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

Подпись, дата                                инициалы, фамилия  

Руководитель                                                                                               З.Н. Федорова

                                                                      Подпись, дата                                инициалы, фамилия  

Защищен                                                     Оценка                                 .

                                  дата

mobilem.wen.ru  - жмакаем))

 

 

 

 

 

 

 

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                                                                                            4

Расчеты                                                                                              6

1. Расчет конструктивных размеров антенны и высоту ее подвеса над землей                                                                     6
2. Расчет диаграммы направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях                                                   8
3. Расчет волнового сопротивления и сопротивления излучения в рабочей полосе частот                                        10
4. Расчет коэффициента полезного действия и коэффициента усиления на средней частоте и их неравномерность внутри рабочего диапазона                                                                  12
5. Расчет диаметра проводов ромба                                            13
6. Расчет конструктивных размеров железной поглощающей линии антенны                                                                          14

Заключение                                                                                     15

Список используемой литературы                                               16

Приложение А                                                                                 17

Приложение Б                                                                               18

Приложение В                                                                                19

 

 

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.

 

 

Расчеты.

1. Расчет конструктивных размеров антенны и высоту 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:

                                                                        ^o

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 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.

 

 

3. 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.4 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.

 

 

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

Произведем расчет коэффициента полезного действия на средней частоте по следующей формуле:

 

 

 

 

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

 

G=7.8962

 

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