Распространение радиоволн

 

Содержание

Введение

1. Расчёт распределения тока в приёмной антенне

. Расчёт распределения тока в передающей антенне

. Расчёт диаграммы направленности приёмной антенны

. Расчёт частотной зависимости напряжённости поля в точке приёма и мощности на входе приёмника в свободном пространстве

. Расчёт частотной зависимости напряжённости поля в точке приёма и мощности на входе приёмника с учётом влияния Земли

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Для передачи сигналов от передающей антенны к радиоприёмной антенне в качестве линий передачи энергии часто используют естественную среду. Линию передачи при этом называют естественной радиотрассой или радиолинией. ЭМ волны распространяются в приповерхностных толщах Земли, атмосфере или космическом пространстве. Параметры среды зависят от частоты ЭМ поля, температуры влажности почвы, времени суток и года и т. д. Под влиянием среды в распространяющемся ЭМ поле по сравнению со свободным пространством изменяются амплитуда, фаза, групповая и фазовая скорости, фронт волны (направление распространения), поляризационные характеристики.

При расчёте радиолиний возникают следующие основные задачи:

а) расчёт напряжённости электрического (магнитного) поля или мощности на входе радиоприёмного устройства при заданной мощности излучения (мощности радиопередающего устройства);

б) расчёт необходимой мощности излучения для обеспечения заданны значений напряжённости ЭМ поля или мощности на входе радиоприёмного устройства;

в) выбор оптимальной рабочей длины волны;

г) определение скорости распространения и направления прихода ЭМ поля;

д) изучение поляризационных характеристик и возможных искажений сигнала.

Принято измерять и рассчитывать напряжённости электрического поля.

ЭМ поле рассматривается в дальней зоне излучателя.

Условия распространения ЭМ поля в пределах каждой из 9 частотных полос примерно одинаковы.

1. Расчёт распределения тока в приёмной антенне

В качестве приёмной антенны используется вертикальный несимметричный вибратор, конструкция которого представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Вертикальный несимметричный вибратор.

Будем считать вибратор бесконечно тонким (d<<l), кроме того, учтём, что, по принципу зеркальных изображений, излучающий стержень копируется (отзеркаливается) диском как такой же стержень, только отражённый относительно плоскости диска, но стой же амплитудой и фазой тока, что и в реальном стержня, тогда мы можем рассматривать такой вибратор как зеркальный, длиной 2L, с точкой питания в месте перекрытия стержня диском. Распределение тока в антенне достаточно определить только для реального плеча, тогда:

z(z)|z³0=I0sin(k(l-z))/sin(kl), (1)

или для всего мнимого (симметричного) излучателя

z(z)= I0sin(k(l-|z|))/sin(kl), (1)

где I0 определяется напряжённостью поля у антенны, а k=2p/l=2pf/c.

Графики распределения поля для f1=5 МГц и для f2=30 МГц представлены на рисунке 2 (для удобства сравнения, используется одна координатная сетка). Все данные на графиках отображены в СИ, токи рассчитаны для I0=1 А.

Рисунок 2. Распределение тока в приёмной антенне.

2. Расчёт распределения тока в передающей антенне

Передающая антенна представлена двумя симметричными вибраторами (см. рисунок 3), для определения распределения поля в каждом из них, можно воспользоваться формулой (1), тогда распределение поля в каждом из вибраторов антенны примет вид, представленный на рисунке 4 для f1=5 МГц и для f2=30 МГц (для удобства сравнения, используется одна координатная сетка). Все данные на графиках отображены в СИ, токи рассчитаны для I0=1 А.

Рисунок 3. Передающая антенна.

Рисунок 4. Распределение тока в передающей антенне.

3. Расчёт диаграммы направленности приёмной антенны

Определим диаграмму направленности приёмной антенны, для чего определим сначала поле в дальней зоне, создаваемое приёмной антенной, если бы она работала на излучение. Так как ток направлен вдоль оси z, то напряженность электрического поля имеет только вертикальную составляющую, определим эту составляющую, которая согласно [1] определяется как поле, излучаемое прямолинейным вибратором с током , то есть, разбивая излучатель на элементарные участки и, зная поле элементарного участка (поле элементарного электрического вибратора):

(2)

рассмотрим интеграл:

, (3)

Тогда, исключая коэффициенты, независящие от углов, получим диаграмму направленности приёмной антенны:

(5)

Следует отметить, что координата Q отсчитывается от оси z, поэтому в горизонтальном направлении диаграмма направленности имеет максимум.

Как видно из (5) излучение поля от азимутальной координаты не зависит, что объясняется осевой симметрией антенны. Графики зависимости амплитудных диаграмм направленности для частот f1=5 МГц и для f2=30 МГц в азимутальной и угломестной плоскостей представлены на рисунках 5 и 6 (для удобства сравнения используется одна координатная сетка).

Рисунок 5. Диаграмма направленности приёмной антенны в вертикальной плоскости.

Рисунок 6. Диаграмма направленности приёмной антенны в горизонтальной плоскости.

4. Расчёт частотной зависимости напряжённости поля в точке приёма и мощности на входе приёмника в свободном пространстве

Для свободного пространства можно использовать формулу:

(6)

Так как h1-h2<<R, то будем считать, что Q=90º, а Q=90º+0, значит F(Q)=1, Fpr(Q)=1. КНД приёмной антенны с учётом экрана (КНД умножается на 2) определим из (5) по формуле:

(7).

Следует учесть, что КНД приёмной антенны зависит от частоты.

КНД передающей антенны определим по формуле ввиду осесиметричности передающей антенны:

(8).

Диаграмма направленности передающей антенны может быть определена по теореме перемножения как

(Q,j)=F1(Q,j)×F0(Q,j),

Где F1(Q,j) - диаграмма направленности одного вибратора,

F0(Q,j) - диаграмма направленности системы ненаправленных вибраторов.

Диаграмма направленности одного вибратора может быть определена совершенно аналогично приёмной:

. (9)

Диаграмму направленности антенной решётки, состоящей из двух ненаправленных элементов, отстоящих друг от друга на расстоянии 18 м, определим из [1], считая, что токи в вибраторах синфазны:

. (10)

Теперь можно определить КНД передающей антенны, по формуле (8) однако следует учитывать, что он зависит от частоты (график зависимости КНД передающей антенны от частоты представлен на рисунке 7). Как видно из рисунка, зависимость КНД от частоты имеет резонансный характер, что объясняется изменением отношения в формуле (10), а при =, будут наблюдаться максимумы, так как при этих условиях набег фаз в направлении, лежащем в плоскости антенны равен , а значит, сумма полей будет равна нулю, при нулей излучения вообще не будет, что приводит к снижению КНД, при набег фаз в направлении, лежащем в плоскости антенны равен 2np и, как результат, в этих направлениях будет наблюдаться также максимум излучения, что приведёт к снижению направленных свойств антенны.

Рисунок 7. Зависимость КНД передающей антенны от частоты.

Таким образом, можно построить требуемые зависимости.

Рисунок 8. Зависимость напряжённости поля в точке приёма от частоты

Рисунок 9. Зависимость мощности на входе приёмника от частоты.

5. Расчёт частотной зависимости напряжённости поля в точке приёма и мощности на входе приёмника с учётом влияния Земли

При расчёте напряжённостей поля в точке приёма и мощности на входе приёмника с учетом влияния Земли, воспользуемся расчётными формулами:

, (11)

, (12)

где - множитель влияния среды.

При расчёте множителя среды, учтём, что при l>20 м (f<15 МГц) условие h1,2>l не выполняется, то есть волна представляет собой поверхностную волну, а значит можно использовать формулу Шулейкина - Ван дер Поля:

, (12)

при этом ,, для сухой почвы (из [2]) e=5, s=10-4 См/м. Определим расстояние прямой геометрической видимости для заданных высот приёмной и передающей антенны:

52 км,

таким образом, антенны находятся в зоне прямой видимости, и мы можем применить вторую модель, для lÎ[20,60] м (f>15 МГц), h1,2>l.

Для учёта сферичности земли будем считать, что антенны находятся не на высотах h1 и h2, а на высотах h1=h1-Dh1 и h2=h2-Dh2, где

, (13)

=6370 км - радиус Земли.

Теперь можно воспользоваться интерференционными формулами:

, (14)

где определяется по формуле (6), а V(p) - множитель влияния среды, определится как:

, (15)

при этом Q - угол наблюдения, так как h1+h2<<R, то tanQ»sinQ» (h1+h2)/R, R||(Q) - коэффициент отражения Френеля, определим как

R||(Q)=. (14)

,

x=F||(Q)+4pfh1h2/Rc.

электрический радиоприемный поляризационный сигнал

Таким образом, можно определить напряжённость поля в точке приёма и мощность на входе приёмника.

Графики зависимостей напряженности поля в точке приёма и мощности на входе приёмника от частоты изображены на рисунках 10 и 11. Га графиках представлены зависимости по обеим формулам, как видно из графиков в окрестности точки f=15 МГц, кривые очень близки, а значит можно безболезненно перейти от одной формулы к другой, более быстрое затухание, для случая формулы Шулейкина - Ван дер Поля объясняется тем, что (см. формулу (12)) велико по сравнению с единицей, а значит множитель среды приблизительно обратно пропорционален , что и обеспечивает дополнительное затухание с ростом частоты.

Рисунок 10. Зависимость напряженности поля в точке приёма от частоты

Рисунок 11. Зависимость мощности на входе приёмника от частоты

Заключение

В ходе выполненной работы была рассчитана радиотрасса, а также диаграммы направленности приёмной и передающей антенны. Следует отметить, что резонансный характер зависимостей целиком обуславливается резонансной зависимостью КНД передающей антенны от частоты. При расчёте множителя среды использовались две формулы: формула Шулейкина-Ван дер Поля и интерференционная формула, что позволило рассчитать зависимости на заданных интервалах.

Содержание Введение 1. Расчёт распределения тока в приёмной антенне . Расчёт распределения тока в передающей антенне . Расчёт диаграммы направле

Больше работ по теме: