Файл: Курсовая работа по дисциплине Антенны и распространение радиоволн по теме Разработка судовой телевизионной антенны.rtf
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 169
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Государственный комитет РФ по рыболовствуФедеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мурманский государственный технический университет»Кафедра РТКСКурсовая работапо дисциплине «Антенны и распространение радиоволн»по теме «Разработка судовой телевизионной антенны»Выполнил:Ефимов А.ДПроверил:Милкин В.И.Мурманск 2017 г.Техническое заданиеСпроектировать судовую телевизионную антенну со следующими параметрами:
СодержаниеВведение. Расчеты по антенне Харченко2. Расчеты по судовой телевизионной антеннеЗаключениеСписок использованной литературыВведениеВ данной работе будет спроектирована антенна для приема телевизионного сигнала в ДМВ-диапазоне (470-870 МГц), которая может быть установлена на морские, речные суда, грузовые автомобили, либо другие наземные подвижные средства, где требуется антенна с горизонтальной диаграммой направленности 3600.Можно сильно уменьшить физические размеры антенны, исключив для приема диапазон метровых волн (50-300 МГц), так как на данный момент цифровое телевидение в России ведет вещание в диапазоне дециметровых волн (470-870 МГц). За основу возьмем двойную рамочную антенну (антенна Харченко). Антенна показана на рис.1. Периметр каждой из рамок равен длине волны, на которой работает рамка. За счет параллельного включения двух рамок суммарное входное сопротивление системы близко к 60 Ом, следовательно, антенну можно питать через коаксиальный кабель как 75 Ом, так и 50 Ом.
Коэффициенты усиления двойной рамочной антенны или, как ее еще называют, зигзагообразной антенны, достигают от 6 до 8 дБ.Рис.11. Расчеты по антенне ХарченкоВычисляем среднюю частоту диапазона:
.Центральная частота f: 660 МГцВолновое сопротивление антенны ρ: 75 ОмДлина волны λ: 454 ммРазмер L1 (внешняя сторона квадрата): 113.5 ммРазмер L2 (внутренняя сторона квадрата): 109.5 ммРазмер L3 (общая длина рамок): 303.7 ммРазмер L4 (ширина рамок): 165.7 ммРазмер L5 (промежуток в месте подключения): 5.8 ммРасстояние вибратор-рефлектор D: 55.2 ммРазмер B (ширина рефлектора): 454 ммРазмер H (длина рефлектора): 454 ммДиаметр проволоки вибратора: 7.7 ммОбщая длина проволоки (с запасом на повороты): 938.2 ммСмоделируем с помощью программы MMANA-GAL антенну и посмотрим графики (Рис.2):Рис.2На графиках видно, что антенна Харченко - направленная и ее коэффициент стоячей волны не находится в приемлемых для нас пределах. Желательно, чтобы значение КСВ в линии передачи было близко к единице, при этом максимален КПД системы «линия передачи - нагрузка», равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к мощности падающей волны, отдаваемой генератором в линию передачи. Допустимые значения КСВ на рабочей частоте или в полосе рабочих частот для различных устройств регламентируются в технических условиях и ГОСТах. Обычно приемлемые значения КСВ лежат в пределах от 1.1 до 2.0. Немного теории: Как синфазные, так и противофазные антенны обладают двухнаправленным излучением, т.е. имеют одинаковые максимумы излучения в двух противоположных направлениях. Однонаправленное излучение получается, когда в вибраторах, расположенных на расстоянии в четверть волны друг от друга, токи сдвинуты по фазе один относительно другого на четверть периода. Если ток в вибраторе 1 (рис.3) опережает по фазе на 90° ток в вибраторе 2, то волна вибратора 1, движущаяся в сторону вибратора 2, достигает последнего через промежуток времени:
Рис.3В это время ток в нем будет иметь ту фазу, которую имел ток в вибраторе 1 при излучении волны, дошедшей теперь до вибратора 2. Поэтому волна вибратора 2 будет синфазна с волной, пришедшей от вибратора 1, и обе волны будут складываться. В результате этого в направлении А суммарная волна будет в 2 раза больше волн каждого из вибраторов. В это время ток в нем будет иметь ту фазу, которую имел ток в вибраторе 1 при излучении волны, дошедшей теперь до вибратора 2. Поэтому волна вибратора 2 будет синфазна с волной, пришедшей от вибратора 1, и обе волны будут складываться. В результате этого в направлении А суммарная волна будет в 2 раза больше волн каждого из вибраторов.рамочный антенна излучатель кабельВ это время ток в нем будет иметь ту фазу, которую имел ток в вибраторе 1 при излучении волны, дошедшей теперь до вибратора 2. Поэтому волна вибратора 2 будет синфазна с волной, пришедшей от вибратора 1, и обе волны будут складываться. В результате этого в направлении А суммарная волна будет в 2 раза больше волн каждого из вибраторов.