозеркала и от формы поверхности верхнего зеркала. Однако кривизна поверхностипереизлучателя и кривизна фронта падающей на него волны малы, поэтому верхнеезеркало изменяет только фазовую структуру переизлученного поля, не меняязаметно его амплитудного распределения. У нас верхнее зеркало параболоидально,тогда поле в его выходной апертуре синфазно и /> зависит лишь от неравномерности амплитудного"распределения напряженности поля по зеркалу, которая определяется диаграммой
направленностинижнего зеркала. При практических расчетах значений параметров /> нужно учитывать зависимость этих значений отпеременной />, который определяется как
/>
дляразличных значений Кон, где а и в — радиусы проекций соответственноверхнего и нижнего зеркал, Кон — коэффициент, характеризующийраспределение поля в апертуре антенны нижнего зеркала. Расчетным являетсяслучай Кон=0,684. Для того, чтобы достичь максимального значения /> 0,7 при данном расчетном значении Кон,возьмем значение х0=2,8 и опредилим значения a и b, которые, как было сказано выше, равны между собой: a=Ь=1,28м.
Найдемзначения /> и />:
/>=π1/>=5.14
/>=18088.16
Рассчитаемкоэффициент усиления: G= 0,7 • 0,85 />18088,16 = 10762.46
2.Определениедиаграммы направленности
Диаграмманаправленности определяется для перископической антенны с эллипсоидальнымизлучателем и параболоидальным переизлучателем. При параболоидальномпереизлучателе поле в его раскрыве синфазно и выражение для диаграммынаправленности имеет вид:
F(ѵ)=((1-/>)/>(ѵ)+/>(ѵ))/>
/>-Лямбда-функция первого рода
/>-Лямбда-функция второго рода
Для определениявида диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостинеобходимо найти /> и />:
Вгоризонтальной плоскости θ=0, поэтому:
/>
Ввертикальной плоскости />=0, поэтому:
/>a(1-cosθ-sinθ)
Диаграмма направленностив Е-плоскости имеет вид:
-в декартовыхкоординатах:
/>
-в полярных координатах:
/>
Диаграмма направленностив H-плоскости имеет вид:
-в декартовыхкоординатах:
/>
-в полярных координатах:
/>
3.Определениепараметров рупора
Вкачестве облучателя будем использовать пирамидальный рупор.
Так какрупорная атенна должна возбуждать круглый раскрыв зеркала, очевидно, необходимопотребовать, чтобы диаграмма направленности рупорного облучателя быласимметричной, т.е. ее ширина в плоскостях E и Н была одинакова.
Ширинадиаграммы направленности пирамидального рупора вычисляется приближенно поформулам (на уровне половинной мощности):
-вплоскости Е: sin/>
-вплоскости Н: sin/>
А — ширина апертуры рупора,
В — высота апретуры рупора.
Дляполучения симметричной диаграммы: />=/>
A=1.34B
К.н.д.передачи на участке рупор-нижнее зеркало η=0,8=0,9. Спад до 0,1 помощности (с учетом фазовых искажений в апертуре рупора) соответствует:
-вплоскости Е: sin/>
-вплоскости Н: sin/>1.34/>
Выберемугол γ=/>=/>
ВеличинуВ можно определить исходя из выражения:
/>= />
где d — расстояние между рупором и нижнимзеркалом.
Мы выбралиd=10м, тогда, подставляя известные значения,получим
В=0,47м.
Найдемвеличину А:
А=1,34В
А=0,62м.
Коэффициентнаправленности рупора при этом равен:
/>
При этомкоэффициент использования поверхности апертуры рупора />=0,64.
Тогда:
/> =655.02
\
Рассчитаемдлину рупора в плоскости Е:
/>
Подставивизвестные значения, получим />
Длинарупора в плоскости Н:
/>
Получаем/>
— вплоскости Н: />
— вплоскости Е:/>
Необходимозаметить, что поляризация сигналов передатчика — линейная вертикальная, поэтомурассчитанный рупор не поворачиваем (широкой стенкой паралельно земле), чтобывектор Е был ей перпендикулярен.
