Курсовая работа (т): Организация радиосвязи между наземными и спутниковыми станциями системы звукового радиовещания

Принцип действия зеркальной антенны следующий. При падении излучаемой облучателем электромагнитной волны на зеркало на последнем возникают электрические поверхностные токи (вторичные источники электромагнитного поля). Эти токи существуют не только на внутренней, обращенной к облучателю поверхности зеркала, но также из-за явления дифракции электромагнитных волн и на его внешней поверхности. Электромагнитное поле, создаваемое зеркальной антенной в любой точке окружающего пространства, есть результат сложения (интерференции) полей: вторичного, создаваемого поверхностными токами, и первичного, создаваемого облучателем. С позиций метода геометрической оптики расходящиеся лучи, которые идут от источника (облучателя), находящегося в фокусе зеркала, после отражения от его поверхности становятся параллельными. Параллельным лучам соответствует плоский фронт волны. Рассмотрим сечение параболоида плоскостью хОг. Образованная этим сечением парабола обладает тем свойством, что расстояния от ее фокуса F до любой точки, лежащей на линии А4У, перпендикулярной оси параболы и параллельной ее директрисе, по ломаным путям (ЕР₁М₁, ЕР2М2 и др.) одинаковы. Установленный в точке F облучатель излучает волны близкие к сферическим. При этом расходящиеся лучи совпадают с линиями ЕР_Ш, ГР₂ и т.д_. Если бы длина волны первичного источника была бесконечно мала, то лучи, падающие на внутреннюю поверхность параболоида, отражались бы от нее по законам геометрической оптики. При этом вследствие параболической формы зеркала все отраженные лучи были бы параллельны оси г и, таким образом, сферическая волна преобразовывалась бы параболоидом в плоскую. В действительности длина волны облучателя не бесконечно мала, и поэтому отраженные лучи идут нс параллельно, а расходятся. Однако расходимостью отраженных от зеркала лучей на небольшом участке пути от зеркала до поверхности раскрыва (АВ на рис. 8.10, а) можно пренебречь, и эту поверхность можно считать синфазно возбужденной.

.3 Двухзеркальные антенны

Рассмотренные зеркальные параболические антенны по сравнению с другими типами антенн обладают хорошими электрическими характеристиками, технологичны в изготовлении и имеют сравнительно простую конструкцию. Наряду с этими достоинствами они обладают недостатками, которые в ряде случаев не позволяют удовлетворить комплексу требований, предъявляемых к современным антеннам. Такими недостатками являются большая длина тракта от антенны до приемопередающей аппаратуры и его размещение в поле излучения антенны; сложность обеспечения амплитудного распределения поля в раскрыве, близкого к равномерному, с сохранением высокого значения результирующего КИП неприемлемые в ряде случаев продольные габаритные размеры антенны и др. Поэтому наряду с одно- зеркальными схемами антенн были разработаны так называемые двух- зеркальные антенны, в которых перечисленные недостатки проявляются в меньшей степени либо полностью устраняются. Среди многообразия типов двухзеркальных антенн есть две классические: это двух- зеркальные антенны Кассегрена (рис. 4, а) и Грегори (рис. 4, б). В этих антеннах используются две отражающие поверхности: основная - большое (обычно параболическое) зеркало и вспомогательная - малое зеркало, выполненное либо в виде части гиперболоида вращения (рис. 4, а), либо в виде части эллипсоида вращения (рис. 4, б). Пусть облучатель с фазовым центром, находящимся в точке F2, излучает в направлении малого зеркала сферическую волну. В каждой точке поверхности зеркала соблюдается правило: угол отражения равен углу падения. При этом вследствие геометрических свойств гиперболы (или эллипса) отражаемая малым зеркалом волна, снова оказываясь сферической, как бы исходит из одной точки - фокуса гиперболы (или эллипса) F₁, совмещенного с фокусом большого зеркала - параболы. Эта волна трансформируется большим зеркалом в плоскую. Второй фокус малого зеркала F₂ совмещается с фазовым центром облучателя (обычно рупора).

Рисунок 4, а. Антенны Кассегрена.

Рисунок 4, б Антенна Грегори.

Геометрия двухзеркальной антенны определяется следующими параметрами (рис. 5) R_О и R_М - соответственно радиусы раскрывав большого и малого зеркал, обычно R_M = (0,1..0,2) R₀ - угол раскрыва большого параболоида; 2а_о - угол облучения источником (облучателем) краев малого зеркала; f_о - фокусное расстояние большого зеркала; f_м - фокусное расстояние малого зеркала; 2с - расстояние между фокусами малого зеркала; е - эксцентриситет малого зеркала. Из перечисленных параметров независимыми являются четыре параметра, остальные могут быть определены через них. Обычно в качестве независимых переменных берутся R_О , R_M , Y_О .

Двухзеркальная антенна по своим электрическим свойствам эквивалентна однозеркальной антенне с параболическим зеркалом с фокусным расстоянием f, рассчитываемым по формулам, полученным методом геометрической оптики.

Из (рис. 6) видно, что фокусное расстояние эквивалентного параболоида больше фокусного расстояния основного зеркала. Следованно, при данном облучателе амплитудное распределение в раскрыве двухзеркальной антенны получается более равномерным, чем у однозеркальной антенны с таким же отношением R01.

Двухзеркальная антенна обладает рядом преимуществ по сравнению с однозеркальной. Вспомогательное зеркало облегчает подборнаиболее благоприятного амплитудного распределения в раскрыве параболоида (подробный анализ показывает, что трансформация амплитуд поля источника происходит только на малом зеркале; большое зеркало лишь выравнивает фазовое распределение) и тем самым обеспечивает сравнительно высокий результирующий КИП зеркала. Так как в двухзеркальной антенне облучатель можно расположить близко к основному зеркалу, то упрощается подводка питания к облучателю, укорачивается длина линии питания и облегчается крепление этой линии и облучателя. Укорочение линии питания ведет к уменьшению потерь в ней и снижению шумовой температуры тракта питания, что важно при использовании антенн в спутниковой и космической радиосвязи. Применяя в двухзеркальной системе поверхности, несколько отличные от правильных параболоидов, эллипсоидов и гиперболоидов (квазипараболические или оптимизированные антенны), можно добиться более равномерного амплитудного распределения поля в раскрыве основного зеркала при меньшем переливании энергии через его края, чем это имеет место в обычной двухзеркальной антенне. Более равномерное амплитудное распределение в раскрыве большого зеркала при большом коэффициенте перехвата (и₁) обеспечивается малым зеркалом благодаря модификации формы его поверхности. При этом модифицированная форма поверхности большого зеркала восстанавливает синфазность возбуждения его раскрыва.

Оптимизация двухзеркальной антенны состоит в подборе профилей зеркал в соответствии с заданной формой ДН облучателя. Основными требованиями, предъявляемыми к форме ДН облучателя оптимизируемой антенны, являются ее осевая симметрия и минимальная утечка энергии вне сектора облучения малого зеркала (крутые скаты ДН).

Рисунок 5

.4 Облучатели зеркальных антенн

В качестве облучателей зеркальных антенн применяют слабо- направленные антенны, обладающие однонаправленным излучением (в сторону зеркала). Фазовый центр облучателя совмещается с фокусом зеркала. Если облучатель не обладает однозначно выраженным фазовым центром, как, например, пирамидальный рупор, то положение такого облучателя относительно фокуса параболического зеркала подбирается экспериментально.

Диаграмма направленности облучателя должна обеспечивать требуемое амплитудное распределение в раскрыве при малом переливании энергии через края зеркала, по возможности обладать осевой симметрией и минимальным уровнем боковых и задних лепестков.

Диапазонные свойства параболической антенны в основном зависят от облучателя, поэтому от него требуется широкая полоса пропускаемых частот как по направленным свойствам, таки по согласованию.

Вибраторные облучатели, питаемые с помощью коаксиальных линий, применяют обычно в дециметровом диапазоне и в длинноволновой части сантиметрового диапазона. Для создания однонаправленного излучения используют контррефлекторы в виде пассивных вибраторов или металлических дисков диаметром (0,7..0,8)л. Фазовый центр облучателя находится между вибратором и контррефлектором. Вибраторы, питаемые с помощью волноводов, - волноводно-вибраторные облучатели - применяют на волнах короче 10 см. В середине выходного отверстия волновода перпендикулярно линиям вектора Е устанавливается тонкая металлическаяпластина, к которой крепят два вибратора на расстоянии примерно (0,3...0,25)л. друг от друга. Вибраторы возбуждаются полем, выходящим из открытого конца волновода. Длины вибраторов подбираются так, чтобы второй вибратор играл роль контррефлектора. Фазовый центр располагается между вибраторами ближе к первому из них). Вибраторные облучатели целесообразно использовать в случае довольно глубоких параболических зеркал (при 2у₀ =120...180°). Для создания круговой поляризации можно применять спиральный или турникетный облучатель (рис. 7).

Облучатели этого типа используются также в зеркальных антеннах, если передаваемые поля имеют взаимно перпендикулярную поляризацию. В этом случае один из вибраторов предназначен для передачи, другой - для приема. На сантиметровых и более коротких волнах широко применяют волноводные (круглые и прямоугольные) и рупорные облучатели (рис. 8).

Рисунок 8. Рупорный облучатель.

Эти облучатели позволяют передавать большую мощность и имеют лучшие диапазонные свойства, чем вибраторные. Рупорный облучатель с фазирующей секцией позволяет получать волну с круговой поляризацией.

Облучатели, предназначенные для двухзеркальных неоптимизированных и оптимизированных антенн, должны иметь ДН с максимумами в направлении кромки малого зеркала и с небольшой впадиной в направлении его вершины. Близкую к такой ДН имеют расфазированные рупоры. Среди различных типов рупорных антенн, позволяющих получать требуемую форму ДН облучателя двухзеркальных антенн, назовем расфазированные рупоры, расфазированные рупоры с изломом конической образующей (рис. 9), расфазированные рупоры с диэлектрической втулкой (рис. 10).

Рисунок 9. Рупоры с изломом конической образующей.  Рисунок 10. Рупоры с диэлектрической втулкой.

4.Конструктивный и электрический расчет антенны

.1 Расчет конструктивных параметров антенны

Данные для расчета.

Параболическая антенна для спутниковой связи.

При R/f = 1,3 коэффициент направленного действия получается максимальным, а величина коэффициента использования поверхности раскрыва К= 0,83.

Где R - радиус раскрыва зеркала антенны- фокусное расстояние параболоида вращения;

Принимаем R/f = 1,3 и К= 0,83

Площадь раскрыва зеркала S (м²)

рассчитывается по формуле(1):

= Dл² / 4∙3,14К

где D=30 dВ вибратор

lgD=30; lgD=3; D=1000=(1000*64)/(4*3,14*0,84)=64000/10,43=6136 см² = 0,61 м²

Радиус раскрыва R(м) рассчитывается по формуле(2):

=√S/n

R=√0,61/3,14=0,44

Фокусное расстояние f(м) рассчитывается по формуле(3):

=R/1,3

=0,44/1,3=0,34

Угол раскрыва параболоида ш (град.) рассчитывается по формуле(4):

Sinш=(R/f)/(1+R²/4f²)

Sinш=1,29+0,19/0,46=0,91

Ш=66°

Определяем точность выполнения профиля зеркала ∆p(cм) т.к. необходимо обеспечить синфазность возбуждения раскрыва с точностью ±n/4, то необходимая точность выполнения профиля зеркала ∆p определяется по формуле(5):

∆p=л/8(1+сosш)

Точность выполнения профиля зеркала в близи центра параболоида [ ш=0 ]

∆p=л/8(1+сos0)

∆p=8/8(1+1)=8/16=0,5 см

У кромки зеркала [ ш=66° ]

∆p=л/8(1+сosш)

∆p=8/8[1+0,407]=1/8*1,407=0,7 cм

Определяем допустимую точность установки облучателя [ ш=66° ] по формуле(6):

∆p₀=л/8(1-сosш)

∆p₀=л/8(1-сosш)=1/0,593=1,7 см

.2 Расчет конструктивных параметров облучателя

Облучателем выбираем симметричный вибратор что бы обеспечить работу на радио волнах горизонтальной поляризации. Коэффициент направленного действия облучателя d≤30

Облучатель должен работать в режиме осевого излучения. Длина вибратора l (cм) принимается l= л, л=8 см, принимаем высоту мачты равной 15 м.

.3 Расчет электрических параметров

Рабочий диапазон волн л (см) облучателя рассчитывается по формуле(7): л=[0,75/1,3]l

Минимальное значение диапазона волн л_МИН (cм) облучателя рассчитывается по формуле:

л_МИН=0,75*l

л_МИН=0,75*8=6 см

л_МАКС=1,3*l

л_МАКС=1,3*8=6 см

Входное сопротивление облучателя антенны R_ВХ (Ом) рассчитывается по формуле(8):

_ВХ=140(l\л)

Определим входное сопротивление R_ВХ (Ом) для л= 8 см_ВХ=140(8\8)=140 Ом

Определим входное сопротивление для л_МАКС =10,4 см_ВХ=140(8/10,4)= 108 Ом;

Определим входное сопротивление для л_МИН =6 см_ВХ=140(4/3)=187 Ом

Коэффициент направленного действия симметриченого вибратора D рассчитывается по формуле:

=120F(ц)_max\ R_∑

где F(ц)_max - максимальное значение ненормированной характеристики направленности_∑ - сопротивление излучения, отнесенное к току пучности (Ом);

Для l/л = 1, R_∑ = 200 Ом=120(1-cos66°)²/200=0,2

Для l/ л_МИН =1, R_∑ = 220 Ом=120(1-cos66°)²/220=0,18

Рассчитаем коэффициент усиления параболической антенны Е для длин волн л_МИН, л_МАКС, и л т.к КПД антенны 100%, то определяем коэффициент усиления Е по формуле(9):

=D=4*3,14*K*S\ л²

где S - площадь раскрыва зеркала, K=0,83

для л_МИН= 6 см=4*3,14*0,83*6136/36=1776,9

lg1776,9=10*3,25=32,5 дБ

для л=8 см=4*3,14*0,83*6136/64=999,5

lg1776,9=10*3 =30 дБ

для л_МАКС=10,4 см=4*3,14*0,83*6136/108,16=591,4

lg1776,9=10*2,8 =28 дБ

5.Техника безопасности при обслуживании антенн

.1 Безопасность жизни деятельности и охраны труда

Практически все работники предприятий в то числе и антенщики, связи с обслуживанием электроустановок, являющихся источником повышенной опасности для жизни человека. Следует отметить, что эта опасность непосредственно не видна. Лишь косвенно - по сигнальным устройствам, по индикаторным приборам узнать о наличие напряжения на элементах электроустановки. Это требует внимания со стороны работника выполняющего ту или иную работу, а также неукоснительного выполнения им всех требований техники безопасности. Работа антенщиков связана, кроме того, с перемещением грузов, выполнением ряда операций на большой высоте, использованием сварки, пайки и др.

Обеспечить безопасность труда можно правильной организацией технической эксплуатацией, квалифицированным обслуживанием оборудования, знаний правил технической безопасности. Ответственным за безопасное произведение работ являются руководители этих работ.

