Расчет антенно-фидерного устройства

Антеннами называются устройства, предназначенные для излучения и приема радиоволн. Антенны являются обязательным звеном любой системы радиосвязи. Электромагнитные колебания высокой частоты вырабатываются генератором, с помощью направляющей системы (фидера) подводятся к передающей антенне и излучаются ею в окружающее пространство в виде свободно распространяющихся радиоволн.

Приемная антенна извлекает из окружающего пространства часть энергии волны. Эта энергия по направляющей системе поступает на вход радиоприемного устройства, где после ряда преобразований происходит выделение заложенной в волне информации. Антенны обладают свойством обратимости, т. е. одна и та же антенна в принципе может работать и как передающая и как приемная. Однако в реальных условиях требования к передающим и приемным антеннам могут существенно отличаться. Так, передающая антенна должна обладать высокой излучающей способностью и максимально большим коэффициентом полезного действия, в то время как приемная антенна должна обеспечивать требуемую помехозащищенность (требуемое отношение сигнал/шум), что достигается за счет ее направленных свойств. Под направленными свойствами понимается способность антенны излучать или принимать радиоволны в переделах определенного телесного угла. В процессе разработки антенны решаются две задачи — внутренняя (синтез антенны) и внешняя (анализ). Под синтезом понимается определение законов распределения токов и напряжения по антенне для получения требуемых электрических характеристик антенны. В процессе анализа решается обратная задача, т. е. по известным законам распределения токов и напряжений по антенне определяются ее электрические характеристики. В строгом смысле обе задачи нужно решать на основе уравнений Максвелла (волновых уравнений) и соответствующих граничных условий. Однако, несмотря на кажуюся их внешнюю простоту, получить удобные для практического применения формулы далеко не всегда удается из-за очень больших математических трудностей. Даже в самом простом случае одиночного линейного излучателя окончательные выражения получаются весьма громоздкими. Поэтому на практике обычно применяют инженерные методы расчета, позволяющие получить более простые формулы, когда точность расчета удовлетворяют требованиям задачи. С этой целью используют модели, в которых в качестве прототипов применяют известные в теории цепей устройства (отрезки линий, четырехполюсники). Широко применяется также метод геометрической оптики. Направляющие системы (фидеры) должны обеспечивать максимально эффективную работу антенно-фидерного тракта. Поэтому фидер работает в согласованном режиме с генератором (или приемником) и антенной, обеспечивая режим бегущей волны. Фидер должен также обладать минимальными прямыми потерями (максимальным коэффициентом полезного действия). И, наконец, фидер не должен обладать антенным эффектом, т. е. не должен излучать или принимать радиоволны. На работу антенн определенное влияние оказывает среда, в которой (или над которой) распространяются радиоволны. Это влияние проявляется в изменении входного сопротивления и сопротивления излучения антенн, их коэффициента усиления и диаграммы направленности. Структура и специфика распространения полезных сигналов и сигналов помех часто являются опредляющими факторами при определении требований к типам и конструкции антенн в различных диапазонах волн.

1. Определение протяженности линии связи, азимута и угла места установки антенны

Угол, образованный направлениями линии радиосвязи и северного земного медиана, называют азимутом. Северное направление имеет азимут 00, восточное — 900, южное — 1800, западное — 2700. При нормальном состоянии ионосферы направление линии радиосвязи (ее проекция на поверхность земли) в горизонтальной плоскости совпадает с направлением дуг большого круга. Стационарные направленные антенны устанавливаются в соответствии с азимутом линии радиосвязи. Азимут линии радиосвязи определяются уравнениями:

сos И = sin Ш1*sin Ш2+cos Ш1*cos Ш2*cos (L2-L1);

sin б = [cos Ш2*sin (L2-L1)] / sin И;

cos г = [cos Ш1*sin (L2-L1)] / sin И, где Ш1, Ш2, — географические широты и долготы пунктов радиосвязи; б и г — углы сферического треугольника, смысл котрых ясен из рисунка. Поскольку спутник находится точно над экватором (о чем и свидетельствует стационарность), тогда Ш2=00.

cos И = cos Ш1*cos Ш2*cos (L2-L1) = cos 840*cos 00*cos (940−510) = -0.378; И = 1120;

sin б = 0; б = 00;

cos г = [cos Ш1*sin (L2-L1)] / sin И = [cos 840*sin (940−510)] / sin 1120 =- 0.636; г = 1300.

Азимут установки антенны:

1800 — б = 1800 — 00 = 1800.

Азимут линии радиосвязи:

3600 — г = 3600 — 1300 = 2300

Поскольку мы рассматриваем связь спутника с землей, то протяженность линии радиосвязи будет равна расстоянию между спутником и землей: r = 36 000 км.

2. Выбор типа антенны

В комических линиях связи могут использоваться параболические, рупорно-параболические, спиральные и так далее. Рассмотрим некоторые из них.

2.1 Параболическая антенна

Однозеркальные параболические антенны

Параболическая антенна представляет собой параболоид вращения (зеркало), в фокусе которого располагается облучатель, роль которого выполняет слабонаправленная антенна (спираль, рупор, излучатель щелевого типа и др.).

Как известно, парабола есть геометрическое место точек, равноудаленных от фокуса F и от директрисы при любых углах n: FAn=AnBn.

FAnBn = BnAnCn = const при любых .

Поэтому, если в фокусе параболической антенны установить источник сферических волн, то её раскрыв в соответствие с законами геометрической оптики будет представлять собой синфазную поверхность. Из сказанного непосредственно следует, что вся совокупность вторичных источников излучения (элементов Гюйгенса) в раскрыве формирует волну с плоским фронтом. Дифракционные явления на краях раскрыва входят в противоречие с законами оптики, и волна в принципе не может иметь строго плоский фронт. Однако в инженерных расчетах обычно пренебрегают этой неточностью и считают фронт излучаемой волны плоским, что значительно упрощает расчет электрических параметров антенны.

К недостаткам однозеркальной антенны относится:

1. Высокая шумовая температура.

При работе в качестве приемной антенны земных станций на космических линиях связи облучатель направлен в сторону Земли и принимает всю совокупность сигналов помех в виде теплового излучения Земли, переотраженных сигналов от различных металлических конструкций, технических зданий и других объектов.

2. Относительно низкий коэффициент защитного действия (КЗД).

Коэффициентом защитного действия называется отношение уровня сигнала на входе приемника, принимаемого с прямого и противоположного направлений:

. (3.1)

Прием антенной с обратного направления осуществляется за счет заднего лепестка ДН, который у однозеркальных антенн относительно велик. КЗД однозеркальной антенны равен примерно 50 дБ.

3. Относительно большой уровень боковых лепестков из-за «пьедестала» поля на краю антенны.

4. Потери в фидере облучателя из-за его большой длины.

В большой мере перечисленных недостатков лишена двухзеркальная антенна.

Двухзеркальная антенна Двухзеркальная антенна аналогична по принципу действия астрономическому телескопу, предложенному в 1672 г. французским оптиком Н. Кассегреном. Антенна имеет в своем составе основное (большое) параболическое зеркало и вспомогательное (малое) гиперболическое зеркало. Оба зеркала имеют совмещенный фокус в т. F. Фазовый центр облучателя расположен в фокусе F второй мнимой ветви гиперболы (пунктир). Напомним, что гиперболой называется геометрическое место точек, разность расстояний от которых до фокусов F и F равняется расстоянию между её вершинами (FAn — FAn= =2a=const) при любых углах n.

Тогда оптические пути лучей, исходящих из фокуса F до раскрыва

большого зеркала, отличаются от оптических путей лучей, исходящих из фокуса F, на постоянную величину 2аk, где

.

Волна, отраженная от малого зеркала, как — будто возбуждается виртуальным источником сферической волны, расположенным в фокусе большого зеркала F, и в раскрыв большого зеркала образуется синфазная поверхность, как в случае однозеркальной антенны.

Преимущества двухзеркальной антенны перед однозеркальной заключается в следующем.

1. Наличие вспомогательного зеркала позволяет легче подобрать требуемое распределение поля в раскрыв основного зеркала.

2. Облучатель устанавливается близко от основного зеркала, что укорачивает линию питания и, соответственно, уменьшаются потери. Упрощается конструкция крепления облучателя.

3. ДН облучателя направлена в сторону от поверхности Земли, из-за чего существенно уменьшается шумовая температура антенны.

4. Возможность использования короткофокусных параболоидов. Это снижает переливание энергии через край зеркала и, соответственно, увеличивает КЗД. В двухзеркальных антеннах КЗД может достигать 70 дБ.

Недостатком двухзеркальной антенны является значительный теневой эффект, создаваемый вспомогательным зеркалом, и реакция зеркала на облучатель. Теневой эффект растет с ростом раскрыва вспомогательного зеркала. Поэтому обычно его радиус R выбирается в пределах

R = (0,060,2)R0,

где R0 — радиус основного зеркала.

При расчете распределения амплитуды поля в раскрыве большого зеркала вводится понятие эквивалентного зеркала, что значительно упрощает расчеты.

Эквивалентное зеркало представляет собой геометрическое место точек, образованных пересечением лучей, отраженных от основного зеркала и лучей, идущих от облучателя.

Радиусы раскрывов эквивалентного и основного зеркала одинаковы. Амплитудное распределение поля в раскрыве эквивалентного зеркала такое же, как и в раскрыве основного зеркала и рассчитывается по тем же формулам, что и для однозеркальной антенны. Фокусное расстояние эквивалентного зеркала больше фокусного расстояния основного зеркала. Поэтому амплитудное распределение поля в раскрыве основного зеркала двухзеркальной антенны более равномерное при заданной ДН облучателя по сравнению с распределением поля в раскрыве однозеркальной антенны при равном отношении. Благодаря этому КИП двухзеркальной антенны может достигать величины =0,7. Благодаря низкой шумовой температуре двухзеркальные антенны широко применяются на космических и радиорелейных линиях связи, на которых работа ведется с малыми уровнями полезного сигнала.

2.2 Рупорное — параболическая антенна

Наиболее высоким коэффициентом защитного действия и, соответственно, минимальной шумовой температурой обладают рупорно-параболические антенны (РПА). В состав антенны входит облучатель (пирамидальный рупор) и часть параболоида вращения, образуя единую жесткую конструкцию (рисунок 3.3). Фокус параболоида совмещен с фазовым центром рупора F.

Как и в случае однозеркальной антенны, сферическая волна, возбуждаемая облучателем, после отражения от зеркала трансформируется в плоскую, и в раскрыве антенны образуется синфазная поверхность. В отличие от однозеркальной антенны облучатель оказывается вынесенным из зоны действия отраженной волны, и поэтому у РПА отсутствует реакция зеркала на облучатель и теневой эффект. Как видно из рисунка 3.3, вся мощность облучателя падает на зеркало, и коэффициент перехвата практически равен единице. Отсутствие затекания энергии через край зеркала уменьшает уровень обратного излучения и КЗД антенны может быть доведен до 70 дБ. Коэффициент использования поверхности раскрыва КИП равен 0,6. Угол раскрыва рупора обычно выбирают в интервале =3050. Увеличение угла раскрыва рупора приводит к значительному увеличению отражения от его раскрыва.

Формулы для расчета ДН антенны имеют весьма громоздкий вид. Поэтому в практических расчетах можно воспользоваться выражениями для синфазного прямоугольного раскрыва.

2.3 Спиральная антенна

Спиральные антенны применяются в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых волн, когда на линиях радиосвязи возникает необходимость использования радиоволн с вращающейся поляризацией. Кроме этого трансформация линейно-поляризованной волны в волну с вращающейся поляризацией может происходить естественным путем при распространении волны в магнитоактивной среде, примером которой служит ионосфера. Влияние постоянного магнитного поля Земли приводит к тому, что в зависимости от ориентации траектории волны и силовых линий магнитного поля Земли линейно-поляризованная волна превращается в волну с круговой (или эллиптической) поляризацией, либо возникает вращение плоскости поляризации линейно-поляризованной волны Рисунок 3.5 (эффект Фарадея).

Рисунок 3.6 а) Спираль антенны с указанными параметрами; б) Расчет шага спирали.

В любом из этих случаев возникают поляризационные замирания сигнала при приеме на линейную антенну. Поэтому в качестве приемных антенн для борьбы с поляризационными замираниями применяют спиральные антенны. Витки спирали возбуждаются последовательно бегущей волной тока. Поэтому спиральная антенна относится к классу решеток бегущей воны, где элементом решетки является один виток спирали. Условием круговой поляризации спиральной антенны является синфазное возбуждение витков спирали. Разность фаз полей, создаваемых соседними витками складывается из разности фаз по питанию (возбуждению витков) и пространственной разности фаз из-за расстояния между витками (шага спирали). В осевом направлении:

где — коэффициент замедления (); Условие круговой поляризации и максимального КНД не совпадают.

3. Определение требуемого коэффициента усиления приемной антенны

Требуемый коэффициент усиления приемной антенны можно рассчитать исходя из наших исходных данных:

гдемощность бортового передатчика; -мощность на входе приемного устройства; -коэффициент усиления передающей антенны; - коэффициент усиления приемной антенны; -длина волны; R-расстояние до спутника.

раз;

— это требуемый коэффициент усиления;

раз, где F=1/Z*Lдоп=0,04дБ=1,01 раз Z — запас помехоустойчивости к внешним помехам, выбирается в пределах от 5−15 дБ Lдоп — потери, включающие ослабление сигнала в соеденительных разъемах, потери из-за неточного несовпадения поляризации антенн и т. п. выбираетс в пределах 5−10дБ (возьмем Z=5дБ и Lдоп=5дБ) Тогда F=1/5*5=0,04дБ или F=100,1*0,04=1,01 раз

4. Расчет геометрических размеров антенны

Для расчета выбираем спиральную антенну. Спиральные антенны обычно рассчитываются по эмпирическим формулам, которые являются результатом аппроксимации экспериментальных данных. Рассчитаем по таким формулам геометрические размеры спирали:

Длина волны:

Угол подъема спирали обычно берут, возьмем для расчета

Шаг спирали равен:

антенна фидер связь усиление Длина витка спирали:

Радиус спирали:, следовательно:

Оптимальная длина витка:

Длина проводника спирали:

Коэффициент замедления волны в антенне:

Входное сопротивление спирали число активное и равняется:

Коэффициент направленного действия примем равным коэффициенту усиления приемной антенны:

поскольку в нашем случае, то коэффициент направленного действия будет определяться по формуле:

Следовательно, общее количество витков одной спирали:

Поскольку на практике применять такое количество витков для одной спирали не совсем удобно, то количество витков обычно выбирают:. Для расчета выберем. Следовательно, можно найти общее количество спиралей:

.

Длина спирали:

5. Расчет диаграммы направленности антенны

Рисунок 5.1 Зависимость диаграммы направленности от диаметра спирали

Для определения диаграммы направленности всей антенны применим теорему умножения характеристик направленности. Диаграммы направленности следует находить в плоскости, проходящей через спирали, и плоскости, перпендикулярной ей. Диаграмма направленности всей антенны формируется из следующих множителей.

6. Антенная решетка из спиральных элементов

Линейные решетки способны создавать направленное излучение только в одной плоскости. Для формирования направленного излучение в двух плоскостях используют решетки, излучающие элементы которых расположены на плоскости и занимают определенную площадь. Такие решетки называются плоскими. Излучатели в плоских решетках могут располагаться в узлах прямоугольной или треугольной решетки. В данном случае нам и нужна плоская решетка, которая будет состоять из спиральных элементов.

7. Определение коэффициента направленного действия антенны по рассчитанной диаграмме направленности

Высчитаем коэффициент направленного действия данной антенны:

8. Выбор типа фидера и расчет его КПД

Подключение антенны к входу приемника или выходу передатчика осуществляется с помощью соединительных линий, которые называютсяся фидерами (от английского to feed-питать). В зависимости от назначения антенны устанавливаются либо на антенном поле на большом расстоянии от технического здания, где расположена передающая или приемная аппаратура, либо на высоких опорах (мачтах или башнях). Исключение составляют приемно-передающие системы подвижной связи, где антенны и приемно-передающая аппаратура часто составляют единый интегральный модуль. На более высоких частотах (метровые и дециметровые волны) симметричные фидеры начинают излучать или принимать радиоволны подобно антеннам. Это явление называется антенным эффектом. Антенный эффект приводит к дополнительным потерям энергии на излучение и приводит к искажениям диаграмм направленностей приемных и передающих антенн. Поэтому в диапазоне метровых и дециметровых волн применяют в качестве фидеров коаксиальные линии. Коаксиальные линии со сплошным заполнением диэлектриком называются коаксиальными кабелями. КПД в общем случае:

Берём фидер РК-50−4-13, у него, получаем

9. Выбор схемы питания и расчет элементов согласования антенны с фидером

Коаксиальный фидер В коаксиальном (концентрическом) фидере центральный проводник фиксируется системой диэлектрических шайб с малыми потерями. Внутренныи и внешний проводники выполняются либо из труб либо из проводов, расположенных по образующей цилиндра.

Волновое сопротивление коаксиального фидера определяется по формуле:

;

где — коэффициент заполнения диэлектриком внутреннего пространства (а=1 — в случае сплошного заполнения); - относительная диэлектрическая проницаемость заполнения; d — диаметр центрального проводника (d=1,37мм); D — диаметр внешнего проводника (D=4,6мм). Наше, выше вычисленное, значение входного сопротивления требует согласующего устройства к линии Wф=50 Ом. Для согласования линии с разным волновым сопротивлением (75 Ом и 140 Ом) волновое сопротивление трансформатора линии:

Ом

Для удобства соединим спирали по две — в блоки: 9 блоков по 2 спирали. Шаг решетки: d = 0.215м.

Заключение

В данной курсовой работе была рассчитана спиральная антенна для приема сигнала космической линии связи. В число рассчитанных характеристик вошли требуемые коэффициент усиления приемной антенны, расчет геометрических размеров как самой решетки, так и каждого из элементов, расчет диаграммы направленности решетки, и определение КНД антенны по рассчитанной диаграмме направленности.

Библиография

1. Андрусевич Л. К., Ищук А. А. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие//СибГУТИ. — Новосибирск.2006г.

2. Чернышов В. П., Шейнман Д. И. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. — М.: Радио и связь, 1973.

3. Чернышов В. П. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Задачи и упражнения. — М.: Радио и связь. 4. Айзенберг Г. З. Антенны ультракоротких волн. «Связьиздат», М.1957.700 с