Расчет характеристик рамочной антенны зенитного излучения

Расчет характеристик рамочной антенны зенитного излучения (Ложка
дегтя в бочке меда)
Во-первых, определим диапазоны применимых частот и углы наклона
лучей на радиолиниях малой протяженности до 1000 км.
В соответствии с (1) диапазон применимых частот в зависимости от
протяженности радиотрасс приведен на рис.1.
Зависимость МПЧ от протяженности трассы и
солнечной активности
40,0
35,0
30,0
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
0
400
800
1200
1600
2000
2400
2800
3200
3600
4000
4400
4800
5200
лето день, маскимум активности
зима ночь, минимум активности
зима ночь, минимум активности. Возмущение на Солнце
Рис.1
Рассматриваемые рамочные антенны зенитного излучения РАЗИ
применяются на радиотрассах сравнительно небольшой протяженности (до
км). В этом случае диапазон применимых частот приведен на рис.2
Зависимость МПЧ от протяженности трассы и
солнечной активности
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
0,0
0
400
800
1200
1600
2000
лето день, маскимум активности
зима ночь, минимум активности
зима ночь, минимум активности. Возмущение на Солнце
Рис.2
Диапазон применимых частот в ночное время составляет для радиотрасс
протяженностью 400 км – от 1.5 до 2 МГц, а для радиотрасс протяженностью
1000 км – от 1.5 до 3 МГц.
Таким образом для малогабаритных антенн зенитного излучения
особенное значение приобретает вопрос получения приемлемого
коэффициента усиления в нижней части КВ диапазона (специально
употребляю старый советский термин, так как это не ДКМВ (ВЧ) диапазон).
В дневное время при высокой солнечной активности максимальная
применимая частота (МПЧ) поднимается до 15 МГц, нижняя применимая
частота определяется энергетикой радиолинии.
Углы наклона лучей на радиолинии в зависимости от дальности до
корреспондента и высоты отражающего слоя приведены на рис. 3.
рис.3
На радиолиниях протяженность до 1000 км в основном преобладают
односкачковые радиотрассы (1). В этом случае углы прихода составляют от 90
до 15 градусов.
Известные варианты исполнения (РАЗИ) П-образных
приведены на рис. 4…7. Данные результаты взяты из (2).
антенн
рис.4
Рис.5
Рис. 6
рис.7
Как следует из рис. 4…7 в нижней части КВ диапазона данные антенны
имеют низкий коэффициент усиления, сильно зависящий от подстилающей
поверхности.
С целью определения параметров РАЗИ был выполнен расчет их
характеристик. Расчет проводился с использованием программы
и MAA NEC 18 в условиях реальной земли.
Внешний вид антенны приведен на рис.8.
Рис. 8.
Результаты расчетов приведены на рис.9… 24.
Расчет выполнялся для плохих параметров почвы с низкой
проводимостью (относительная диэлектрическая проницаемость – 5, удельная
проводимость 0,001 Сим/м) и высоты подвеса нижней точки антенны
относительно земли 1м.
Рис.9
Рис.10
Рис.11
Рис.12
Рис.13
Рис.14
Рис.15
Рис.16
Рис.17
Рис.18
Рис. 19
Рис.20
Рис.21
Рис.22
Рис.23
КУ РАЗИ
5,00
0,00
-5,00
-10,00
-15,00
-20,00
-25,00
-30,00
0
2
4
6
КУ дБ
8
10
12
КУ дб расчеты
Рис.24
Как видно из результатов расчета при использовании программы
учитываются потери в проводниках антенны, а при использовании MAA NEC
потери в ближней зоне в реальной земле.
Из результатов расчета также видно, что при использовании данных
программных средств получается существенно завышенный коэффициент
усиления РАЗИ, по сравнению с классическими результатами, полученными
теоретическим и расчетным путем (2).
Рассматриваемая рамочная антенна имеет размеры 2,5 на 1 м. Диаметр
проводника 3 см. Высота подвеса антенны 1 м.
