Система из двух антенн, образующих пассивный ретранслятор сигналов

 

Введение

Для передачи телекоммуникационных сигналов применяются различные среды: электрический или оптический кабель связи, воздушное пространство и т.п. При этом не зависимо от выбранного способа передачи первоначальная энергия сигнала, которая была на выходе передатчика, будет уменьшаться. Иными словами сигнал будет затухать.

Главным негативным следствием этого процесса будет сложность в приеме сигнала, т.е. если энергия сигналы на выходе канала связи будет меньше некоего уровня (порога чувствительности приемника), то сигнал может быть принят с ошибкой.

Основной причиной этой проблемы является география земли, а также искусственные объекты. Например, стена жилого дому вносит очень ощутимое затухание, в результате чего в центре здания связи может не быть вовсе. Необходимо перенаправить электромагнитный сигнал в «теневые» зоны, где связь отсутствует.

Одним из способов решения данной проблемы является установка пассивных приемо-передающих станций, так называемых пассивных ретрансляторов.

1. Принцип действия ретрансляторов

Ретранслятор - это комплекс оборудования, предназначенного для обеспечения связи между двумя и более радиопередатчиками, удаленными друг от друга на большие расстояния. [1]

Встречаются такие условия, когда уверенный прием сигнала оказывается невозможен из-за чрезмерно низкого уровня напряженности поля в точке приема. Это может быть связано с большим расстоянием до передатчика, но иногда причина состоит в том, что неблагоприятен рельеф местности и точка приема расположена в ложбине. При этом прямому прохождению сигнала препятствует наличие холма или горной преграды. В таких условиях прибегают к использованию активного или пассивного ретранслятора.

Активный ретранслятор представляет собой совокупность приемной антенны, радиоприемника полного телевизионного сигнала, преобразователя частотного спектра, радиопередатчика преобразованного сигнала и передающей антенны. Преобразователь частотного спектра необходим для того, чтобы передача сигнала ретранслятором производилась на другом частотном канале относительно того канала, по которому сигнал был принят. В настоящее время сеть действующих каналов связи и государственных активных ретрансляторов стала настолько густой, что выбрать свободный номер канала, не создающий помех сигналам окружающих передатчиков, порой оказывается невозможно.

Пассивный ретранслятор отличается тем, что не содержит приемопередающей или усилительной аппаратуры, а прием и передача осуществляются исключительно антенными системами.

Различают пассивные ретрансляторы трех типов: преломляющего, отражающего и препятствия.

Ретранслятор преломляющего типа в простейшем случае представляет собой комбинацию двух остронаправленных антенн, одна из которых ориентирована па антенну передатчика, а вторая направлена в точку приема. Таким образом, производится переизлучение сигнала в нужном направлении.

Ретранслятор отражающего типа выполняется в виде одного или двух плоских антенных зеркал, которые обеспечивают изменение направления распространения сигнала.

Пассивный ретранслятор типа препятствия был предложен в 1954 г. Айзенбергом и А.М. Моделем. Такой ретранслятор представляет собой металлическую поверхность, расположенную между передатчиком и приемником, находящимся относительно передатчика в зоне тени. В отсутствие ретранслятора антенна передатчика, установленная в точке А, практически не создает в точке приема Б электромагнитного поля, так как точка приема затенена. При установке на пути распространения сигнала в точке В препятствия, в точке Б возникает поле. Это связано с тем, что препятствие в соответствии с принципом Гюйгенса возбуждается падающей на него волной и становится источником вторичного излучения. При соответствующем выборе формы и размеров препятствия напряженность поля в точке Б может оказаться значительной и достаточной для уверенного приема телевизионного сигнала. Роль препятствия в том, что на трассе распространения сигнала образуются поверхность с нулевой напряженностью поля на той стороне, которая обращена к пункту приема.

Деформации рабочей поверхности ретранслятора типа препятствия, вызванные ветром, или отклонения ее из-за неточности изготовления не влияют на интенсивность излучения и на уровень напряженности поля в точке приема. Это - основное преимущество ретрансляторов типа препятствия перед ретрансляторами преломляющего и отражающего типов. Поэтому полотно ретранслятора типа препятствия может быть выполнено не в виде жесткой металлической конструкции, а в виде проволочной сетки, жесткость же конструкции рамы такой сетки определяется исключительно необходимой механической прочностью. Отпадает также необходимость выполнения юстировки рабочей поверхности ретранслятора после его установки, обязательной для ретрансляторов преломляющего и отражающего типов.

