Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства систем подвижной радиосвязи

Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства систем подвижной радиосвязи

Федеральное агентство связи

Поволжский Государственный Университет Телекоммуникаций

и Информатики

Кафедра Электродинамики и Антенн

Курсовая работа по дисциплине

«Распространение радиоволн и антенно - фидерные устройства

систем подвижной радиосвязи»

Вариант №4

Пояснительная записка на 14 листах

Выполнил:

студент группы РС - 01

Ваничкин Д.Д.

Проверил: проф. Кубанов В.П.

Самара 2013 год

Содержание

Рецензия

Параметры антенн и фидеров. Элементарные излучатели электромагнитных волн - Задача 1

Линейные симметричные электрические вибраторы - Задача 2

Антенные решетки - Задача 3

Излучающие поверхности - Задача 4

Распространение радиоволн - Задача 5

Использованные ресурсы

Параметры антенн и фидеров. Элементарные излучатели электромагнитных волн - Задача 1

Антенна расположена в центре системы координат, приведённой на рисунке 1. Характеристика направленности антенны описывается функцией

 (1).

Для плоскости  построить нормированную диаграмму направленности этой антенны в полярной системе координат и определить уровни первого бокового лепестка .

Рисунок 1

Решение. Согласно [1] заданная характеристика направленности при  зависит только от угла . Запишем выражение для нормированной характеристики направленности в виде

 (2),

где  - значение ненормированной функции  в направлении , соответствующем её главному максимуму.

На рисунке 2 показана последовательность решения с применением пакета программ Mathcad 14.

Рисунок 2

На рисунке 3 представлен результат расчёта требуемой диаграммы направленности. С помощью нормированной диаграммы направленности, построенной в прямоугольной системе координат с линейным масштабом по оси ординат, определяем уровень первого бокового лепестка .

Рисунок 3

Линейные симметричные электрические вибраторы - Задача 2

Определить ширину главного лепестка нормированной амплитудной диаграммы направленности в  - плоскости по уровню нулевого излучения  и по уровню половинной мощности  для линейного симметричного электрического вибратора с длиной плеча , если вибратор излучает на частоте .

Рисунок 4

Решение. Расположим линейный симметричный электрический вибратор вдоль оси , как показано на рисунке 4.  - плоскость вибратора содержит его ось. Угол  будет аргументом амплитудной характеристики направленности в  - плоскости. Нормированная амплитудная диаграмма направленности вибратора описывается формулой (1.15) из [2], которая имеет вид

 (3).

Подставив в эту формулу , , с учётом того, что частоте  соответствует длина волны , получим расчётное выражение в форме

 (4).

Последовательность решения, выполненного с применением пакета программ Mathcad 14, показана на рисунке 5.

Рисунок 5

Результаты расчёта приведены на рисунке 6. Диаграмма построена в прямоугольной (декартовой) системе координат с линейным масштабом по оси ординат. С помощью этой диаграммы определяем ширину диаграммы направленности по уровню нулевого излучения  и по уровню половинной мощности .

Рисунок 6

Антенные решетки - Задача 3

Антенная решётка, изображённая на рисунке 7, состоит из 10 полуволновых линейных симметричных электрических вибраторов. Расстояние . Все вибраторы возбуждаются синфазными токами равных амплитуд. Рассчитать нормированную амплитудную характеристику направленности в  - плоскости и построить её нормированную амплитудную диаграмму направленности в прямоугольной системе координат с логарифмическим масштабом.

Рисунок 7

Решение. Линейные симметричные электрические вибраторы для простоты показаны без зазоров в точках питания, т.е. в виде непрерывных линий. Пусть  - расстояние между серединами вибраторов, расположенных в одном ряду;  - число вибраторов в одном ряду. В соответствии с теоремой перемножения, ненормированная АХН рассматриваемой плоской решетки может быть представлена в виде (формула (2.1) из [3]):

 (5),

где  - функция, характеризующая направленные свойства одного вибратора, а  - множитель системы.

Как следует из формулы (2.2) в [3], при ориентации вибратора вдоль оси Y АХН описывается выражением:

 (6),

где  - коэффициент фазы электромагнитной волны в свободном пространстве,  - длина плеча вибратора.

Согласно формуле (2.5) из [3], в случае синфазного и равноамплитудного возбуждения вибраторов, и при , множитель системы имеет вид:

 (7).

Заданная характеристика направленности при  зависит только от угла . Запишем выражение для нормированной амплитудной характеристики направленности (АХН) в виде:

 (8),

где  - значение ненормированной функции  в направлении , соответствующем её главному максимуму.

На рисунке 8 приведён подробный процесс необходимых вычислений, выполненных с помощью пакета программ Mathcad 14.

Рисунок 8

Результат расчёта приведён на рисунке 9.

Рисунок 9

Излучающие поверхности - Задача 4

Прямоугольная излучающая поверхность, изображённая на рисунке 10, возбуждённая синфазно и равномерно, находится в центре системы координат и имеет размер , . Рассчитать нормированную амплитудную характеристику направленности в плоскости  и построить её диаграмму направленности в прямоугольной системе координат с линейным масштабом по оси ординат. Рассчитать коэффициент направленного действия излучающей поверхности  в направлении максимального излучения. Результат расчёта  представить в децибелах.

Рисунок 10

Решение. Представим возбужденную поверхность и систему координат, как это показано на рисунке 10. Для расчета нормированной амплитудной характеристики направленности в плоскости  воспользуемся формулой (1.14) из [4], которую запишем в следующем виде:

 (9),

где  - значение функции , являющейся произведением множителей в фигурных скобках, в направлении= .

На рисунке 11 показана последовательность необходимых вычислений с применением пакета программ Mathcad 14.

Рисунок 11

На рисунке 12 представлен результат расчета в виде требуемой амплитудной диаграммы направленности.

Рисунок 12

Расчет коэффициента направленного действия идеальной излучающей

поверхности  в направлении максимального излучения можно определить

по формуле (1.31) из [4], которая имеет вид:

 (10),

где  - геометрическая площадь возбуждённой поверхности;

 - коэффициент использования поверхности.

Значение коэффициента использования поверхности для идеальной поверхности равно единице, т.е.  . С учетом этого формула (10) приобретает вид:

 (11).

По условиям задачи , . Подставив эти величины в (11), получим, что . Величина  не имеет размерности.

Перейдём к децибельной мере:

Получили, что

Распространение радиоволн - Задача 5

антенна направленность сигнал радиоволна

 Для линии радиосвязи Земля/космический аппарат определить предельное расстояние, на котором земная станция будет принимать сигналы космического аппарата, основные потери передачи в свободном пространстве и полные потери передачи на трассе. Исходные условия: частота передатчика земной станции ; коэффициент усиления передающей и приёмной антенн земной станции ; мощность передатчика на земной станции ; минимальная мощность, которая регистрируется приёмником земной станции ; космический аппарат выполняет роль пассивного ретранслятора, его эффективная площадь рассеяния в направлении на приёмную антенну равна .

Решение. Из [5] для радиолинии 2-го рода имеем:

 (12),

где:

 - мощность на входе РПУ;

 - мощность на выходе РПД;

 - кпд передающего фидера;

 - коэффициент усиления передающей антенны;

 - коэффициент усиления приёмной антенны;

 - кпд приёмного фидера;

 - эффективная площадь рассеяния в направлении на приёмную антенну;

 - расстояние от земной станции до космического аппарата;

 - расстояние от космического аппарата до земной станции.

Мы знаем, что  и . Выразим из (12) :

 ( 13).

Определим длину волны: . Переведём в разы коэффициенты усиления передающей и приёмной антенн земной станции: . Теперь, зная чему численно равна каждая величина из (13), определим предельное расстояние, на котором земная станция будет принимать сигналы космического аппарата:

 (14).

Получили, что .

Формула для вычисления основных потерь передачи в свободном пространстве, согласно [5], имеет вид:

 (15).

Подставив в (15) численные значения, получим:

 (16).

Представим  в децибелах: .

Получили, что .

Формула для вычисления полных потерь передачи на трассе, согласно [5] будет выглядеть:

 (18).

Подставив в (18) численные значения, получим:

 (19).

Представим  в децибелах: .

Получили, что .

Использованные ресурсы

1. Кубанов В.П. Антенны и фидеры - назначение и параметры. -

Самара, ПГУТИ, 2012. -60 с.: ил.

. Кубанов В.П. Линейные симметричные электрические вибраторы в свободном пространстве. Учебное пособие для вузов. - Самара, ПГУТИ, 2011. - 52 с.: ил.

. Кубанов В.П. Направленные свойства антенных решеток. Учебное

пособие для вузов. - Самара, ПГУТИ, 2011. - 56 с.: ил.

. Кубанов В.П. Излучение возбужденных поверхностей. Учебное

пособие для вузов. - Самара, ПГУТИ, 2011. - 56 с.: ил.

. Слайды к лекциям профессора Кубанова В.П. по дисциплине «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн»