Файл: Методические указания и задания к курсовому проектированию для студентов специальности Радиотехника Екатеринбург 2022 удк 621. 396.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.11.2023
Просмотров: 85
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
lg
(4.1)
где
- относительная диэлектрическая проницаемость заполнения. Электрическое поле в поперечном сечении линии распределено неравномерно. Максимум напряженности поля, как видно по густоте силовых линий на рис.4.1, находится на поверхности центрального проводника. Амплитуда поля в максимуме определяется соотношением:
Еmax=
, (4.2)
где Р – мощность в коаксиале.
Рис. 4.1 Структура поля коаксиальной линии на волне типа –Т
Из формулы 4.2 можно получить оптимальное соотношение между D и d, при котором пропускаемая мощность Р будет максимальной. Оно определяется как D/d=e=2,72 при воздушном заполнении ( =1). Подставив это значение в формулу 4.1, получим оптимальное волновое сопротивление 60 Ом.
Другим фактором, определяющим соотношение диаметров, является вероятность пробоя коаксиала из-за превышения разности потенциалов между проводниками критического значения. Он дает оптимальное соотношение D/d=1,65, что соответствует
=30 Ом. Исходя из этого, в качестве стандартного, для кабелей используемых для передачи больших уровней мощности (в том числе и для питания передающих антенн), выбрано волновое сопротивление 50 Ом.
При проектировании питающего коаксиала необходимо обеспечить Еmax=0,10,3Епр, где Епр – напряжение пробоя диэлектрика, заполняющего коаксиал. Значения Епр для проводников, часто применяемых в коаксиальных линиях передачи и кабелях, приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1
Помимо электрической прочности и пропускаемой мощности важнейшей характеристикой линии передачи является затухание. Для коаксиальной линии затухание определяется двумя факторами: потерями на нагрев проводников из-за не бесконечной их проводимости и потерями в диэлектрике из-за наличия в них токов проводимости. Обычно эти потери считают взаимно независимыми, и коэффициент затухания записывается в виде суммы =М+Д, где М – коэффициент затухания в металле, а Д – коэффициент затухания в диэлектрике.
Для частот выше 5 МГц коэффициент затухания можно рассчитать по формуле:
=
, (4.3)
где f частота в Гц; d1=d – диаметр центрального проводника, d2=D – диаметр внешнего проводника, заданные в мм;
- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; 
- тангенс угла потерь диэлектрика;
- относительные магнитные проницаемости проводников; σ1, σ2 -удельные проводимости проводников в Сим/м.
Если оба проводника медные (
, σ1=σ2=5,7107 Сим/м) из формулы (4.3) получим:
,
. (4.4)
Как видно из формул 4.3, уменьшить затухание можно не только путем увеличения размеров D и d или применением проводников с максимальными удельными проводимостями, но и подбирая соотношение диаметров. Оптимум этого соотношения зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика. При воздушном заполнении ( =1) (D/d)ОПТ=3,6, что соответствует волновому сопротивлению 75 Ом. При увеличении
до 2,02,5 (фторопласт, полиэтилен) оптимальное волновое сопротивление уменьшается до 6055 Ом (см. формулу 4.1). Исходя из сказанного следует, что если получение малого затухания является решающим фактором, то следуем применять коаксиал с воздушно-пластмассовой изоляцией (диэлектрические шайбы, кордель, баллонная и др.). Волновое сопротивление, при этом, должно быть равно 75 Ом. Оно выбрано в качестве стандартного для магистральных кабелей связи.
Антенны метрового диапазона устанавливаются на самом верху телевизионной башни. Для уменьшения ветровой нагрузки и увеличения механической прочности при сохранении электрических характеристик вибраторы выполняют не сплошными, а из отдельных горизонтальных стержней. Учитывая высокие требования к широкополосности, антенны выполняют в виде турникетных на основе плоскостных (вибраторов Брауде) или Ж-образных, эскизы которых приведены на рис.4.2.
Рис. 4.2 Турникетные излучатели
Каждый этаж такой антенны выполняется из двух взаимно перпендикулярных вибраторов, питаемых со сдвигом фаз /2, что обеспечивает практически круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.