Рисунок 1.1 - К пояснению установки пассивного ретранслятора

Пассивные ретрансляторы типа препятствия целесообразно устанавливать в условиях, когда точка приема закрыта в направлении на передатчик близко расположенной высокой преградой, а на вершине этой преграды, на которой будет установлен ретранслятор, напряженность поля сигнала достаточно велика. [2]

При использовании пассивного ретранслятора приемная антенна должна быть ориентирована в направлении на его полотно не только по азимуту, но также и по углу места. Поэтому геометрическая ось антенны оказывается не горизонтальной, как обычно, а должна располагаться под соответствующим углом к горизонту.

1.1 Пассивный ретранслятор с использованием двух антенн

В данной работе будет рассмотрен пассивный ретранслятор, состоящий из приемной (внешней) и передающей (внутренней антенны), которые соединены при помощи кабеля. Работу ретранслятора иллюстрирует следующая схема - рисунок 1.2.

Рисунок 1.2 - Пассивный ретранслятор из двух антенн

Сигнал принимается внешней антенной, имеющей достаточно высокое усиление, далее передается по кабелю к внутренней антенне, установленной в помещении, которая будет обеспечивать доступ к сети различным устройствам. Применение такого вида ретранслятора целесообразно только при случае, если уровень сигнала в помещении не удовлетворяет потребностям пользователей.

2. Выбор антенны

Приемные антенны преобразуют энергию электромагнитных волн в ВЧ-энергию, поступающую по фидеру (обычно это коаксиальный кабель) к приемнику. От антенны в значительной степени зависит качество принимаемого сигнала, поэтому необходимо знать основные параметры антенн и особенности их конструкций. По месту установки антенны могут быть:

комнатные, предназначенные для установки внутри помещения;

встроенные, установленные внутри устройства;

наружные, предназначенные для установки вне помещений.

.1 Выбор внешней антенны

Зоной ближнего приема можно назвать такую территорию, где уверенный прием достигается с помощью простейших антенн со сравнительно небольшим коэффициентом усиления. В связи с тем, что зона ближнего приема располагается внутри зоны прямой видимости, напряженность поля сигнала в пределах этой зоны в значительной мере зависит от мощности передатчика. Четко провести границу зоны ближнего приема, конечно, невозможно, так как она зависит и от мощности передатчика, от рельефа местности на трассе прохождения сигнала от передающей антенны к приемной, и от застройки населенного пункта, в котором необходимо осуществить прием. Все это не позволяет определить радиус зоны ближнего приема в конкретных условиях методом расчета. Поэтому в каждом конкретном случае необходимую антенну приходится выбирать опытным путем, начиная с простейшей и при отрицательном результате переходя к более сложной.

Простейшая приемная антенна - разрезной полуволновый вибратор, показанный на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Проволочный разрезной вибратор

Однако наружная антенна, как правило, не может крепиться к противоположным стенам и натягиваться таким путем, как комнатные антенны. Поэтому такую антенну выполняют в виде жесткой конструкции из металлической трубки. Немного сложнее антенна - петлевой полуволновый вибратор, обладающий некоторыми преимуществами перед разрезными, хотя его коэффициент усиления также равен 0 дБ. Если полуволновый вибратор оказывается недостаточно эффективным в данных конкретных условиях, антенна может быть усложнена добавлением еще одного элемента - рефлектора, который значительно ослабляет прием с заднего направления и усиливает с главного. Для этого рефлектор выполняют немного длиннее вибратора и располагают сзади него на некотором расстоянии. Такая двухэлементная антенна носит название «Волновой канал».

Благодаря рефлектору задний лепесток диаграммы направленности (ДН) значительно уменьшается, а главный лепесток увеличивается и сужается. Поэтому коэффициент усиления антенны становится больше, чем у полуволнового вибратора. Еще больший коэффициент усиления может быть достигнут установкой дополнительных элементов впереди вибраторов, которые называются директорами. Разработано большое количество разных антенн типа «волновой канал», отличающихся одна от другой числом директоров и расстоянием между ними. Антенны этого типа отличаются компактностью, жесткой конструкцией, малой ветровой нагрузкой, но обладают и существенными недостатками, которые ограничивают возможности их изготовления в домашних условиях.