Работы по обслуживанию антенно-мачтовых сооружений разрешаются лицам не моложе 18 лет, прошедшим медицинское освидетельствование и допущенным к работе на высоте. Работники в обязательном порядке проходят обучение безопасным методом работы. Работники в обязательном порядке проходят обучение безопасным методом работы. Все вновь прибывшие на работу до получения разрешения на посещение радиопредприятий должны пройти вводный инструктаж. А затем до получения разрешения на посещение рабочего места первичный инструктаж. Самостоятельная работа поручается после проведения необходимой теоретической подготовки путем курсового или индивидуального обучения, на рабочем месте и проверки знания правил техники безопасности, правил технической эксплуатации. Провиденных и должностных инструкций в объеме выполненных работ.

Для овладения наиболее совершенными методами безопасной работы, повышения профессиональных знаний весь производственный персонал занимается технической учебой, для него проводятся периодические инструкции по технике безопасности. Антенщики ежегодно должны проходить медицинское освидетельствование. Все работы на антенно-мачтовых сооружениях производятся при обязательном выполнении организационных и технических мероприятий, обеспечивающих персоналу безопасные условия работы.

.2 Техника безопасности при установки антенны

Нельзя выполнять работы по установке антенн во время дождя, снегопада, гололедицы, при сильном ветре и т. п. Выходить на крышу можно через люк или слуховое окно. По пожарной лестнице допускается подниматься на здания, имеющие не более двух этажей. При установке и ремонте антенн каждый работающий обязан иметь следующие защитные средства: диэлектрические перчатки, предохранительный пояс и веревку, очки, рукавицы, фонарь, а также инструмент с изолирующими ручками. Работают на крыше в обуви на резиновой подошве. Перед выходом на крышу необходимо надеть предохранительный пояс с веревкой для страховки или обвязаться прочной веревкой, второй конец которой закрепить на чердаке за балку или стропила. Крепление веревок за дымовые трубы не допускается. На плоские огражденные и не огражденные крыши выход допускается без страхующего каната в обуви на резиновой подошве с надетым предохранительным поясом. При необходимости подхода к краю крыши применение страхующего каната обязательно. Около мачт антенн, установленных на крутых крышах, должны быть устроены выходные люки. На люке прочно закрепляют болт с проушиной или кольцо, к которому привязывают веревку для страховки. Второй конец ее прикрепляют к предохранительному поясу работающего на крыше. Элементы антенн доставляют на крышу через чердак или непосредственно с земли при помощи кронштейна с блоком. Антенну устанавливают не менее двух человек (до 5 м). При длине мачты более 5 м количество работников увеличивается, например, при подъеме антенны высотой 7,5 м два человека поднимают мачту, два тянут за оттяжку в сторону подъема, а остальные двое человек страхуют мачту другими оттяжками. При подъеме антенны работающие прикрепляют страхующие веревки к стяжным болтам или к основанию антенны. При оборудовании снижения антенны (закрепление кабеля к отводной планке и при устройстве ввода в окно комнаты работающий должен страховаться веревкой. При монтаже антенны следует пользоваться приставными лестницами.

Нижние концы лестниц при установке на полу снабжают резиновыми наконечниками, при установке на грунте - острыми металлическими щупами. Если работу с лестницы выполняют на высоте более 3-х метров или устанавливают ее на цементном и плиточном полах, во избежание падения лестницу поддерживает специально назначенный для этого работник. При пробивке отверстий, гнезд или борозд в каменных и бетонных стенах зданий надевают защитные очки и рукавицы. Перед подключением абонентского отвода к телевизионной антенне коллективного пользования проверяют измерительным прибором отсутствие в ней напряжения электросети. При наличии напряжения подсоединять к антенне вход телевизора категорически запрещается.

Список литературы

1.Радиовещание и электроакустика М.В. Гитлиц 2001 г.

. Учебник «Электроакустика и звуковое вещание. Учебное пособие для вузов» Алдошина И.А., Вологдин Э.И 2006 г.3. www.ru.wikipedia.org