Главным недостатком турникетных антенн является требование малого диаметра опоры по сравнению с размерами плеч –
. При разносе плеч из-за увеличения сечения не удается получить равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Малый диаметр стойки опоры ограничивает её длину 1015 м, так как дальнейшее увеличение приведет к ветровому раскачиванию, а это, в свою очередь, к смещению диаграммы направленности в вертикальной плоскости. На указанной длине не удается разместить большего числа этажей антенны, что не позволяет получить узкую в вертикальной плоскости диаграмму направленности и, соответственно, коэффициента усиления больше 310 (по сравнению с полуволновым вибратором).
В верхней части метрового телевизионного диапазона (с VI по XII каналы, частоты с 174 по 230 МГц) используются панельные излучатели одиночные или сдвоенные (рис.4.3). Они располагаются по сторонам опоры квадратного сечения или в виде правильного многоугольника. Для получения круговой в горизонтальной плоскости диаграммы направленности вибраторы питаются синфазно. Используя достаточное число этажей можно получить усиление до 2050 по сравнению с полуволновым вибратором.
Рис. 4.3 Панельные излучатели:
б) одиночные, в) сдвоенные
Антенны для радиовещания в метровом и более коротковолновых диапазонах, как правило, реализуются в виде решетки из вертикальных симметричных вибраторов, закрепляемых на вертикальной стойке. Исходя из необходимой механической прочности и широкополосности вибраторы выполняются достаточной толщины или петлевыми. Постоянство поля в азимутальной плоскости, в данном случае, обеспечивается характеристиками излучения вибраторов.
На базовых станциях сотовой связи применяют панельные антенны, представляющие собой линейные антенные решетки вибраторных, полосковых или щелевых излучателей. Они выполняются в виде конструкций закрытых от осадков с помощью пластикового обтекателя и имеющих металлический корпус, заземляемый по постоянному току для защиты от молний. Дополнительная молниезащита обеспечивается тем, что панели устанавливаются на технических площадках, выше которых располагаются металлические конструкции для установки фонарей светоограждения и специальных молниеотводов.
Базовые станции, располагающиеся в центре соты, должны иметь антенны с диаграммой направленности близкой к круговой в горизонтальной плоскости. Для получения такой диаграммы направленности используют 3 или 4 панели, которые запитываются синфазно. Из-за значительной стоимости панели, учитывая питающие кабели, обычно ограничиваются тремя, допуская неравномерность диаграммы до 0,5 от максимума.
Так как фазовые центры антенны подняты на достаточно большую высоту, требуется иметь главный максимум ДН «наклоненным» к поверхности земли. Угол наклона (см. рис.4.4) зависит от радиуса Земли, высоты фазового цента и может быть определен по соотношению:
, (4.5)
где h- высота фазового центра;
R- радиус Земли.
Рис. 4.4 – Угол наклона панели.
Наклон диаграммы направленности турникетных антенн обеспечивается обычно фазировкой излучателей, а антенн сотовой связи путем механического наклона панели относительно плоскости горизонта.
5. Элементы тракта СВЧ
5.1 Тройниковые делители мощности
Схема реактивного параллельного делителя мощности приведена на рис.5.1.
Все входные линии имеют одинаковые сопротивления ρ. В точке разветвления подключены четвертьволновые трансформаторы с волновыми сопротивлениями ρ1, ρ2, ρ3. Такой делитель может быть согласован с одного из входов (например, со входа 1) при заданном коэффициенте деления мощности k2 между двумя другими входами:
; 
; 
(5.1)
Волновое сопротивление ρ1 часто принимают равным ρ или выбирают из соображений максимальной широкополосности делителя.
При введении в схему сосредоточенного балластного сопротивления Rб и дополнительных четвертьволновых трансформаторов (рис. 5.2) можно получить тройник, согласованный по всем входам, но обладающий потерями при питании по входам 2 и 3.
Связь между волновыми сопротивлениями определяется соотношениями:
; 
; 
; 
(5.2)
При выполнении делителя одно из волновых сопротивлений (обычно ρ3 или ρ4) приравнивают ρ, а остальные находят из (5.2).
(4.1)где
- относительная диэлектрическая проницаемость заполнения. Электрическое поле в поперечном сечении линии распределено неравномерно. Максимум напряженности поля, как видно по густоте силовых линий на рис.4.1, находится на поверхности центрального проводника. Амплитуда поля в максимуме определяется соотношением:Еmax=
, (4.2) где Р – мощность в коаксиале.
Рис. 4.1 Структура поля коаксиальной линии на волне типа –Т
Из формулы 4.2 можно получить оптимальное соотношение между D и d, при котором пропускаемая мощность Р будет максимальной. Оно определяется как D/d=e=2,72 при воздушном заполнении (
=1). Подставив это значение в формулу 4.1, получим оптимальное волновое сопротивление 60 Ом.Другим фактором, определяющим соотношение диаметров, является вероятность пробоя коаксиала из-за превышения разности потенциалов между проводниками критического значения. Он дает оптимальное соотношение D/d=1,65, что соответствует
=30 Ом. Исходя из этого, в качестве стандартного, для кабелей используемых для передачи больших уровней мощности (в том числе и для питания передающих антенн), выбрано волновое сопротивление 50 Ом.При проектировании питающего коаксиала необходимо обеспечить Еmax=0,10,3Епр, где Епр – напряжение пробоя диэлектрика, заполняющего коаксиал. Значения Епр для проводников, часто применяемых в коаксиальных линиях передачи и кабелях, приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1
| Диэлектрики | |  |  | Плотность , [г/см3] |
| Воздух t=200C р=1 атм. Воздух t=200C р=1,5 атм Полиэтилен Полиэтилен вспененный Фторопласт - 4 | 1,000576 1,000850 2,3 1,3  2,1 | 10-8 10-8 5·10-4 1,1  2·10-4 | 3,2 4,8 20,0 10  30,0 | 1,3·10-3 1,3·10-3 0,92 0,35  1,85 |
Помимо электрической прочности и пропускаемой мощности важнейшей характеристикой линии передачи является затухание. Для коаксиальной линии затухание определяется двумя факторами: потерями на нагрев проводников из-за не бесконечной их проводимости и потерями в диэлектрике из-за наличия в них токов проводимости. Обычно эти потери считают взаимно независимыми, и коэффициент затухания записывается в виде суммы =М+Д, где М – коэффициент затухания в металле, а Д – коэффициент затухания в диэлектрике.
Для частот выше 5 МГц коэффициент затухания можно рассчитать по формуле:
= , (4.3)где f частота в Гц; d1=d – диаметр центрального проводника, d2=D – диаметр внешнего проводника, заданные в мм;
- относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; - тангенс угла потерь диэлектрика; - относительные магнитные проницаемости проводников; σ1, σ2 -удельные проводимости проводников в Сим/м.Если оба проводника медные (
, σ1=σ2=5,7107 Сим/м) из формулы (4.3) получим: , . (4.4)Как видно из формул 4.3, уменьшить затухание можно не только путем увеличения размеров D и d или применением проводников с максимальными удельными проводимостями, но и подбирая соотношение диаметров. Оптимум этого соотношения зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика. При воздушном заполнении (
=1) (D/d)ОПТ=3,6, что соответствует волновому сопротивлению 75 Ом. При увеличении
до 2,02,5 (фторопласт, полиэтилен) оптимальное волновое сопротивление уменьшается до 6055 Ом (см. формулу 4.1). Исходя из сказанного следует, что если получение малого затухания является решающим фактором, то следуем применять коаксиал с воздушно-пластмассовой изоляцией (диэлектрические шайбы, кордель, баллонная и др.). Волновое сопротивление, при этом, должно быть равно 75 Ом. Оно выбрано в качестве стандартного для магистральных кабелей связи.Антенны метрового диапазона устанавливаются на самом верху телевизионной башни. Для уменьшения ветровой нагрузки и увеличения механической прочности при сохранении электрических характеристик вибраторы выполняют не сплошными, а из отдельных горизонтальных стержней. Учитывая высокие требования к широкополосности, антенны выполняют в виде турникетных на основе плоскостных (вибраторов Брауде) или Ж-образных, эскизы которых приведены на рис.4.2.
Рис. 4.2 Турникетные излучатели
Каждый этаж такой антенны выполняется из двух взаимно перпендикулярных вибраторов, питаемых со сдвигом фаз /2, что обеспечивает практически круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.
Главным недостатком турникетных антенн является требование малого диаметра опоры по сравнению с размерами плеч –
. При разносе плеч из-за увеличения сечения не удается получить равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Малый диаметр стойки опоры ограничивает её длину 1015 м, так как дальнейшее увеличение приведет к ветровому раскачиванию, а это, в свою очередь, к смещению диаграммы направленности в вертикальной плоскости. На указанной длине не удается разместить большего числа этажей антенны, что не позволяет получить узкую в вертикальной плоскости диаграмму направленности и, соответственно, коэффициента усиления больше 310 (по сравнению с полуволновым вибратором).В верхней части метрового телевизионного диапазона (с VI по XII каналы, частоты с 174 по 230 МГц) используются панельные излучатели одиночные или сдвоенные (рис.4.3). Они располагаются по сторонам опоры квадратного сечения или в виде правильного многоугольника. Для получения круговой в горизонтальной плоскости диаграммы направленности вибраторы питаются синфазно. Используя достаточное число этажей можно получить усиление до 2050 по сравнению с полуволновым вибратором.
Рис. 4.3 Панельные излучатели:
б) одиночные, в) сдвоенные
Антенны для радиовещания в метровом и более коротковолновых диапазонах, как правило, реализуются в виде решетки из вертикальных симметричных вибраторов, закрепляемых на вертикальной стойке. Исходя из необходимой механической прочности и широкополосности вибраторы выполняются достаточной толщины или петлевыми. Постоянство поля в азимутальной плоскости, в данном случае, обеспечивается характеристиками излучения вибраторов.
На базовых станциях сотовой связи применяют панельные антенны, представляющие собой линейные антенные решетки вибраторных, полосковых или щелевых излучателей. Они выполняются в виде конструкций закрытых от осадков с помощью пластикового обтекателя и имеющих металлический корпус, заземляемый по постоянному току для защиты от молний. Дополнительная молниезащита обеспечивается тем, что панели устанавливаются на технических площадках, выше которых располагаются металлические конструкции для установки фонарей светоограждения и специальных молниеотводов.
Базовые станции, располагающиеся в центре соты, должны иметь антенны с диаграммой направленности близкой к круговой в горизонтальной плоскости. Для получения такой диаграммы направленности используют 3 или 4 панели, которые запитываются синфазно. Из-за значительной стоимости панели, учитывая питающие кабели, обычно ограничиваются тремя, допуская неравномерность диаграммы до 0,5 от максимума.
Так как фазовые центры антенны подняты на достаточно большую высоту, требуется иметь главный максимум ДН «наклоненным» к поверхности земли. Угол наклона (см. рис.4.4) зависит от радиуса Земли, высоты фазового цента и может быть определен по соотношению:
, (4.5) где h- высота фазового центра;
R- радиус Земли.
Рис. 4.4 – Угол наклона панели.
Наклон диаграммы направленности турникетных антенн обеспечивается обычно фазировкой излучателей, а антенн сотовой связи путем механического наклона панели относительно плоскости горизонта.
5. Элементы тракта СВЧ
5.1 Тройниковые делители мощности
Схема реактивного параллельного делителя мощности приведена на рис.5.1.
Все входные линии имеют одинаковые сопротивления ρ. В точке разветвления подключены четвертьволновые трансформаторы с волновыми сопротивлениями ρ1, ρ2, ρ3. Такой делитель может быть согласован с одного из входов (например, со входа 1) при заданном коэффициенте деления мощности k2 между двумя другими входами:
; ; (5.1) Волновое сопротивление ρ1 часто принимают равным ρ или выбирают из соображений максимальной широкополосности делителя.
При введении в схему сосредоточенного балластного сопротивления Rб и дополнительных четвертьволновых трансформаторов (рис. 5.2) можно получить тройник, согласованный по всем входам, но обладающий потерями при питании по входам 2 и 3.
Связь между волновыми сопротивлениями определяется соотношениями:
; ; ; (5.2)При выполнении делителя одно из волновых сопротивлений (обычно ρ3 или ρ4) приравнивают ρ, а остальные находят из (5.2).