В качестве внешних, так же как и комнатных, используют рамочные антенны - двухэлементные и трехэлементные. Хотя они конструктивно сложнее двух- и трехэлементных антенн типа «волновой канал», но обладают значительно большим коэффициентом усиления. Рамочные антенны хорошо согласуются с фидером, поэтому их рекомендуют использовать в тех случаях, когда антенна «волновой канал» не дает достаточно хороших результатов.

Ориентируясь на требуемый коэффициент усиления антенны - 10 дБ, я остановил свой выбор на антенне типа «волновой канал».

Описание

Антенна «волновой канал», известная также как антенна Уда-Яги, или антенна Яги, - антенна, состоящая из расположенных вдоль линии излучения параллельно друг другу активного и нескольких пассивных вибраторов. [3]

Антенна представляет собой дискретную систему расположенных в одной плоскости параллельных симметричных вибраторов, размеры которых близки к полуволновым. Центры вибраторов можно крепить непосредственно к металлическому стержню, который не возбуждается из-за того, что силовые линии электрического поля перпендикулярны ему. Для защиты входных цепей приемников от грозовых разрядов стержень заземляется.

Рисунок 2.2 - Внешний вид антенны «Волновой канал»

Устройство и принцип работы

На рисунке 2.3 показана схема устройства антенны. Антенна состоит из расположенных на траверсе (на рисунке - Т) активного (A) и ряда пассивных вибраторов - рефлекторов (R), расположенных относительно направления излучения за активным вибратором, а также директоров (D), расположенных перед активным вибратором. Чаще всего применяется один рефлектор, число директоров меняется от нуля до десятков. Активный вибратор имеет длину около полуволны, рефлектор длину немного большую 0,5л, директоры имеют длину, меньшую 0,5л. Расстояния от активного вибратора до рефлектора и до первого директора составляют около 0,25 л.

Рисунок 2.3 - Схема антенны «волновой канал»

На рисунке 2.4 показан принцип работы антенны. Излучение Активного диполя (красного цвета), возбуждает ток в пассивном Директоре, который переизлучает волну (синего цвета), имеющую конкретный сдвиг фазы. В результате, излучение активного вибратора и директора (зелёного цвета), в направлении рефлектора, складывается в противофазе, а в направлении директора - в фазе, что приводит к усилению излучения в направлении Директоров.

Рисунок 2.4 - Принцип работы антенны «волновой канал»

Электромагнитное поле, излучаемое активным вибратором, направляется рефлектором и первым директором в сторону остальных директоров, которые при определенных условиях посредством электромагнитной связи возбуждаются, образуя своеобразный волновой канал. Естественно, более удаленные директоры возбуждаются слабее. Вдоль антенны распространяется бегущая волна с замедленной фазовой скоростью и коэффициентом замедления о > 1. Поэтому максимум излучения совпадает с осевым направлением. Замедляющая структура образуется системой директоров.

Поляризация поля излучения линейная. Плоскость поляризации совпадает с плоскостью, в которой лежат вибраторы. По своим свойствам директорные антенны относятся к антеннам бегущей волны. [4]

Каждый дополнительный рефлектор или директор дают прибавку усиления, но меньшую, чем предыдущий рефлектор и директор, причём для рефлектора эффект ослабления действия дополнительных элементов намного более выражен, поэтому более одного рефлектора применяют достаточно редко.

Антенны «волновой канал» широко применяются в качестве приёмных телевизионных, в качестве приёмных и передающих в системах беспроводной передачи данных, в радиолюбительской связи, в прочих системах связи, в радиолокации. Широкому их распространению способствуют высокое усиление, хорошая направленность, компактность, простота, небольшая масса. Антенну применяют на диапазонах, начиная с коротких волн, в диапазонах метровых и дециметровых волн и на более высоких частотах, на СВЧ-диапазонах.