Выборсхемы и конструкции устройства питания
Энергия к антенне будетподводится с помощью прямоугольного волновода с использованием плавного переходаот волновода к рупору.
Учитывая высоту подвесаантенны над землей (82,88м), а также не очень большую мощность питающегосигнала (10Вт), то энергию в волноводе будем возбуждать с помощью егосоединения с коаксиальным волноводом.
Сочленения коаксиальныхволноводов с прямоугольными могут быть штыревого и петлевого типов. Ониосуществляют трансформацию Т-волны коаксиального волновода в волну />прямоугольного. Трансформаторыпетлевого типа применяются очень редко, поэтому будем использовать штыревойтрансформатор.
Простейший трансформаторпредставляет собой отрезок прямоугольного волновода, внутрь которого черезширокую стенку введен внутренний проводник коаксиала, а его наружный проводниксоединен со стенками прямоугольного волновода.
Трансформаторхарактеризуется такими параметрами:
· h-высота штыря.
· X- расстояние от боковой стенки.
· l- расстояние от закороченного концаволновода.
Штырь можно рассматриватькак вибратор введенный в прямоугольный волновод, следовательно, штырь длякоаксиального кабеля является нагрузкой.
Необходимо обеспечитьсогласование нагрузки для обеспечения РБВ в коаксиальном кабеле. Сопротивлениештыря в общем случае комплексно.
Теория и практикапоказывает, что для лучшего согласования необходимо
/>
В этом случае штырьвключается в такие сечения волновода, где сопротивление носит чисто активныйхарактер. Смещением штыря в поперечной плоскости добиваются равенства этогосопротивления волновому.
С учетом линейнойвертикальной поляризации это будет иметь вид:
/>
Рассчитаем нужныевеличины:
/> =/>=0.72/>=43мм
/>=/>l=/>=/>=2,08см h=/>=14.95см
Выводыи заключения
В результатевыполнения данной курсовой работы была рассчитана перископическая антеннарадиорелейной станции прямой видимости. Она имеет следующие конструкционныеособенности:
— двузеркальнаяантенна с разнесенным облучателем и нижним зеркалом;
— формаконтура зеркал — круглая;
— по формеповерхности использовали эллипсоидальное нижнее и параболоидальное верхнеезеркало;
— вкачестве согласующего устройства — прямоугольный волновод. Были определены следующиеконструкционные характеристики перископической антенны и радиорелейной станции:
— высотарадиорелейной станции (а также высота установки верхнего зеркала) — 82,88 м;
— высотаподвеса нижнего зеркала над землей -2м;
— радиусыпроекций верхнего и нижнего зеркала равны между собой и составляют 1,28 м;
— нижнеезеркало наклонено к поверхности Земли под углом в 135°, а верхнее — под углом в45°.
— длина рупора вплоскости Е и Н: />
/>
Нашлиследующие параметры антенны:
— рабочаядлина волны — 0,0598 м;
— коэффициентусиления антенны составляет 10762,46 ;
— коэффициентнаправленности рупора равен 18088.16;
Рассчитаннаяперископическая антенна радиорелейной станции прямой видимости удовлетворяетвсем основным требованиям, предъявляемым к антеннам этого класса, имеет большойкоэффициент усиления, узкую диаграмму направленности. Данная антенна не слишкомдешева в изготовлении, так как антенна располагается на достаточно высокихбашнях (хотя это и минимальная высота радиорелейных станций при заданномрасстоянии между ними), а также используются параболоидальное и эллипсоидальноезеркала. Но при условии использования наиболее дешевых в производстве плоскихзеркал наблюдались бы большие потери энергии при передаче от нижнего зеркала кверхнему, т.е. наименьший коэффициент полезного действия антенны.