Для обеспечения согласования РАЗИ с выходом передатчика (входом
приемника) производится их настройка с помощью согласующего антенного
устройства (САУ). Такое САУ представляет из себя Г-образный емкостной
делитель из конденсаторов переменной емкости. Распределение тока
регулируется с помощью настраиваемых концевых нагрузок. Обычно это
также конденсаторы переменной ёмкости. В нижней части КВ диапазона
обычно используется короткое замыкание конца антенны на корпус.
В случае настройки РАЗИ эквивалентна настроенному в резонанс
колебательному контуру с потерями.
Дальнейшие оценки приведены для настроенной антенны.
Общеизвестно, что идеальная добротность Q малой (по сравнению с
длиной волны) рамки высока, и поэтому полоса пропускания 2Δf = f 0/Q
составляет не более нескольких процентов от ее резонансной частоты.
Полоса пропускания 2Δf РАЗИ определяется при КБВ в фидере
изменяющемся от единицы на частоте f 0 до примерно 0,38 на частотах f 0 ±
Δf.
Реальная добротность РАЗИ, как и обычного колебательного контура,
равна отношению индуктивного сопротивления на резонансной частоте X =
2πf 0L к активному: Qр = X/2(R∑ + Rn). Двойка в знаменателе введена для
учета трансформированного к рамке выходного сопротивления передатчика
или входного сопротивления приемника, равных (по условиям согласования)
активному сопротивлению антенны. У антенны без потерь (Rn = О, КПД = 100
идеальная добротность - конечная величина, поскольку остаются полезные
потери на излучение: Q0 = X/2R∑. При этом КПД = Qр/Q0.
Аппроксимируем РАЗИ круглой рамочной антенной с равным
периметром.
Формулу для расчета идеальной добротности возьмем из (3).
Где β = ln(D/d);
р – периметр антенны;
диаметр рамки;
d
диаметр проводника.
Идеальная добротность РАЗИ приведена на рис.25.
Расчетный КУ РАЗИ приведен на рис. 24.
Примем КНД РАЗИ, размещенной над реальной почвой на высоте 1м,
за 3 дБ.
Полученный для этого случая кпд РАЗИ приведен на рис.28.
Теперь определим реальную добротность антенны:
р = Q0 КПД
Величина реальной добротности приведена на рис. 26, а полосы
пропускания на рис. 27.
Из графика видно, что в нижней части КВ диапазона величина реальной
добротности составляет несколько тысяч, а реальная полоса пропускания
составляет порядка нескольких сотен, что не подтверждается результатами
практических экспериментов.
Q0
1,00E+06
1,00E+05
1,00E+04
1,00E+03
1,00E+02
1,00E+01
1,00E+00
0
2
4
6
8
10
12
10
12
Рис.25
Qр
2500
2000
1500
1000
500
0
0
Рис.26
2
4
6
8
Реальная полоса пропускания, Gz
100000,00
10000,00
1000,00
100,00
10,00
1,00
0
2
4
6
8
10
10
12
12
Рис.27
КПД
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
0
Рис.28
2
4
6
8
14
Выводы.
рограммы MMANAGAL_Basic и MAA NEC 18 не позволяют
правильно производить расчет параметров малогабаритных РАЗИ и
дают на порядок завышенное значение коэффициента усиления.
змеряя полосу пропускания настроенной РАЗИ по уровню КБВ
более 0,38 и производя расчет идеальной добротности антенны
можно давать приблизительную оценку коэффициента усиления
антенны, не прибегая к трассовым измерениям.
Литература
Коротко-волновые антенны. Г.З. Айзенберг, С.П. Белоусов, Э.М. Журбенко,
Г.А. Клигер, А.Г. Курашов, М. «Радио и связь» 1985 г. 535 с.
Характеристики антенн радиосистем связи. И.Н. Гвоздев, Ю.К. Муравьев, В.П.
Серков, В.П. Чернолес. Военная ордена Ленина краснознаменная академия
связи им. С.М. Буденного. Ленинград 1978 г. 231 с.
Сайт Автор: Владимир Поляков (RA3AAE), г.Москва