антенна ретранслятор радиопередатчик

2.2 Выбор внутренней антенны

Поскольку внутренняя антенна будет использоваться внутри помещения, лучше всего использовать всенаправленную антенну. Основным отличием всенаправленных или как их еще называют не направленных антенн от секторных - это отсутствие какого-либо приоритетного направления излучения сигнала. Подводимый от базовой станции радиосигнал излучается во все направления с равной мощностью. Поэтому такая антенна имеет круговую ДН, которая показана на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - ДН всенаправленной антенны

Описание

Из-за внешнего вида всенаправленные антенны еще называют штыревыми. В данном конструктивном исполнении она представляет собой металлический стержень, иногда размещенный в пластиковом корпусе, который препятствует коррозии. Также иногда используется конусообразный обтекаемый корпус, который крепится либо к потолку острием вниз, либо к любой другой плоской поверхности острием вверх. Конкретное исполнение антенны зависит лишь от места установки и не влияет на характеристики антенны. [5]

Примерный вид внутренней антенны приведен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Вид всенаправленной антенны

3. Электрический и конструкционный расчет внешней антенны

Таблица 3.1 - Исходные данные

ПараметрДлина волны , мКоэффициент усиления внешней антенны , дБКоэффициент усиления внутренней антенны , дБДлина соединительного фидера, мКСВНЗначение0,121

Зададимся числом директоров и расстоянием между ними. Число директоров возьмем равным 7. С их увеличением увеличивается общая направленность антенны, а также уменьшается входное сопротивление активного вибратора. [5]

Расстояние между активным вибратором и директорами рассчитаем по формуле [5]:

м.(3.1)

Расстояние между активным вибратором и директорами рассчитаем по формуле [5]:

м.(3.2)

Радиус поперечного сечения провода, из которого изготавливается антенна возьмем равным 0,0018 м.

Задаемся собственными сопротивлениями элементов антенны.

Реактивное сопротивление рефлектора рекомендуется брать в приделах Ом [5]. Собственное сопротивление рефлектора:

Ом.(3.3)

Реактивное сопротивление активного вибратора рекомендуется брать в приделах Ом [5]. Собственное сопротивление активного вибратора:

Ом.(3.4)

Реактивное сопротивление директора рекомендуется брать в приделах Ом [5]. Собственное сопротивление директоров:

Ом.(3.5)

Определим по таблица взаимные сопротивления элементов антенны.

Таблица №3.2 - Взаимные сопротивления рефлектора с остальными элементами антенны

ЭлементВибратор , ОмДиректор №1 , ОмДиректор №2 , ОмДиректор №3 , ОмДиректор №4 , ОмДиректор №5 , ОмДиректор №6 , ОмДиректор №7 , ОмЗначение50 - j6,219-37,3j-19 - j23,1-22,5 +j6,40,2 +j18,711 +j184 - j5-6 - j10

Таблица №3.3 - Взаимные сопротивления активного вибратора с остальными элементами антенны

ЭлементРефлектор , ОмДиректор №1 , ОмДиректор №2 , ОмДиректор №3 , ОмДиректор №4 , ОмДиректор №5 , ОмДиректор №6 , ОмДиректор №7 , ОмЗначение50 - j6,251,4 - j19,26,2 - j37,5-23,3 - j19,9-18,5 +j12,24 +j17,715 - j52 - j12

Таблица №3.4 - Взаимные сопротивления первого директора с остальными элементами антенны

ЭлементРефлектор , ОмВибратор , ОмДиректор №2 , ОмДиректор №3 , ОмДиректор №4 , ОмДиректор №5 , ОмДиректор №6 , ОмДиректор №7 , ОмЗначение19-37,3j51,4 - j19,251,4 - j19,26,2 - j37,5-23,3 - j19,9-18,5 +j12,24 +j17,715 - j5

Таблица №3.5 - Взаимные сопротивления второго директора с остальными элементами антенны

ЭлементРефлектор , ОмВибратор , ОмДиректор №1 , ОмДиректор №3 , ОмДиректор №4 , ОмДиректор №5 , ОмДиректор №6 , ОмДиректор №7 , ОмЗначение-19 - j23,16,2 - j37,551,4 - j19,251,4 - j19,26,2 - j37,5-23,3 - j19,9-18,5 +j12,24 +j17,7

Таблица №3.6 - Взаимные сопротивления третьего директора с остальными элементами антенны

ЭлементРефлектор , ОмВибратор , ОмДиректор №1 , ОмДиректор №3 , ОмДиректор №4 , ОмДиректор №5 , ОмДиректор №6 , ОмДиректор №7 , ОмЗначение-22,5 +j6,4-23,3 - j19,96,2 - j37,551,4 - j19,251,4 - j19,26,2 - j37,5-23,3 - j19,9-18,5 +j12,2

