ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕРЕДАЮЩЕЙ РОМБИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНОЙ СВЯЗИ

 

Антенные устройства играют важную роль в современной радиосвязи, так как основным признаком радио является наличие передатчика или приемника для радиоволн.

Требования, предъявляемые к антенне, отличаются в зависимости от назначения радиостанции. 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, должна быть остронаправленной. К приемной антенне часто предъявляются также требование направленного действия. Пространственная избирательность приемной антенны наряду с частотной избирательностью и применением специальных фильтров в радиоприемнике является действенным средством борьбы с внешними помехами, естественными и искусственными. Следовательно, 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. Характеристики передающих и приемных антенн обладают определенной связью. Одна и та же антенна может использоваться как передающая, так и принимающая, поэтому, 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.

Расчет конструктивных параметров антенны.

По существующим формулам вычисляем высоту подвеса антенны:

Величина половины тупого угла ромба:

Половина острова угла ромба:

Оптимальное значение длины стороны ромба:

.

Длина стороны ромба из конструктивных соображений не должна быть больше 150 м. Условие выполнено.

Расчет электрических параметров.

Далее определяем волновое сопротивление ромбической антенны:

Расстояние между расходящимися по высоте проводами ромба у тупого угла (S) = 1.4

Волновое сопротивление равно:

Сопротивление излучения антенны находится:

Для минимальной длины волны :

где волновое число k = 0,7

Для средней длины волны :

где волновое число k = 0,35

Для максимальной длины волны

где k=0,175

Максимальный коэффициент усиления рассчитывается по формуле:

Коэффициент полезного действия:

Для  :

Для  :

Для  :

Коэффициент направленного действия рассчитывается по формуле:

Для минимальной длины волны:

.

Для средней длины волны:

.

Для максимальной длины волны:

.

Коэффициент усиления G рассчитывается по формуле:

Расчет диаграмм направленности антенны.

Для выполнения расчета диаграмм направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях была использована программа Mathcad.

Расчет диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.

Выражение для определения диаграммы имеет следующий вид:

Графически диаграмма направленности в вертикальной плоскости изображена на рисунках 7 (в декартовой системе координат) и 8 (в полярной системе координат), при длине волны = 18 м.

 

Рисунок 1 – Диаграммы направленности

1 – в вертикальной плоскости (декартовая система координат), рабочая длина волны, равна 18 м

2 – в вертикальной плоскости (полярная система координат), рабочая длина волны, равна 18 м

3 – ДН в вертикальной. плоскости при минимальной длине волны = 9 м (декартовая)

4 – ДН в вертикальной плоскости при минимальной длине волны = 9 м (полярная)

 

Рисунок 2 – Диаграммы направленности

1 – вертикальная плоскость при максимальной длине волны = 36 м (декартовая)

2 – вертикальная плоскость при максимальной длине волны = 36 м (полярная)

 

Расчет диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости.

Выражение для определения диаграммы имеет следующий вид:

Графически диаграмма направленности в горизонтальной плоскости изображена на рисунках 9 (в декартовой системе координат) и 10 (в полярной системе координат).

 

Рисунок 3 – Диаграммы направленности

1 – горизонтальная плоскость при рабочей длине волны = 18 м (декартовая)

2 – горизонтальная плоскость при рабочей длине волны = 18 м (декартовая)

3 – горизонтальная плоскость при минимальной длине волны = 9 м (декартовая)

4 – горизонтальная плоскость при минимально длине волны = 9 м (полярная)

 

 

Рисунок 4 – Диаграммы направленности

1 – горизонтальная плоскость при максимальной длине волны = 36 м (декартовая)

2 – горизонтальная плоскость при максимальной длине волны = 36 м (декартовая)

 

Для двойной ромбической антенны диаграмма направленности в горизонтальной плоскости рассчитывается по формуле:

.

 

 

Рисунок 5 – Диаграммы направленности

1 – двойная ромбическая антенна в декартовой системе координат при рабочей длине волны = 18 м

2 – двойная ромбическая антенна в полярной системе координат при рабочей длине волны = 18 м

3 – двойная ромбическая антенна в декартовой системе координат при минимальной длине волны = 9 м

4 – двойная ромбическая антенна в полярной системе координат при минимальной длине волны = 9 м

 

 

 

Рисунок 6 – Диаграммы направленности

1 – двойная ромбическая антенна в декартовой системе координат при максимальной длине волны = 36 м

2 – двойная ромбическая антенна в полярной системе координат при максимальной длине волны = 36 м

 

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости у двойной ромбической антенны такая же, как у одиночной ромбической антенны. В горизонтальной плоскости у этих антенн уровень бокового излучения существенно уменьшается за счет интерференции полей, создаваемых обоими ромбами.

Расчет ширины диаграммы направленности:

Ширину диаграмм направленности по нулевому излучению в вертикальной 2D0 плоскости можно рассчитать по формуле:

Ширина диаграммы направленности по нулевому излучению в вертикальной плоскости равна:

Ширину диаграмм направленности по нулевому излучению в горизонтальной 2j0 плоскости можно рассчитать по формуле:

Расчет линии нагрузки и подбор фидера.

Нагрузка выполнена в виде двухпроводной линии с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению ромбической антенны. Поглощающая линия выполняется из фехралевого провода диаметром 2мм. Длина поглощающей линии и погонное сопротивление определены для максимальной длины волны рабочего диапазона.

Длина линии:

Здесь  - погонное сопротивление; r – радиус провода линии, мм; μ – относительная магнитная проницаемость провода; p – удельное сопротивление провода, Ом·м; λmax – максимальная длина волны рабочего диапазона.

Для фехраля:

 μ=80

Подбор фидера:

Для фидера была выбрана двухпроводная коаксиальная линия, состоящая из двух коаксиальных проводов диаметром d=0.5 мм расположенных друг от друга на расстоянии h. Так как требуется согласовать фидер с волновым сопротивлением антенны, то входное сопротивление фидера равно волновому сопротивлению антенны.

h можно найти из формулы:

h=91 см.

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.

Ромбическая антенна обладает большими достоинствами, к которым относятся: значительная диапазонность; легкость согласования с двухпроводным фидером, имеющим волновое сопротивление около 740 Ом и, как следствие, легкость настройки выходной ступени передатчика; простота конструкции и эксплуатации.

Рассмотренная антенна обладает недостатками связанные со значительными боковыми лепестками, однако они компенсируются усложнением конструкции. А именно добавлением еще одной ромбической антенны поверх исходной с небольшим смещением по горизонтали. Полученная двойная ромбическая антенна, обладает гораздо меньшими боковыми лепестками в азимутальной плоскости, в сравнении с обычной. Данный вывод подтверждают графики. Анализ показал, что данная антенна сохраняет свои направленные свойства в широком диапазоне длин волн.

Антенна обладает следующими параметрами: коэффициент направленного действия для минимальной длины волны равен 77,1; для средней длины волны равен 82,3; для максимальной длины волны равен  91. Ширина ДН в вертикальной плоскости равна 26 градусов, а в горизонтальной плоскости равна 24 градусов. Работает в диапазоне частот 30 : 300 МГц.

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

 

Список литературы.

 

1.                 Айзенберг Г. З. и др. Коротковолновые антенны. – М.: Радио и связь, 1985

2.                 Чернышов В. П. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Задачи и упражнения. – М.: Радио и связь, 1982.

3.                 Уколова Г.Г. Антенно-фидерные устройства: Метод. указания.- Владивосток, 2004.

4.                 Кочержевский Г.Н. и др. Антенно-фидерные устройства. – М.: Радио и связь, 1989. – 351с.

5.                 Кочержевский Г. Н. Антенно-фидерные устройства. – М.: Связь, 1972. -472 с.

6.                 Фрадин А. З. Антенно-фидерные устройства.- М.; Связь, 1977. –  440 с.

7.                 Азенберг Г. З.  и др. Антенны УКВ. Ч. 1,2. –М.: Связь, 1977. – 288 с.

8.                 Л. В. Бондаренко – Антенны и фидеры: учебно-методическое пособие