Система из двух излучателей, обладающая однонаправленным излучением (Рис.4):а - сложение волн вибраторов;б - диаграмма направленности в плоскости вибраторов;в - диаграмма направленности в плоскости, перпендикулярной вибраторам.Рис.4.В противоположном направлении Б имеет место обратная картина. Пока волна вибратора 2, ток в котором отстает на четверть периода от тока вибратора 1, достигнет последнего, пройдет четверть периода, и ток в вибраторе 1 к этому моменту времени уже на полпериода опередит ток вибратора 2, создавшего волну, подошедшую к вибратору 1. Последняя окажется в противофазе с волной, излученной вибратором 1, и в направлении Б волны взаимно уничтожаются. По другим направлениям вследствие другой величины разности хода происходит либо частичное уничтожение, либо частичное сложение волн. Из диаграммы направленности такой системы (рис.4, б и в) видно, что вибратор, в котором ток опережает по фазе ток другого вибратора, как бы отражает излученные последним волны и посылает их в противоположном направлении. Благодаря такому действию вибратора 1 его называют рефлектором или зеркалом, а вибратор 2 - антенной.
2. Расчеты по судовой телевизионной антеннеКак видно из вышесказанного, с помощью рефлектора антенна становится направленной. Изменим рамочную антенну Харченко и уберем рефлектор, так как нам нужна всенаправленная антенна. Также немного видоизменим саму рамку для уменьшения физических размеров и увеличения прочности конструкции (Рис.5)Рис.5Проверим в программе MMANA-GAL параметры данного вибратора:Рис.6Антенны не производят сами собой энергию, они всего лишь концентрируют излучаемую радиочастотную энергию в узком направлении таким образом, что из антенны в требуемом направлении выходит больше мощности.Рис.7Как видно из графиков, антенна из одного рамочного вибратора стала двунаправленной, как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости. В связи с этим, уменьшился коэффициент усиления антенны. Также видно, что коэффициент стоячей волны в пределах диапазона частот не находится в приемлемых пределах.Чтобы улучшить горизонтальную диаграмму направленности, добавим к нашей конструкции еще один вибратор (Рис.7):Проверим в программе MMANA-GAL параметры данного вибратора:Рис.8Из полученных графиков видно, что в вертикальной плоскости прием сигналов практически отсутствует, что будет способствовать уменьшению помех от радиостанций, гетеродинов вещательных приемников и телевизоров, антенных усилителей, а также дальних телепередатчиков, основные частоты или гармоники которых попадают в частотный диапазон канала, в котором производится прием, или лежат в полосе пропускания УПЧ. Помехи могут возникать и в случае, когда частоты мешающих сигналов лежат вне указанных каналов, но из-за их интенсивности возникают перекрестные модуляции и комбинационные частоты.
В нашем случае мы сможем уменьшить влияние помех на прием сигнала, так как поляризация антенны стала горизонтальной.Постараемся улучшить диаграмму направленности нашей антенны и добиться «всенаправленности». Изменим конструкцию, добавив в нее такой же вибратор, установленный перпендикулярно (Рис.9):Рис.9Проверим в программе MMANA-GAL параметры созданной антенны:Рис.10Рис.11ЗаключениеКак видно из полученных графиков, нам удалось добиться в горизонтальной плоскости приемлемой направленности 3600. В вертикальной плоскости прием минимален, что уменьшит помехи приему. Коэффициент усиления на всем диапазоне не менее 8 dBi, что тоже соответствует исходным требованиям технического задания. Коэффициент стоячей волны не вполне соответствует предъявленным требованиям, но приемлем для согласования с фидером, коаксиальным кабелем 75 Ом. Т.е. для приема сигналов не потребуется дополнительного питания антенны.Также немаловажно, что антенна имеет небольшие физические размеры: высота - 16 см, диаметр - около 22 см, что существенно упрощает ее установку.Для укрепления конструкции каркас антенны (Рис.11), на котором будут крепиться вибраторы изготовим из стальных труб диаметром: 25 мм - вертикальная(1) и 16 мм - горизонтальные(2). Вибраторы (5) изготовим из биметалла (сталь и медь) для усиления прочности с одной стороны и улучшения прохождения токов с другой.Коаксиальный кабель (3) вводится снизу в вертикальную трубу каркаса. Центральная жила и оплетка выводятся по центру трубы через отверстие (4) и припаиваются к выводам вибраторов.Список использованной литературы1. Изюмов Н.М., Линде Д.П. «Основы радиотехники» Энергия, 2-е издание, 1965, стр.482.2. Белоцерковский Г.Б. «Основы радиотехники и антенны. Часть 2. Антенны». - М.: Советское радио, 1969. - 328 с.