Таблица №3.7 - Взаимные сопротивления четвертого директора с остальными элементами антенны

ЭлементРефлектор , ОмВибратор , ОмДиректор №1 , ОмДиректор №3 , ОмДиректор №4 , ОмДиректор №5 , ОмДиректор №6 , ОмДиректор №7 , ОмЗначение0,2 +j18,7-18,5 +j12,2-23,3 - j19,96,2 - j37,551,4 - j19,251,4 - j19,26,2 - j37,5-23,3 - j19,9

Таблица №3.8 - Взаимные сопротивления пятого директора с остальными элементами антенны

ЭлементРефлектор , ОмВибратор , ОмДиректор №1 , ОмДиректор №3 , ОмДиректор №4 , ОмДиректор №5 , ОмДиректор №6 , ОмДиректор №7 , ОмЗначение11+j184 +j17,7-18,5 +j12,2-23,3 - j19,96,2 - j37,551,4 - j19,251,4 - j19,26,2 - j37,5

Таблица №3.9 - Взаимные сопротивления шестого директора с остальными элементами антенны

ЭлементРефлектор , ОмВибратор , ОмДиректор №1 , ОмДиректор №3 , ОмДиректор №4 , ОмДиректор №5 , ОмДиректор №6 , ОмДиректор №7 , ОмЗначение4-j515-j54 +j17,7-18,5 +j12,2-23,3 - j19,96,2 - j37,551,4 - j19,251,4 - j19,2

Таблица №3.10 - Взаимные сопротивления седьмого директора с остальными элементами антенны

ЭлементРефлектор , ОмВибратор , ОмДиректор №1 , ОмДиректор №3 , ОмДиректор №4 , ОмДиректор №5 , ОмДиректор №6 , ОмДиректор №7 , ОмЗначение-6-j102-j1215-j54 +j17,7-18,5 +j12,2-23,3 - j19,96,2 - j37,551,4 - j19,2

Рассчитаем токи в антенне. Составляется и решается система уравнений на основе законов Кирхгофа. Для удобства примем значение ЭДС в активном вибраторе за 1В.

Токи в антенне:

А.

Определим отношение амплитуды поля, излучаемого вперед, к амплитуде поля, излучаемого назад. Для этого будем использовать следующую формулу [5]:

.(3.6)

Теперь будем изменять значения собственных сопротивлений элементов антенны для достижения максимального значения (3.6).

В итоге получим следующие значения. Собственное сопротивление рефлектора:

Ом.

Собственное сопротивление активного вибратора:

Ом.

Собственное сопротивление директоров:

Ом.

В результате перерасчета отношение амплитуды поля, излучаемого вперед, к амплитуде поля, излучаемого назад принимает следующее значение:

.

Остановившись на оптимальном варианте антенны, рассчитаем ДН. В общем случае для антенны, состоящей из нескольких вибраторов, с учетом влияния земли, ДН антенны определяется формулой [5]:

,(3.7)

где - множитель, определяющий ДН одного вибратора;

- множитель антенны;

- множитель земли;

- угол места ¦и азимут.

Множитель, определяющий ДН одного вибратора рассчитывается по следующей формуле:

.(3.8)

В вертикальной плоскости .

Формула для множителя антенны выводится для антенны, состоящей из точечных излучателей с известной фазой и величиной тока. Положение точечных излучателей совпадает с электрическими центрами вибраторов, составляющих антенну типа «волновой канал». Формула - выводится для точки, расстояние которой от начала координат велико по сравнению с размерами антенны. Окончательное выражение имеет вид [5]:

(3.9)

Земля влияет на ДН антенны только в вертикальной плоскости. В том случае, когда плоскость расположения вибраторов параллельна земной поверхности, антенна создает горизонтально поляризованное поле, наиболее часто используемое в ультракоротковолновом диапазоне при связи с учетом влияния земли. Для горизонтально поляризованного поля модуль коэффициента отражения от земли близок к единице, а фаза к 180° тем точнее, чем меньше угол 8. Если принять это равенство точным, то множитель земли в вертикальной плоскости имеет вид [5]:

(3.10)

где м. - высота над землей.

