Спроектировать передающую ромбическую антенну для магистральной линии связи

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Радиотехнический факультет

Кафедра радиотехники

Курсовой проект

по дисциплине: «Антенные устройства и СВЧ»

Тема: «Спроектировать передающую ромбическую антенну для магистральной линии связи»

Выполнил студент: группы РТ001

А.А.Лихачев

Руководитель З.Н. Федорова

ВОРОНЕЖ 2003

Задание на выполнение курсовой работы

Спроектировать передающую ромбическую антенну для магистральной линии связи длиной r=1000 км. Антенна должна обеспечить коэффициент усиления G=18 дБ на средней частоте f_cp=11 МГц. Диапазон рабочих частот (0.6¸1.3)f_cp. Высота отражающего слоя H=300 км. Мощность на выходе передатчика P=15 кВт. Минимально допустимое значение коэффициента бегущей волны в фидере в рабочем диапазоне К_доп³0.5. Длина фидера- 250 м.

В расчёте необходимо:

1. Определить конструктивные размеры антенны и высоту её подвеса над землёй.

2. Рассчитать диаграммы направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

3. Рассчитать волновое сопротивление и сопротивление излучения в рабочей полосе частот.

4. Определить коэффициент полезного действия и коэффициент усиления на средней частоте и их неравномерность внутри рабочего диапазона.

5. Определить диаметр проводов ромба, исходя из обеспечения максимально допустимого значения напряжённости поля у проводов.

6. Определить конструктивные размеры железной поглощающей линии антенны.

Графический материал:

1. Конструктивный чертёж антенны.

2. Графики диаграммы направленности антенны.

Содержание

Введение

. Расчет конструктивных размеров антенны и высоты ее подвеса над землей

. Расчет диаграммы направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях

. Расчет волнового сопротивления и сопротивления излучения в рабочей полосе частот

. Расчет коэффициента полезного действия и коэффициента усиления на средней частоте и их неравномерность внутри рабочего диапазона

. Расчет диаметра проводов ромба

. Расчет конструктивных размеров железной поглощающей линии антенны

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Антенные устройства играют в радиотехнике важную роль, так как основным отличительным признаком радио является наличие излучения или приема радиоволн. Само слово «радио» происходит от греческого слово «излучать».

Требования предъявляемые к антенне, различны в зависимости от назначения радиостанции. Так, например, в случае работы радиовещательной станции, обслуживающей определенный район, в центре которого она расположена, передающая антенна, как правило, должна создавать равномерное излучение во все стороны, то есть должна быть не направленной в горизонтальной плоскости. С другой стороны, антенна, например, радиолокационной станции, должна концентрировать излучение в малом телесном угле, то есть должна быть остронаправленной. К приемной антенне часто предъявляются также требование направленного действия, то есть требование более эффективного приема волн, приходящих с определенных направлений. Пространственная избирательность приемной антенны наряду с частотной избирательностью и применением специальных фильтров в радиоприемнике является действенным средством борьбы с внешними помехами, естественными и искусственными. Таким образом, наряду с требованием эффективного излучения или приема радиоволн к антенне предъявляется требование определенного распределения в пространстве потока мощности излучаемых волн.

Антенны можно классифицировать по различным признакам. На первый взгляд может показаться удобным разделить все антенны по характеру их использования на две группы: передающие и приемные. Однако между свойствами передающих и приемных антенн существует определенная связь. Так как одна и та же антенна может использоваться как передающая, так и принимающая, то основное внимание уделяется изучению теории передающих антенн. Часто принято классифицировать антенны по диапазонам волн. Для коротких и более длинных волн характерным является применение антенн из проводов сравнительно небольшого поперечного сечения (линейных проводников). Для дециметровых и более коротких волн применяются антенны, у которых токи протекают по проводящим поверхностям, имеющим большие размеры по сравнению с длинной волны.

Можно также классифицировать антенны по характеру излучающих элементов и делить их на антенны с линейными токами и антенны апертурные, излучающие через свой раскрыв- апертуру.

Ромбическая антенна относится к числу остронаправленных диапазонных антенн, используемых на коротких волнах. Такая антенна представляет собой систему из четырех горизонтальных проводов, изогнутых в форме ромба. К одному из острых углов ромба подводится напряжение, к другому - подключается активное сопротивление, равное волновому сопротивлению антенны. При этом в проводах антенны устанавливается режим бегущей волны. Направление максимального излучения лежит в вертикальной плоскости, проходящей через вершины острых углов ромба.

Режим бегущей волны в антенне обеспечивает постоянство ее входного сопротивления, а также однонаправленное излучение, слабо меняющееся при изменении длины волны. Благодаря этому ромбическая антенна может работать в широком диапазоне длин волн.

1. Расчет конструктивных размеров антенны и высоты ее подвеса над землей

Используя длину магистральной линии связи S=1000 км и высоту отражающего слоя Н=300 км, найдем угол наклона антенны Dо.

Рисунок 1- Траектория сигнала излучаемого ромбической антенной

^o

На основании полученного значения рассчитаем размеры ромбической антенны, которые показаны на рис.2.

Рисунок 2- Обозначения к расчету ромбической антенны

Оптимальное значение половины тупого угла ромба:

Зная скорость распространения радиоволны С=3*10⁸ м/с и ее частоту f_cp=11 МГц, найдем длину волны:

м

Определим оптимальное значение l- длину стороны:

м

Рассчитаем высоту подвеса ромбической антенны над землей:

м

1. Расчет диаграммы направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях

Для выполнения расчета диаграммы направленности в горизонтальной плоскости в пакете программ Mathcad 2000 примем следующие обозначения:

Выражение для определения диаграммы направленности в горизонтальной плоскости имеет следующий вид:

Покажем на рис.2 зависимость F(j):

Рисунок 2- Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости.

На рис.2 видно, что на горизонтальной диаграмме направленности главный лепесток расположен непосредственно на оси ординат, то есть под углом в ноль градусов. Это связано с тем, что в этом направлении происходит основное излучение антенны и соответственно главный лепесток на рис.2 является проекцией излучаемого поля на горизонтальную плоскость.

Для выполнения расчета диаграммы направленности в горизонтальной плоскости в пакете программ Mathcad 2000 примем следующие обозначения:

Выражение для определения диаграммы направленности в вертикальной плоскости имеет, при идеальной проводимости земли (ïr^ï=1; Ф^=180^о), следующий вид:

Покажем на рис.3 зависимость F(D):

Рисунок 3- Диаграмма направленности в вертикальной плоскости

На рис.3 видно, что в вертикальной плоскости находятся два главных лепестка. Один под углом в тридцать один градус, а другой под углом в триста двадцать девять градусов.

1. Расчет волнового сопротивления и сопротивления излучения в рабочей полосе частот

Оптимальное значение волнового сопротивления Wp можно найти из условия максимума коэффициента усиления G:

Где a- коэффициент затухания волны тока в проводах ромба и выражается через следующее соотношение:

Построим зависимость коэффициента усиления от волнового сопротивления:

Рисунок 4- Зависимость коэффициента усиления от волнового сопротивления

По рис.4 определили, что при волновом сопротивлении Wp=692 Ом, коэффициент усиления максимален.

Получим формулу для расчета сопротивления излучения провода, которая имеет следующий вид:

Поскольку стороны ромба, расположенные симметрично относительно большой диагонали, в одинаковой мере излучают мощность, то активное сопротивление излучения рассчитывается по следующей формуле:

Покажем на рис.5 изменение активного сопротивления излучения в рабочей полосе частот:

Рисунок 5- Изменения активного сопротивления излучения в рабочей полосе частот.

Из рисунка видно, что в районе рабочих частот активное сопротивление излучения возрастает по линейному закону.

1. Расчет коэффициента полезного действия и коэффициента усиления на средней частоте и их неравномерность внутри рабочего диапазона

По рис.4 при оптимальном волновом сопротивлении определим коэффициент усиления на средней частоте:=7.8962

Проведем исследование зависимости коэффициентов полезного действия и усиления на рабочем диапазоне.

Рисунок 6- Зависимость коэффициента полезного действия от рабочего диапазона

Рисунок 7-Зависимость коэффициента усиления от рабочего диапазона

1. Расчет диаметра проводов ромба

Предварительно рассчитаем максимально- эффективный потенциал на проводах антенны, при мощности на выходе передатчика Ра=15 кВт и коэффициенте бегущей волны k³0.5:

В

Сравним рассчитанный максимально- эффективный потенциал с критическим. Выберем диаметр провода ромба, с условием, что максимально- эффективный потенциал не будет превышать критического. Рассчитаем критический потенциал для провода в два миллиметра:

В

Для надежной работы станции в изменяющихся метеорологических условиях необходимо иметь запас электрической прочности не менее десяти процентов.

2. Расчет конструктивных размеров железной поглощающей линии антенны

ромбический антенна сопротивление провод

Рассчитаем мощность выделяемую в нагрузке антенны:

Вт

Рассчитаем диаметр проводов поглощающей линии. Для этого необходимо предварительно найти допустимую плотность тока. Найдем коэффициент затухания волны тока в проводах ромба:

Найдем мощность излучаемую антенной:

Вт

Найдем ток протекающий в антенне:

А

Найдем допустимую плотность тока:

А/м²

Найдем диаметр проводов поглощающей линии:

м

Определим длину железной линии:

м

Заключение

Приведенные диаграммы направленности, а также другие расчеты и измерения показывают, что характерным для ромбической антенны является наличие в ее диаграмме значительных боковых лепестков. В этом отношении она уступает остронаправленным настроенным антеннам, например многовибраторным синфазным.

Однако наряду с этим ромбическая антенна обладает большими достоинствами, к которым относятся: значительная диапазонность; легкость согласования с двухпроводным фидером, имеющим волновое сопротивление около 692 Ом и, как следствие, легкость настройки выходной ступени передатчика; простота конструкции и эксплуатации.

По указанным причинам ромбические антенны находят широкое применение в коротковолновых стационарных радиоцентрах как для передачи, так и для приема.

Список используемой литературы

1.   Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны/Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М., Клигер Г.А., Курашов А.Г. /Под ред. Г.З. Айзенберга. - М.: Радио и связь, 1985. - 530 с.

2.       Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства: Учебник - М.: Советское Радио, 1974. - 536 с.

.         Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства: Учебник. - М.: Радио и связь, 1981. - 471 с.