| Диаграмма направленности | всенаправленная |
| Поляризация | горизонтальная |
| Диапазон частот, МГц | 470 - 850 |
| Коэффициент стоячей волны | 1,1-2 |
| Импеданс, Ом | 75 |
| Коэффициент усиления, не менее, dBi | 8 |
Коэффициенты усиления двойной рамочной антенны или, как ее еще называют, зигзагообразной антенны, достигают от 6 до 8 дБ.Рис.11. Расчеты по антенне ХарченкоВычисляем среднюю частоту диапазона:
.Центральная частота f: 660 МГцВолновое сопротивление антенны ρ: 75 ОмДлина волны λ: 454 ммРазмер L1 (внешняя сторона квадрата): 113.5 ммРазмер L2 (внутренняя сторона квадрата): 109.5 ммРазмер L3 (общая длина рамок): 303.7 ммРазмер L4 (ширина рамок): 165.7 ммРазмер L5 (промежуток в месте подключения): 5.8 ммРасстояние вибратор-рефлектор D: 55.2 ммРазмер B (ширина рефлектора): 454 ммРазмер H (длина рефлектора): 454 ммДиаметр проволоки вибратора: 7.7 ммОбщая длина проволоки (с запасом на повороты): 938.2 ммСмоделируем с помощью программы MMANA-GAL антенну и посмотрим графики (Рис.2):Рис.2На графиках видно, что антенна Харченко - направленная и ее коэффициент стоячей волны не находится в приемлемых для нас пределах. Желательно, чтобы значение КСВ в линии передачи было близко к единице, при этом максимален КПД системы «линия передачи - нагрузка», равный отношению мощности, выделяемой в нагрузке, к мощности падающей волны, отдаваемой генератором в линию передачи. Допустимые значения КСВ на рабочей частоте или в полосе рабочих частот для различных устройств регламентируются в технических условиях и ГОСТах. Обычно приемлемые значения КСВ лежат в пределах от 1.1 до 2.0. Немного теории: Как синфазные, так и противофазные антенны обладают двухнаправленным излучением, т.е. имеют одинаковые максимумы излучения в двух противоположных направлениях. Однонаправленное излучение получается, когда в вибраторах, расположенных на расстоянии в четверть волны друг от друга, токи сдвинуты по фазе один относительно другого на четверть периода. Если ток в вибраторе 1 (рис.3) опережает по фазе на 90° ток в вибраторе 2, то волна вибратора 1, движущаяся в сторону вибратора 2, достигает последнего через промежуток времени:
Рис.3В это время ток в нем будет иметь ту фазу, которую имел ток в вибраторе 1 при излучении волны, дошедшей теперь до вибратора 2. Поэтому волна вибратора 2 будет синфазна с волной, пришедшей от вибратора 1, и обе волны будут складываться. В результате этого в направлении А суммарная волна будет в 2 раза больше волн каждого из вибраторов. В это время ток в нем будет иметь ту фазу, которую имел ток в вибраторе 1 при излучении волны, дошедшей теперь до вибратора 2. Поэтому волна вибратора 2 будет синфазна с волной, пришедшей от вибратора 1, и обе волны будут складываться. В результате этого в направлении А суммарная волна будет в 2 раза больше волн каждого из вибраторов.рамочный антенна излучатель кабельВ это время ток в нем будет иметь ту фазу, которую имел ток в вибраторе 1 при излучении волны, дошедшей теперь до вибратора 2. Поэтому волна вибратора 2 будет синфазна с волной, пришедшей от вибратора 1, и обе волны будут складываться. В результате этого в направлении А суммарная волна будет в 2 раза больше волн каждого из вибраторов.Система из двух излучателей, обладающая однонаправленным излучением (Рис.4):а - сложение волн вибраторов;б - диаграмма направленности в плоскости вибраторов;в - диаграмма направленности в плоскости, перпендикулярной вибраторам.Рис.4.В противоположном направлении Б имеет место обратная картина. Пока волна вибратора 2, ток в котором отстает на четверть периода от тока вибратора 1, достигнет последнего, пройдет четверть периода, и ток в вибраторе 1 к этому моменту времени уже на полпериода опередит ток вибратора 2, создавшего волну, подошедшую к вибратору 1. Последняя окажется в противофазе с волной, излученной вибратором 1, и в направлении Б волны взаимно уничтожаются. По другим направлениям вследствие другой величины разности хода происходит либо частичное уничтожение, либо частичное сложение волн. Из диаграммы направленности такой системы (рис.4, б и в) видно, что вибратор, в котором ток опережает по фазе ток другого вибратора, как бы отражает излученные последним волны и посылает их в противоположном направлении. Благодаря такому действию вибратора 1 его называют рефлектором или зеркалом, а вибратор 2 - антенной.
2. Расчеты по судовой телевизионной антеннеКак видно из вышесказанного, с помощью рефлектора антенна становится направленной. Изменим рамочную антенну Харченко и уберем рефлектор, так как нам нужна всенаправленная антенна. Также немного видоизменим саму рамку для уменьшения физических размеров и увеличения прочности конструкции (Рис.5)Рис.5Проверим в программе MMANA-GAL параметры данного вибратора:Рис.6Антенны не производят сами собой энергию, они всего лишь концентрируют излучаемую радиочастотную энергию в узком направлении таким образом, что из антенны в требуемом направлении выходит больше мощности.Рис.7Как видно из графиков, антенна из одного рамочного вибратора стала двунаправленной, как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости. В связи с этим, уменьшился коэффициент усиления антенны. Также видно, что коэффициент стоячей волны в пределах диапазона частот не находится в приемлемых пределах.Чтобы улучшить горизонтальную диаграмму направленности, добавим к нашей конструкции еще один вибратор (Рис.7):Проверим в программе MMANA-GAL параметры данного вибратора:Рис.8Из полученных графиков видно, что в вертикальной плоскости прием сигналов практически отсутствует, что будет способствовать уменьшению помех от радиостанций, гетеродинов вещательных приемников и телевизоров, антенных усилителей, а также дальних телепередатчиков, основные частоты или гармоники которых попадают в частотный диапазон канала, в котором производится прием, или лежат в полосе пропускания УПЧ. Помехи могут возникать и в случае, когда частоты мешающих сигналов лежат вне указанных каналов, но из-за их интенсивности возникают перекрестные модуляции и комбинационные частоты.
В нашем случае мы сможем уменьшить влияние помех на прием сигнала, так как поляризация антенны стала горизонтальной.Постараемся улучшить диаграмму направленности нашей антенны и добиться «всенаправленности». Изменим конструкцию, добавив в нее такой же вибратор, установленный перпендикулярно (Рис.9):Рис.9Проверим в программе MMANA-GAL параметры созданной антенны:Рис.10Рис.11ЗаключениеКак видно из полученных графиков, нам удалось добиться в горизонтальной плоскости приемлемой направленности 3600. В вертикальной плоскости прием минимален, что уменьшит помехи приему. Коэффициент усиления на всем диапазоне не менее 8 dBi, что тоже соответствует исходным требованиям технического задания. Коэффициент стоячей волны не вполне соответствует предъявленным требованиям, но приемлем для согласования с фидером, коаксиальным кабелем 75 Ом. Т.е. для приема сигналов не потребуется дополнительного питания антенны.Также немаловажно, что антенна имеет небольшие физические размеры: высота - 16 см, диаметр - около 22 см, что существенно упрощает ее установку.Для укрепления конструкции каркас антенны (Рис.11), на котором будут крепиться вибраторы изготовим из стальных труб диаметром: 25 мм - вертикальная(1) и 16 мм - горизонтальные(2). Вибраторы (5) изготовим из биметалла (сталь и медь) для усиления прочности с одной стороны и улучшения прохождения токов с другой.Коаксиальный кабель (3) вводится снизу в вертикальную трубу каркаса. Центральная жила и оплетка выводятся по центру трубы через отверстие (4) и припаиваются к выводам вибраторов.Список использованной литературы1. Изюмов Н.М., Линде Д.П. «Основы радиотехники» Энергия, 2-е издание, 1965, стр.482.2. Белоцерковский Г.Б. «Основы радиотехники и антенны. Часть 2. Антенны». - М.: Советское радио, 1969. - 328 с.