Учитывая вышеприведенные формулы построим ДН антенны:

Рисунок 3.1 - ДН в горизонтальной плоскости

Рисунок 3.2 - ДН в вертикальной плоскости

Определим уровень боковых лепестков и ширину ДН по следующему графику (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - График для определения ширины ДН

Из графика видим, что ширина ДН , уровень боковых лепестков .

Определим коэффициент направленного действия (КНД) антенны по следующей формуле [5]:

(3.11)

где - коэффициент, зависящий от длины антенны, лежащий в пределах 4-10 и определяемый по графику (рисунок 3.4);

- длина антенны от рефлектора до последнего директора;

Рисунок 3.4 - Вспомогательный график для расчета коэффициента направленного действия антенны

Полная длина антенны равна:

м.

КНД антенны будет равен:

Рассчитаем входное сопротивление антенны по формуле [5]:

Ом.(3.12)

Одним из условий - получения низкого КСВ. в фидере является равенство нулю реактивной части сопротивления нагрузки фидера (входного сопротивления вибратора) .

Реактивная часть входного сопротивления вибратора состоит из собственного и наведенного сопротивлений

.

Если при расчете оказывается, что , то это означает, что ранее принятое собственное реактивное сопротивление активного вибратора не компенсирует наведенное реактивное сопротивление и не обеспечивает получения чисто активного входного сопротивления антенны.

Поэтому при определении укорочения активного вибратора для выполнения условия необходимо исходить из другого собственного реактивного сопротивления определяемого равенством [5]:

Ом.(3.13)

При его выполнении происходит взаимная компенсация наведенного и собственного реактивного сопротивлений в активном вибраторе. С учетом этого равенства необходимое укорочение активного вибратора определяется соотношением [5]:

,(3.14)

где - длина элемента антенны;

- укорочение элемента антенны;

- радиус провода.

Длину вибратора без учета необходимого укорочения, можно найти, используя следующую формулу [5]:

(3.15)

Укорочение вибратора находиться по следующей формуле [5]:

(3.16)

Используя формулы (3.14) и (3.15), найдем длину вибратора :

м.

Теперь, когда нам известна длина вибратора, мы можем посчитать оптимальное укорочение. Используя формулы (3.15) и (3.16) найдем :

м.

По формуле (3.14) посчитаем длину рефлектора :

м.

По формуле (3.16) посчитаем необходимое укорочение рефлектора :

м.

По формуле (14) посчитаем длину директоров :

м.

По формуле (3.16) посчитаем необходимое укорочение директора :

м.

После всех теоретических расчетов мы получили следующие результаты:

Таблица 3.11 - Результаты теоретического расчета внешней антенны

ПараметрДлинна антенны, мШирина ДНКНДВходное сопротивление вибратора, ОмДлина активного вибратораДлина директораДлина рефлектораДиаметр провода антенныЗначение0,1883625,4113,9537,530,0280,0230,03480,0018

4. Моделирование внешней антенны в CST Studio Suite

Рисунок 4.1 - Схема рассчитанной антенны

Построение расчетной модели дало следующие результаты.

Рисунок 4.2 - ДН антенны «волновой канал»

Из графика видно, что отношение амплитуды поля, излучаемого вперед, к амплитуде поля, излучаемого назад составляет 14.01 или усиление 11,46 dBi.

Рисунок 4.3 - ДН антенны в линейном виде

Уровень боковых лепестков составляет -16,1 дБ. Ширина ДН на уровне -3 дБ составляет 48,8.

Рисунок 4.4 - Расчет КСВН антенны

Как видно из графика антенны имеет КСВН менее 1,5 в рабочей полосе частот и 1,3665 на частоте 2480 МГц.

Рисунок 4.5 - S - параметры антенны

На рабочей частоте имеем минимальное значение коэффициента отражения входа, а именно -18,373 дБ.

4. Электрический и конструкционный расчет внутренней антенны

Длину вибратора возьмем из условия обращения в нуль реактивной составляющей его входного сопротивления, без учета эффекта укорочения [4]:

(5.1)

Радиус вибратора выберем равным 0,00242 м.

Реактивную составляющую входного сопротивления несимметричного вертикального заземленного вибратора приближенно можно определить так же, как и входное сопротивление разомкнутого шлейфа без потерь [4]:

(5.2)

где - волновое число

- волновое сопротивление вибратора

(5.3)

Волновое сопротивление найдем по формуле [4]:

Ом(5.4)

Рассчитаем входное реактивное сопротивление по формуле (5.2):

Ом.

Рассчитаем эффективную длину антенны по формуле [4]:

м.(5.5)

Теперь найдем сопротивление излучения антенны по формуле [4]:

Ом(5.6)

Найдем ток в вибраторе, приняв :

А.(5.7)

Рассчитаем ДН антенны по формуле [7]:

(5.8)

Рисунок 5.1 - ДН антенны в вертикальной плоскости в логарифмическом масштабе

Рисунок 5.2 - ДН в линейном виде

В случае идеально проводящей земли КНД несимметричного вибратора в 2 раза больше КНД соответствующего симметричного вибратора. Рассчитаем КНД антенны по формуле [4]:

(5.9)

5. Моделирование внутренней антенны в CST Studio Suite

Рисунок 6.1 Схема рассчитанной антенны

Построение расчетной модели дало следующие результаты.

Рисунок 6.2 - ДН несимметричного вибратора в логарифмическом масштабе

Из рисунка видно, что усиление антенны не превышает 3 дБ и составляет 2,83 дБ на рабочей частоте.

Рисунок 6.3 - ДН антенны в логарифмическом масштабе

Рисунок 6.4 - S параметры антенны

На рабочей частоте значение коэффициента отражения
входа равное -12 дБ.

Рисунок 6.5 - КСВН антенны

Как видно из графика КСВН смоделированной антенны имеет значение равное 1,667.

6. Расчет потерь в фидере

Выбирается питание активного вибратора. Будет использоваться параллельный вариант изображенный на рисунке 7.1. Этот вариант выбран из следующих соображений: 1) В параллельной схеме не требуется специальных согласующих устройств, так как в ней подключение фидера производится не в пучности тока, а к точкам вибратора с входным сопротивлением, соответствующим выполнению условия согласования. 2) Вторым преимуществом параллельной схемы питания является возможность крепления неразрезанного активного вибратора к стреле, без изолятора в средней точке, так как в ней напряжение равно нулю [5].

Рисунок 7.1 - Вариант параллельного питания активного вибратора.

В качестве фидера будет использоваться коаксиальный кабель марки 5D-FB PVC. Это гибкий кабель с очень малыми потерями, идеально подходящий для изготовления антенных трасс небольшой протяженности. Высокое качество диэлектрика в сочетании с дополнительным экраном из алюминиевой фольги обеспечивают стабильность волнового сопротивления по длине кабеля и хорошее экранирование [6].

Таблица 7.1 - Спецификация кабеля 5D-FB PVC

Импеданс50±2 ОмПогонная емкость81,69 пФ/мКоэффициент укорочения1,23Диаметр центральной жилы1,8 ммМатериал проводникаBCДиаметр диэлектрика5,0 ммМатериал диэлектрикаFPEВнешний диаметр оболочки7,5 ммМатериал оболочкиPVCПлотность основного экрана100%Конфигурация оплетки24x5x0.14 ммПлотность оплетки88%

Рисунок 7.2 - Внешний вид 5D-FB PVC

Рассчитаем волновое сопротивление вибратора внешней антенны по формуле [4]:

Ом.(7.1)

Расчет положения точки подключения производится по следующей формуле [5]:

(7.2)

Откуда равно:

м.(7.3)

Длина согласующего участка выбирается из конструктивных соображений и примерно равна:

м.

Рассчитаем потери в коаксиальном кабеле на частоте 2480 МГц. Затухание на 100 м на нашей частоте определим из графика из приложения B. Длину кабеля выберем равной 10 метрам. В результате получим следующее затухание:

дБ.

7. Определение зоны обслуживания

Зона уверенного приема УКВ определяется расстоянием прямой видимости от передающей антенны до приемной. В связи с тем, что поверхность Земли шарообразна, можно использовать приблизительную формулу для определения максимальной дальности, соответствующей прямой видимости:

,(8.1)

где - максимальная дальность прямой видимости в километрах;

и - высоты антенн в метрах.

