Спроектировать приемную антенну
МИНИСТЕРСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ И НАУКЕ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет»
Кафедра: Средства связи и информационная безопасность
Специальность: 210402
КУРСОВАЯ РАБОТА
на тему: Спроектировать приемную антенну
по дисциплине: Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства
Пояснительная записка
Проверил: к.т.н. доцент Богачков И.В.
Омск - 2014
ГОУ ВПО «Омский Государственный Технический университет»
Кафедра: Средств связи и информационная безопасность
Специальность: Средства связи с подвижными объектами
Задание
на курсовое проектирование
по дисциплине: Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства
Студент:
- Тема курсовой работы: Спроектировать приемную антенну______________
- Срок сдачи студентом законченной работы: до 04.2014 г.______________
3. Исходные данные к курсовой работе: ТВ 6…12 (КВ); Zв (ЛП) = 75 Ом; параметры оптимизации: равномерность ЧХ _________________________
______________________________
4. Содержание курсовой работы: пояснительная записка_________________
4.1
Разделы пояснительной записки (перечень
подлежащих разработке
(Типовые страницы: титульный лист,
задание, аннотация, содержание, заключение,
список литературы, приложения).__________________
______________________________
4.2. Перечень графического материала:
П1
Диаграмма направленности ______________________________
П2 Графики F/KCB/Ga/Z;___________________
5. Основная рекомендуемая литература:
1)
Горощеня А.Б., Богачков И.В. Элементы
теории антенн: Учебное пособие.
– Омск; Из-во ОмГТУ, 2002.-88 с.____________________________
2)
Долуханов М.П. Распространение радиоволн:
Учебник для вузов. – М.: Связь,
1972. - 336 с.____________________________
______________________________
6.
Дата выдачи задания: 11.2013 г.____________________________
Зав кафедрой: ______________________________
Руководитель: к.т.н. доцент Богачков И.В. _____________________________
Студент: _____________________________
Содержание
1. Введение ______________________________
2. Выбор конструкции антенны ______________________________
3. Расчет ______________________________
4. Оптимизация параметра равномерность ЧХ_________________________17
5. Заключение ______________________________
6. Список литературы ______________________________
Приложение:
1.Диаграмма направленности
2. Графики F/KCB/Ga/Z
Аннотация
В данной курсовой работе производится выбор и расчет приемной антенны предназначенной для приема ТВ 6…12 каналов в УКВ диапазоне частот при Zв (ЛП) = 75 Ом. Рассчитываемая антенна оптимизируется по параметру равномерность АЧХ.
Приемная антенна должна удовлетворять требованиям по устойчивости к механическим и климатическим воздействиям.
Также в данной курсовой работе используется программа ММАNА для моделирования приемной антенны, позволяющая автоматически рассчитывать типы согласующих устройств, гибко настраивать цели и параметры оптимизации.
1 Введение
Приемными антеннами называют одиночные провода или систему проводов (трубок, полосок и т. п.), предназначенных для улавливания из пространства энергии электромагнитных волн и преобразования ее в энергию токов высокой частоты. Приемную антенну следует считать важнейшим составным элементом телевизора. Чтобы оценить значение антенны, достаточно сказать, что самый совершенный телевизионный приемник не в состоянии воспроизвести изображение, если он работает совместно с неправильно изготовленной или плохо установленной антенной.
Приемные телевизионные антенны характеризуются следующими параметрами: входное сопротивление; коэффициенты усиления, направленного действия, бегущей волны, полезного и защитного действий; диаграмма направленности; полоса пропускания; действующая длина. Эти параметры являются основными. Почти каждый тип приемных антенн может характеризоваться еще рядом дополнительных показателей. Поэтому рассмотрим только наиболее важные.
Коэффициент усиления - величина, показывающая, во сколько раз напряжение или мощность, развиваемые в антенне принимаемыми сигналами, при прочих равных условиях больше напряжения или мощности, развиваемых полуволновым вибратором (эталонная антенна).
Диаграмма направленности показывает, как антенна принимает сигналы с разных направлений в горизонтальной и вертикальной плоскостях, и характеризует зависимость ЭДС, наведенной в антенне электромагнитным полем, от направления прихода сигнала.
Для численной оценки направленных свойств антенны пользуются понятиями угла раствора основного лепестка диаграммы направленности и уровня задних и боковых лепестков. Углом раствора основного лепестка диаграммы направленности называется угол, в пределах которого ЭДС на клеммах антенны снижается до уровня 0,707 от максимальной.
Коэффициент защитного действия (КЗД) характеризует способность не принимать сигнал с заднего направления. КЗД выражается отношением мощности сигнала, принятого с главного направления, к мощности сигнала, принятого с заднего направления, при одинаковой напряженности поля обоих сигналов.
Элементы антенны "Волновой канал", которые будут рассмотрены ниже, расположены в пространстве горизонтально, и такая антенна используется для приема сигналов с горизонтальной поляризацией, когда вектор напряженности электрического поля Е также горизонтален. Для приема сигналов с вертикальной поляризацией антенна должна быть повернута на 90° так, чтобы ее элементы стали вертикальными.
2 Выбор конструкции антенны.
Антенны широко используются в современной военной, специальной и бытовой технике. Все антенные вводы телеприемников рассчитаны на подключение коаксиального радиочастотного кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом.
Важнейшей характеристикой, определяющей качество изображения и чистоты звукового сопровождения, является чувствительность. В диапазоне MB чувствительность канала изображения должна быть не хуже 100 мкВ, а в диапазоне ДМВ - не хуже 500 мкВ. Для современных телевизоров чувствительность звукового сопровождения в диапазоне MB должна быть не хуже 50 мкВ, а в диапазоне ДМВ - не хуже 200 мкВ.
Не менее важным электрическим параметром является избирательность, которая характеризуется способностью ослаблять сигналы помех вне рабочей полосы частот. Избирательность при настройке от несущей частоты изображения принимаемого канала на 1,5 МГц должна быть не хуже 40 дБ (100 раз), на 3,5 МГц - 40 дБ, на 6,5 МГц - 36 дБ, на 8 МГц - 40 дБ,
От качества изготовления антенн зависят также такие параметры, как контрастность и максимальная яркость. Величина контрастности зависит от размеров взаимного удаления темных и светлых элементов изображения. В общем случае контрастность должна быть не хуже 80:1 и выше. Максимальная яркость свечения определяется как яркость наиболее светлых крупных участков телеизображения, она может составлять до 100 кд/м 2.
Диапазон воспроизводимых звуковых частот должен находиться в пределах от 80 до 12 500 Гц.
В данной курсовой работе используем телевизионную антенну УКВ МВ для приема телепрограмм с 6-го по 12-й канал, которая по принятой классификации относится к антеннам типа "волновой канал".
Антенны типа "Волновой канал"
получили наибольшее
Антенны типа "Волновой канал" состоят из активного вибратора (обычно это петлевой вибратор), рефлектора и ряда директоров, расположенных на общей несущей стреле параллельно друг другу.
Вибратор элементов антенны определенной длины, находящийся в электромагнитном поле сигнала, резонирует на частоте сигнала, и в нем наводится ЭДС. В каждом из пассивных элементов также наводится ЭДС, и они переизлучают вторичные электромагнитные поля. Эти вторичные поля, в свою очередь, наводят дополнительные ЭДС в вибраторе. Размеры пассивных элементов и их расстояния от вибратора должны быть выбраны такими, чтобы дополнительные ЭДС наведенные в вибраторе вторичными полями, были в фазе с основной ЭДС, наведенной в нем первичным полем. Тогда все ЭДС будут складываться арифметически, обеспечив увеличение эффективности антенны по сравнению с одиночным вибратором. Для этого рефлектор делается немного длиннее вибратора, а директоры - короче. Симметричное расположение элементов антенны относительно направления на передатчик, создает условия для сложения наведенных ЭДС в вибраторе только для сигнала, приходящего с главного направления. Сигналы, приходящие под углом к главному направлению, создают в вибраторе ЭДС, сдвинутые по фазе относительно основного, и поэтому складываются алгебраически так, как складываются векторы. Их векторная сумма получается меньше арифметической. Сигнал же, приходящий с заднего направления, создает в вибраторе наведенные ЭДС, противофазные основной, и они вычитаются. Таким образом, обеспечивается направленное свойство антенны, формируется узкая диаграмма ее направленности, что соответствует увеличению коэффициента усиления.
В нашей курсовой работе применяется семиэлементная антенна типа "Волновой канал"
На рисунке 1 приведена конструкция семиэлементной антенны типа "Волновой канал" с двойным рефлектором. Расстояние А между элементами рефлектора по вертикали необходимо выбирать следующим: для каналов 1...5 - 800 мм, для каналов 6…12 - 550мм
Усилению излучения антенны в главном направлении способствуют директоры, которые возбуждаются, как и рефлектор, под воздействием электромагнитного поля, наводимого активным вибратором. Для сложения полей директоров необходимо, чтобы в каждом последующем вибраторе ток отставал по фазе на такой же угол, на какой отстает волна, распространяющаяся в пространстве, что также достигается соответствующим подбором расстоянии между директорами и их размеров. Максимальная концентрация излучения в главном направлении получается обычно при постепенном уменьшении длин директоров в направлении от активного вибратора.
Такое расположение
директоров и их конструкция
способствуют тому, что электромагнитная
волна, возбуждаемая активным
Рисунок 1 Семиэлементная антенна типа «волновой канал»
Семиэлементная антенна типа «волновой канал» (рис.1) предназначена для приема телесигналов в радиусе действия мощной передающей станции до 100 км (оптимальное расстояние 60—70 км). Устанавливается антенна в местности, где много индустриальных и других электромагнитных помех, а также отраженных сигналов.
Техническая характеристика:
коэффициент усиления ............ 8 дБ
КБВ. .......................... 0,6—0,75
рабочая частота ................. 50—230 МГц
входное сопротивление антенны ... 32 Ом входное сопротивление активного
вибратора антенны ............. 292 Ом
волновое сопротивление фидера. .... 75 Ом
неравномерность коэффициента усиления...................... 1 дб
номера рабочих каналов .......... 1—12-й, 6—12-и
количество принимаемых программ на один типоразмер антенны. ... 1 или 6
помехозащищенность. ............. -(16...26) дБ
угол раствора главного лепестка диаграммы направленности ...... 45°
Антенна имеет один вибратор, расположенный на конце стрелы (рефлектор), активный вибратор Пистолькорса и пять неразрезных вибраторов (директоров). Все вибраторы укрепляются параллельно друг другу на горизонтальной стреле, создавая антенную систему «волновой канал». Петлевой вибратор Пистолькорса крепится в точке нулевого потенциала. В качестве согласующе-симметрирующей системы применен отрезок коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом в виде полуволнового U-образного колена. Входное сопротивление петлевого вибратора 292 Ом.
Изготавливается антенна, как правило, из металлических трубок с тонкими стенками диаметром 8—30 мм. Мачта и стрела могут быть сделаны из металлической трубки или из деревянного бруска (рейки). Сечение бруска должно обеспечивать прочность конструкции и жесткость. Наилучшее конструктивное решение достигается в сварном варианте, когда все вибраторы жестко приварены к центральной несущей стреле в точках равновесия, а стрела с вибраторами приварена к вертикальной мачте в точке тяжести.
Можно рекомендовать применение этой антенны на каналах высоких частот (свыше 6-го канала). На первых пяти каналах семиэлементные антенны почти не используют из-за больших габаритных размеров и массы, но главным образом из-за недопустимо узкой полосы пропускания, ухудшающей качество изображения и звука. Но в некоторых случаях с этим приходится мириться.
Настройка и регулировка семиэлементной антенны является сложным делом, их не всегда удается качественно выполнить. Одновременно надо знать, что изготовление элементов антенны и ее сборка должны осуществляться с учетом повышенных требований к настройке антенны и ее ориентации на ТЦ или ретранслятор. Требования к точности подстройки антенны обусловлены теми недостатками, которые присущи в основном семиэлементным антеннам, но являются общими для всех антенн типа «волновой канал».
Во-первых, эти антенны очень зависят от конструктивных размеров элементов, от точности их изготовления и настройки. Увеличение количества активных и пассивных элементов антенны, а также конструктивные ошибки приводят, как правило, к отрицательному результату. Несоблюдение требований тщательной настройки и регулировки антенны после изготовления может привести к серьезному ухудшению се направленных свойств.
Во-вторых, антенны типа «волновой канал» всегда требуют подключения их к телевизору с помощью коаксиального кабеля и УСС, что значительно усложняет их конструкцию и затрудняет настройку.
В-третьих, так как семиэлементные антенны узкополосные, это затрудняет их использование не только в диапазонах частот нескольких каналов, но даже для приема телесигналов по одному из первых каналов, в которых относительная полоса частот достаточно велика.
Здесь необходимо заметить, что имеются и другие многоканальные антенны типа «волновой канал», однако их коэффициент усиления существенно хуже.
3 Расчет
Вид «волновой канал» на 6 - 12-й телевизионный канал (частота 174 -230 МГц).
Исходные данные для проведения расчета:
F = 199,25 * 106 Гц, несущая частота 6-12-ого телевизионных каналов.
Поляризация - горизонтальная.
Zв = 75 Ом, входное сопротивление.
Высота от земли – 20 метров.
Материал- медная трубка
Параметры земли: городские индустриальные районы, среднее облесение, диэл. постоянная – 5, проводимость – 1 мС/м, Качество земли посредственное.
Весь расчет ведется в программе MMANA (компьютерное моделирование антенн)
В таблице 1 приведены частотные каналы телевещания метрового диапазона, на которых транслируются программы (с 6-го канала до 12-го).
Расчет длинны волны произведен по формуле:
λ = с / f , где
с – скорость распространения радиоволны, равна скорости света в воздухе, равная 3*108 м/с.
Каждый канал занимает полосу частот, равную 8 МГц. Разнос между несущими частотами сигналов изображения и звукового сопровождения составляет 6,5 МГц.
Таблица 1. Частотные каналы телевещания
|
Каналы |
Полоса частот, МГц |
Несущая частота (f ) изображения, МГц |
Длинна волны (λ) изображения, м |
Несущая частота сигналов звука, МГц |
Длинна волны звука, м |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
6 |
174-182 |
175,25 |
1,712 |
181,75 |
1,651 |
7 |
182-190 |
183,25 |
1,637 |
189,75 |
1,581 |
8 |
190-198 |
191,25 |
1,569 |
197,75 |
1,517 |
Продолжение таблицы 1
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
9 |
198-206 |
199,25 |
1,505 |
205,75 |
1,458 |
10 |
206-214 |
207,25 |
1,448 |
213,75 |
1,404 |
11 |
214-222 |
215,25 |
1,394 |
221,75 |
1,353 |
12 |
222-230 |
223,25 |
1,344 |
229,75 |
1,306 |
Спроектированная нами телевизионная антенна метрового диапазона для приема телепрограмм с 6-го по 12-й канал, которая по принятой классификации относится к антеннам типа "волновой канал", показана на рисунке 2.
λ = 1,516 m
Рисунок 2 Спроектированная антенна.
Таблица 2 Конструктивные размеры ТВ.
Расчет расстояния между вибраторами производим по формулам:
а = ( 0,15÷0,2) λ - между рефлектором и активным вибратором;
в = ( 0,1÷0,15) λ - между активным вибратором и 1-м директором;
с= ( 0,1÷0,15) λ, д= ( 0,1÷0,15) λ, … - между директорами.
Расчет размеров вибраторов производим по формулам:
А=( 0,49 ÷ 0,51 ) λ - активный вибратор;
В=( 0,525 ÷ 0,6 ) λ - рефлектор;
С=( 0,35 ÷ 0,48 ) λ - директора.
Принимая за основу расчетов длину волны λ равную середине частотного диапазона волн ( λ=1,516 ), получим данные приведенные в таблице 2.
При изготовлении антенны следует особое внимание уделять вопросам согласования выходного сопротивления активного вибратора антенны с сопротивлением кабеля снижения, которые, как правило, отличаются друг от друга.
Во всех случаях приемная телевизионная антенна соединяется с входом телевизора с помощью кабеля снижения, который передает принятые антенной сигналы на телевизор. Фидерное устройство обладает, как правило, высоким кпд, в большой степени зависящим от материалов, из которых изготовлены его составные части и от схемы согласования фидерной линии антенны и телевизора. В качестве фидерных линий используются высокочастотные симметричные или несимметричные коаксиальные кабели.
Согласование антенны делается для обеспечения более высокого коэффициента бегущих волн (КБВ) в кабеле снижения. Согласующее устройство преобразует входное сопротивление антенны в сопротивление, близкое или равное волновому сопротивлению фидерной линии.
Симметрирование антенны осуществляется с целью увеличения помехозащищенности при приеме телепередач и производится в тех случаях, когда к симметричной антенне подключается несимметричная коаксиальная фидерная линия. Специальное симметрирующее устройство устраняет токи радиочастоты на наружной поверхности экрана коаксиального кабеля и искажения диаграммы направленности антенны.
Оба процесса выполняются одновременно одним симметрирующе-согласующим устройством (УСС).
Выделяют следующие УСС:
- фазосдвигающее колено; - волновое U-образное колено;
- четвертьволновой коротко
- полуволновое U-образное колено; - эквивалент кабельной петли;
- воздушный симметрирующий
- симметрирующий согласующий
Наилучшие результаты дает подключение коаксиального кабеля снижения к петлевому вибратору через УСС типа "проволочный трансформатор". Изготавливается это УСС на двух ферритовых кольцевых сердечниках марки 100ВЧ размерами 8,4 х 3,5 х 2 мм на которые виток к витку вплотную наматываются обмотки в два провода марки ПЭЛШО диаметром 0,23 мм. УСС должно обеспечивать КБВ, равный 0.75, в широкой полосе частот (от 478 до 646 МГц) со стороны подключения коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом.
Диаграмма направленности (ДН)
Для получения диаграммы направленности в виде кардиолы амплитуды токов, амплитуды рефлектора должны быть одинаковы, а ток в рефлекторе должен опережать по фазе ток в антенне на π/2.
Система из двух вибраторов активного и пассивного (рефлектора), расположенного позади активного вибратора. Волны, излучаемые антенной, как бы отражается от рефлектора при его расположении позади активного вибратора на расстоянии λ/4.
Изложенные соображения относительно рефлектора и директора использованы для повышения направленности симметричного вибратора в антенне, а именно расположения впереди антенны директора на расстоянии в четверть длинны волны, проходящей по нему ток с одинаковой амплитудой и отстающей по фазе на π/2.
ДН системы антенна-директор будет иметь максимум в направлении директора и минимум в противоположном направлении.
Их длины выбраны так, что при возбуждении ЭМП ток в одном из них (директор) запаздывая, а в другом (рефлектор) опережая по фазе на π/2 ток в активном вибраторе.
Т.е. удлинение рефлектора и укорочение директора относительно длинны активного вибратора.
Пассивные вибраторы, взаимодействуя с активным, уменьшают выходное сопротивление антенны, этим и вызвало использование шлейф вибратора.
При оптимальной настройке КНД директорной антенны из 3-х элементов равен 8.
Увеличивая число директоров, можно несколько повысить КНД, но число их нецелесообразно быть больше 5-7.
4 Оптимизация параметра (равномерность ЧХ)
Проведем оптимизацию нашего волнового канала по параметру «равномерность ЧХ»
Оптимально подбираются габариты, строится диаграмма направленности и графики .
Рисунок 3 Вид волнового канала после оптимизации
5 Заключение
В данной курсовой работе был произведен конструктивный расчет волнового канала с частотой 174-230 МГц 6-12-ый телевизионных каналов.
В процессе проектирования был выбран материал для изготовления волновода – медная трубка из расчета довольно низкой стоимости, легкости обработки и веса. Рассчитан в программе MMANA оптимальный размер приемной антенны и оптимизирован по параметру равномерность ЧХ, также рассчитана таблица токов, оптимизация ЧХ, построены графики.
Исходя из приведенного выше, можно сделать заключение, что рассчитанный геометрический размер волнового канала является оптимальным для приема 6-12 телевизионных каналов приемной антенны только после оптимизации параметром равномерность ЧХ.
Список литературы
- Сазонов Д. М. , Гридин А.Н. , Мишустин Б. А. , Устройства СВЧ. М.: Высшая школа , 1981.
- Григорьев А. Д. Электродинамика и техника СВЧ. М.: Высшая школа , 1990.
- Фельдштейн А. П., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справочник по элементам волноводной техники.- М.: Сов. радио, 1967. - 651 с.
- Богачков И.В. Введение в курс «Электродинамика
и распространение радиоволн»: Учеб. пособие.-
Омск: Изд-во ОмГТУ, 2003.-96 с.
Приложение 1. Диаграмма направленности
Приложение 2. Графики F/KCB/Ga/Z;