Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства (РРВиАФУ)

Санкт-Петербургский Государственный

Университет Телекоммуникаций

им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая проект по предмету

“Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства (РРВиАФУ)”     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт – Петербург,

2013 г.

 

Оглавление:

1. Задание на проектирование.

2. Технические требования к передающим ТВ антеннам.

3. Расчет значений и размеров антенны.

 

4. Выбор схемы питания вибраторов в этаже.

 

5. Расчет диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости.

 

6. Расчет диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости.

 

7. Расчет коэффициента направленного действия.

 

8. Описание устройств антенны.

 

9. Составление схемы фидерной системы и расчет ее элементов.

 

10. Расчет трансформаторов.

 

11. КПД.

 

12. Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание на  проектирование.

 

Исходными данными для расчета антенны являются:

 

1. Номер по порядку – 5ТВ

Номер телевизионного канала – N=7

Полоса частот каналов: 182 – 190 МГц,

Несущая частота изображения: 183.25 МГц,

Несущая частота звука: 189.75 МГц,

Средняя частота диапазона и относительная ширина его полосы: 202± 13,8%

      λср=c/fср= 3·108/202·106=1.485 м.

2. Мощность передатчиков изображения Ртлв = 25 кВт и звука Рзв = 12.5 кВт.
3. Число этажей антенны n = 12.
4. Высота установки антенны Н = 200 м.
5. Размер стороны сечения мачты в месте размещения антенны B = 4.5м.
6. Вид вибраторов - полуволновой вибратор.

 

По исходным данным необходимо:

 

1. Произвести выбор схемы питания вибраторов в этаже антенны.
2. Выполнить расчет диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
3. Определить коэффициент направленного действия.
4. Составить схему всей фидерной системы с указанием типов выбранных фидеров.
5. Выполнить расчет трансформаторов сопротивлений и их частотных характеристик.
6. Определить коэффициент полезного действия главного фидера.

 

 

2. Технические  требования к передающим телевизионным  антеннам и описание их устройства.

 

Современные телевизионные антенны должны удовлетворять следующим требованиям:

 

1. Ширина полосы пропускания 8 МГц.
2. В пределах указанной полосы пропускания согласование в главном фидере должно быть на уровне КБВ >= 0.9.
3. Поляризация поля излучения – горизонтальная.
4. В горизонтальной плоскости диаграмма направленности, близкая к круговой с неравномерностью не более 6 дБ.
5. Направленное излучение в вертикальной плоскости с максимумом в направлении, близком к горизонтальному.
6. Высокая механическая прочность и надежная громозащита.
7. Унификация типоразмеров антенно-фидерной системы. По этой причине все      без исключения размеры излучающих элементов и  участков фидерного тракта, зависящие от длины волны, рассчитываются относительно средней волны телевизионного диапазона lср(=1.485м), в пределах которого находится заданный рабочий канал.

 

 

 

 

3. Расчет значений и размеров антенны.

 

а) Для средней частоты диапазона.

 

 

б) Для несущей частоты изображения.

 

в) Для несущей частоты звука.

 

4. Выбор схемы  питания вибраторов.

Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости формируется излучением вибраторов одного этажа. Выбор схемы питания производится на основании следующих рекомендаций: если B/lср >=1,5 то необходимо выбрать синфазную схему, при В/lср< 1.5 необходимо выбрать переменнофазную схему питания.

=> выбираем синфазную схему  питания.

5. Расчет диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

 

 

      Влияние экрана  эквивалентно излучению второго, противофазного вибратора, находящегося  в месте зеркального изображения (пунктир) реального вибратора. Поэтому  диаграмма направленности каждой панели рассчитывается по формулам для решетки из двух противофазных вибраторов, находящихся на расстоянии 2a.

 

 

- диаграммы направленности вибраторов  в свободном пространстве.

 

 

 

• множители двухэлементных решеток.

 

       Фазовые центры  панелей располагаются в середине экранов в точках O.

Учитывая эффективную экранировку излучения вибраторов панелями и элементами конструкции мачты или башни, можно предположить, что в создании поля в любой области пространства принимают участие не более двух вибраторов. Например, в секторе 0<j<90 излучение обязано вибраторам 1 и 2 и поэтому диаграмма направленности в горизонтальной плоскости в указанном диапазоне углов j рассчитывается по формуле:

 

где  

 

 

- разность фаз панелей 1 и 2 из-за разности хода лучей    

до точки приема.

 

      Графическое построение  диаграмм направленности ведется  для нормированных значений:

 

 

Для каждой диаграммы вычисляется максимальная неравномерность:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) Для  среднего диапазона:

 

 

 

 

 

 

 

Диаграмма направленности для среднего диапазона в горизонтальной области выглядит следующим образом:

 

 

 

Вычислим максимальную неравномерность: Nmax=20·lgF(j)min=20·lg(0.469)= -6.56 дБ.

Видно, что не выполняется техническое требование к антенне. Единственный параметр который можно поменять – B. При незначительном изменении B (B=4.5м) максимальная неравномерность соответствует требованиям.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) Для  несущей частоты звука:

 

 

 

 

 

 

 

Диаграмма направленности для частоты звука в горизонтальной области выглядит следующим образом:

 

 

Вычислим максимальную неравномерность: Nmax=20·lgF(j)min=20·lg(0.432)= -7.28дБ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Для  несущей частоты изображения:

 

 

 

Диаграмма направленности для частоты изображения в горизонтальной области выглядит следующим образом:

 

 

 

 

 

 

 

Вычислим максимальную неравномерность:

Nmax=20·lgF(j)min=20·lg(0.53)= -7.52дБ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Расчет диаграммы направленности  в вертикальной плоскости.

 

При установке антенны на опоре значительной высоты Н угол видимости горизонта bг из центра антенны отличается от нуля и может быть найден по формуле:

 

Где 

• эквивалентный радиус Земли с учетом нормальной атмосферной

реакции.

 

     Для увеличения доли энергии, излучаемой внутри зоны видимости, рекомендуется производить наклон  главного лепестка диаграммы направленности в вертикальной плоскости на угол b0 = 2bг = 13,7· 10-3 рад

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости одного этажа для одиночного полуволнового вибратора:

 

Диаграмма питания в вертикальной плоскости для антенны с синфазной схемой питания в этаже:

 

,где a - оптимальный угол наклона линии расположения вибраторов, при котором обеспечивается максимальное излучение в направлении b0.

 

, где d – расстояние между этажами =0.742 м.

 

При синфазном питании, исключающем внутриэтажную компенсацию, особенно важна междуэтажная компенсация отражений.

 

    Фазовый сдвиг для  любых смежных этажей должен  составлять:

 

, для чего разницу  в длине линий необходимо выбрать следующим образом:

Фазы напряжений, отраженных от соседних этажей волн , будут отличаться на и векторная сумма этих напряжений будет малой

 

Междуэтажная компенсация при синфазном питании в пределах каждого этажа:

 

Выбранная фазировка этажей при их взаимном расположении на вертикали приведёт к отклонению главного лепестка диаграммы направленности относительно горизонтали на угол:

 

       

 

Для обеспечения заданного наклона главного лепестка диаграммы направленности в вертикальной плоскости на угол вибраторы располагаются  вдоль наклонной линии, ориентированной под углом к вертикали, причём :

 

Графическое построение диаграмм направленности ведется для нормированных значений:

 

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Для несущей частоты изображения:

 

 

 

 

 

 

2. Для несущей частоты звука:

 

                    

 

 

 

 

 

 

3. Для среднего диапазона:

 

 

 

 

 

7. Расчет  коэффициента направленного действия  К.Н.Д.

 

К.Н.Д. антенны вычисляется по следующей формуле:

где F(q,j) – нормированная объемная диаграмма направленности антенны.

        Расчет к.н.д. существенно упрощается в предположении  о ненаправленном излучении антенны  в горизонтальной плоскости.

Тогда

где F(q) – нормированная диаграмма направленности в вертикальной плоскости.

 

1. Для изображения:

 

               

 

2) Для  звука:

        

 

        

 

 

 

3) Для среднего диапазона:

 

 

 

 

 

 

8. Описание устройств антенн.

 

 

        В данной  работе производится расчёт антенны  панельной конструкции. Основной  частью  панели антенны является полуволновый вибратор с индивидуальным плоскостным решетчатым экранам. Для реализации указанных в задании диапазонных свойств вибратор выполняется из трубок сравнительно большого диаметра (примерно 0.1 – 0.25 длины плеча). Соединение кабеля с полуволновым вибратором выполняется с помощью симметрирующей приставки, включающей в себя металлические трубки крепления вибратора к экрану, в одну из которых включен отрезок коаксиального кабеля с высокочастотным разъемом, и подвижный короткозамыкающий мостик для настройки. Четвертьволновая коротко-замкнутая на конце линия, образованная трубами и мостиком, обеспечивает изоляцию по высокой частоте между плечами вибратора, а симметричное расположение плеч относительно наружной оболочки кабеля приводит к электрической симметрии питания вибратора. Требуемое согласование входного сопротивления полуволнового вибратора  Rвибр с кабелем выполняется при волновом сопротивлении кабеля Wк = Rвибр = 75 Ом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема фидерного тракта антенны:

Причём длина фидеров (с учётом фазового сдвига): 1 – C; 2 – p; 3 – p+

4 – q; 5 – q+        ; 6 – s; 7 – s+

 

Где длины фидеров примерно равны:

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Составление схемы фидерной  системы и расчет ее элементов.

 

        В соответствии с заданным  типом вибраторов (полуволновые), выбранной схемой их питания в этаже (синфазная) и числом этажей (n=12) производится построение фидерной системы.

        Необходимо учитывать, что в жестких  фидерах с воздушным заполнением  и центрирующими фторопластовыми  изоляторами электрическая прочность  ограничена возможностью пробоя воздушного промежутка между изолятором и металлом. Поэтому выбор размеров фидеров определяется величиной пиковой мощности.

         Кабели должны иметь сплошное  фторопластовое заполнение между  внутренним и наружным проводниками, чтобы резко снизить опасность пробоя. Поэтому выбор кабеля зависит не от пиковой, а от греющей мощности.

Пиковая мощность в главном фидере:

Полная греющая мощность:                                                                    

 

Тогда для главного фидера:                               

     

          В качестве  главного фидера выбран жесткий  фидер:

диаметр наружной трубы – 110 мм, диаметр внутренней трубы – 32 мм, волновое сопротивление – 75 Ом, затухание b = 0.006 дБ/м.       

          Учитывая, что мощность при параллельном соединении кабелей делится пополам, найдем параметры кабелей.

 

                                        

                                 

 

 

В качестве фидеров(6,7) выбран жесткий фидер:

диаметр наружной трубы – 70 мм, диаметр внутренней трубы – 20 мм

волновое сопротивление – 75 Ом, затухание b = 0.009 дБ/м.

 

                 

 

В качестве фидеров(4,5) выбран жесткий фидер:

диаметр наружной трубы – 70 мм, диаметр внутренней трубы – 20 мм

волновое сопротивление – 75 Ом, затухание b = 0.009 дБ/м.

 

                  

 

В качестве фидеров(2,3) выбран кабель РК-75-24-52:

волновое сопротивление – 75 Ом, затухание b = 0.0175 дБ/м.

 

                   

 

В качестве фидера(1) выбран кабель РК-75-13-11:волновое сопротивление – 75 Ом, затухание b = 0.06 дБ/м.

                   

 

В качестве фидера(1) выбран кабель РК-75-17-17:волновое сопротивление – 75 Ом, затухание b = 0.045 дБ/м.