Из формулы видно, что чем выше подняты антенны, тем дальше прием. Формула не учитывает рельефа местности и предполагает, что антенны установлены на идеально гладкой поверхности. Кроме того, при распространении радиоволн УКВ диапазона все-таки имеет место и дифракция и рефракция радиоволн. Область, в пределах которой оказывается возможным уверенный прием радиосигнала, можно разбить на 2 зоны: прямой видимости и полутени. Формула не учитывает рельефа местности и предполагает, что антенны установлены на идеально гладкой поверхности. Кроме того, при распространении радиоволн УКВ диапазона все-таки имеет место и дифракция и рефракция радиоволн. Область, в пределах которой оказывается возможным уверенный прием радиосигнала, можно разбить на 2 зоны: прямой видимости и полутени.

Для расчета мощности полезного сигнала на входе приемника необходимо знать энергетические параметры радиолинии и реальную чувствительность приемника.

Мощность полезного сигнала в точке приема определяется
выражением [8]:

,(8.2)

где - мощность приемника;

- мощность передатчика;

- усиление передающей антенны;

- усиление приемной антенны;

- расстояние между точками приема и передачи;

- множитель ослабления, обусловленный потерями при передачи.

Из этой формулы мы можем получить , зная остальные параметры, но поскольку по заданию они не даны, произведем теоретический расчет.

(8.3)

Следует иметь ввиду, что полученное значение дальности не должно превышать максимальная дальность прямой видимости.

Заключение

В результате проделанной работы была рассчитана система из двух антенн, образующих пассивный ретранслятор сигналов. В качестве внешней антенны была выбрана директорная антенна «волновой канал», имеющая высокую направленность и расчетное усиление 11,46 дБ и настроенная на прием сигнала передатчика. Принятый сигнал передается по коаксиальному кабелю марки 5D-FB PVC к внутренней антенне. Внутренняя антенна является четверть волновым вибратором, который имеет широкую ДН (всенаправленная антенна) и усиление порядка 2,83 дБ.

В ходе работы был произведен численный расчет двух антенн, подобраны оптимальные параметры для достижения наилучших результатов. После расчета они были смоделированы в CST Studio Suite для более наглядного рассмотрения. В ходе моделирования расчетные параметры антенн многократно варьировались для достижения требуемых целей. Это связано с тем, что расчетные формулы не учитывают многих факторов, которые влияют на характеристики антенн. Однако, нельзя полностью полагаться на результаты моделирования, все это дает лишь приближенные результаты, а истинные параметры антенн можно получить лишь опытным путем.

В работе приведена формула для расчета зоны обслуживания антенны. Данные формулы не учитывают рельефа местности и предполагают, что антенны установлены на идеально гладкой поверхности. Но в жизни так бывает очень редко и на пути распространения радиоволны встают препятствия в виде гор, холмов, больших мостов, зданий и т.д. А так как радиосвязь на УКВ диапазонах - радиосвязь прямой видимости, то эти препятствия сильно ослабляют прямой радиосигнал. Однако при наличии высокоэффективной антенны и достаточно чувствительного приемника, можно считать реальным получения устойчивого сигнала, при сложном рельефе на достаточно больших расстояниях. Однако следует иметь ввиду, что реальная зона обслуживания в городских условиях значительно меньше.

Список использованных источников

1. Антенны спутниковые, КВ, УКВ, Си-Би, ТВ, РВ / В. Никитин, Б. Соколов, Юрий Жомов. - М.: ДМК Пресс. - 319 с.: ил.

. Айзенберг Г.З., Ямпольский ВТ., Терешин О.Н. Антенны УКВ / Айзенберг Г.З. - М.: Связь, 1971. В 2-х частях.

. Wikipedia [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Волновой_канал. (Дата обращения 06.03.2014)

. Гошин Г.Г. Антенны и фидеры (Сборник). - Томск, ТУСУР, 2003, 242 с. 5. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Учебное пособие для вузов. - М.: Советское радио, 1972, стр. 320.

. Radiolab каталог коаксиальных кабелей. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.radiolab.ru/ru/3/1106648468/1152529320/1152616280.php. (Дата обращения 17.03.2014)

. Н.Т. Бова, Г.Б. Резников Антенны и устройства СВЧ. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Головное изд-во, 1982, 278 с.

. Дудко Б.П. Космические радиотехнические системы: уч. пособие. - Томск, ТУСУР, 2007, 290 с.

Введение Для передачи телекоммуникационных сигналов применяются различные среды: электрический или оптический кабель связи, воздушное пространство и т.п.

Больше работ по теме: