Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электромагнитная экология, ее требования и методы проектирования проволочных антенн для систем связи и вещания
1.1. Современные методы обеспечения электромагнитной экологии передающих антенн 11
1.2. Интегральные уравнения для токов в проволочной антенне 16
1.3. Решение интегральных уравнений методом моментов 24
1.4. Базисные функции 3 О
1.5. Поле вблизи места установки антенны 33
1.6. Постановка задачи исследования 39
Глава 2, Методика анализа антенной системы
2.1. Распределение токов в системе проводников 40
2.2. Напряженность электрического поля вблизи антенны и ее диаграмма направленности 47
2.3. Учет влияния земной поверхности 53
Выводы по второй главе 57
Глава 3. Анализ влияния конструктивных элементов антенной решетки на распределение поля вблизи места установки антенны
3.1. Влияние геометрии оттяжек на поля под антенной 58
3.2. Влияние вибраторов и оттяжек с реактивными нагрузками на поле под антенной и диаграмму направленности 68
3.3. Исследование напряженности электрического поля для реальной УКВ радиостанции 75
3.4. Оптимизация антенной системы УКВ радиостанции 80
Выводы по третьей главе 86
Глава 4. Синтез вибраторной антенной решетки с учетом требований электромагнитной экологии
4.1. Элементы теории синтеза антенн 88
4.2. Синтез антенны с учетом требований электромагнитной экологии
4.3. Решение задачи синтеза для вертикальной антенной решетки с учетом требований электромагнитной экологии 98
Выводы по четвертой главе 125
Заключение 126
Литература 128
Приложение
- Интегральные уравнения для токов в проволочной антенне
- Напряженность электрического поля вблизи антенны и ее диаграмма направленности
- Влияние вибраторов и оттяжек с реактивными нагрузками на поле под антенной и диаграмму направленности
- Синтез антенны с учетом требований электромагнитной экологии
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время сложилась устойчивая тенденция развития телекоммуникационных систем, в частности сотовой связи и персонального радиодоступа. Увеличивается число телевизионных и радиовещательных каналов, обслуживающих потребности частного бизнеса, государственных предприятий и населения, что приводит к быстрому росту количества радиопередающих устройств.
Указанная тенденция увеличения объемов передаваемой информации приводит к электромагнитному загрязнению окружающей среды. Контроль защиты населения от вредного воздействия электромагнитного поля осуществляют государственные органы надзора. Ими устанавливаются санитарные нормы и правила, которые определяют требования к передающим радио-, телевизионным, радиолокационным станциям и другим объектам, излучающим электромагнитную энергию в окружающую среду. Обеспечивая требования этих документов, нормирующих уровень электромагнитного поля вблизи антенной системы у поверхности земли, приходится снижать мощность передатчика, уменьшая тем самым зону обслуживания. Сложившаяся ситуация осложняется тем, что при размещении новых излучающих устройств необходимо учитывать суммарные мощности электромагнитных полей всех действующих источников. Таким образом, требования экологической безопасности к каждому передатчику ужесточаются. Кроме того, в настоящее время, прослеживается мировая тенденция ужесточения требований электромагнитной экологии.
Основным элементом радиопередающей системы, который определяет выполнение санитарных норм, является антенна. На практике антенные системы проектируют с учетом технических требований и уже для разработанной антенны проводят расчёт санитарно-защитной зоны.
В связи с этим научно-техническая проблема построения антенных решеток (АР) с одновременным учетом технических и экологических требований, исследования влияния мачты и оттяжек на характеристики направленности антенн и размеры санитарно-защитной зоны является актуальной.
Значительная роль в разработке данной проблемы, методической и нормативной документации по электромагнитной экологии принадлежит представителям самарской школы: Ю.М Сподобаеву, А.Л. Бузову, В.А. Романову. Так же значительный интерес представляют результаты работ А.В. Маторина, СИ. Эминова, В.А. Неганова, И.В. Матвеева. Однако задача далека от окончательного разрешения.
Цель работы: расширение возможностей обеспечения норм электромагнитной экологии вблизи передающих антенн систем связи и вещания без ухудшения их технических характеристик.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
? разработка математической модели АР с учетом элементов крепления и влияния поверхности земли;
? определениедсследование распределения токов, диаграмм \s направленности (ДН) и компонент электромагнитного поля вблизи антенной системы, основанное на использовании интегральных уравнений и их численном решении;
численный анализ комплексной ДН и структуры поля вблизи антенной системы, а также влияния мачты и оттяжек.
? анализ возможностей управления электромагнитным полем вблизи поверхности земли у антенны, путем включения в оттяжки полуволновых отрезков с реактивными нагрузками.
? оптимизация антенной системы по критериям минимального ограничения мощности и минимизации санитарно-защитной зоны.
Разработка методики и решения задачи синтеза вибраторной АР по требованиям к ДН и структуре поля вблизи антенной системы.
Методы исследования. В диссертационной работе использовались численные и аналитические методы решения задач анализа и синтеза; метод математического моделирования излучающих систем; аналитический аппарат электродинамики; численные методы решения интегральных уравнений; методы оптимизации. При решении задач использованы современные программные средства, в том числе прикладные пакеты программ Maple 9 и MMANA.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждена строгостью математических методов, корректным использованием математического аппарата, согласованием основных научных положений с результатами экспериментальных исследований, совпадением полученных результатов с результатами других авторов.
Научная новизна состоит в следующем:
1. Проведен численный анализ структуры электромагнитного поля вблизи места размещения антенной системы и комплексной ДН с учетом влияния мачты и оттяжек на структуру поля вблизи антенной системы.
2. Предложено и обосновано техническое решение по управлению электромагнитного поля санитарно-защитной зоны путем введения в оттяжки полуволновых отрезков с реактивными нагрузками .
3. Сформулированы и решены задачи оптимизации антенн с одновременным учетом технических требований и электромагнитной экологии: задача минимизации санитарно-защитной зоны и задача максимизации допустимой мощности передатчика.
4. Поставлена и решена задача синтеза вибраторной АР по заданной ДН при ограничении уровня напряженности электромагнитного поля вблизи места установки вибраторной АР.
5. Предложена и разработана методика проектирования антенн с одновременным учетом технических требований и требований электромагнитной экологии. Практическая ценность. Результаты работы в виде предложенных способов, технических решений позволяют описать влияние мачты и оттяжек на структуру поля вблизи антенной системы. Предложенные способы и технические решения позволяют учесть электромагнитную экологию уже на этапе проектирования, что обеспечивает заданную зону покрытия с меньшими энергетическими затратами и меньшим электромагнитным загрязнением среды.
Внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы использовались в НИР: по НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в подпрограмме 209 - «Информационно-телекоммуникационные технологии», проект 02.01.009 «Разработка методов планирования и оптимизации использования частотно-территориальных ресурсов для служб подвижной радиосвязи на основе геоинформационных технологий и оптимизации характеристик антенн», (номер гос. per. 01.2.00.305534); и проект 02.01.008 «Разработка принципов построения и оптимизации параметров систем мобильной связи на базе применения интеллектуальных многолучевых антенных устройств», (номер гос. per. 01.2.00.305532).
Методика расчета и проектирования антенн с учетом экологической безопасности внедрена в учебный процесс кафедры радиотехники и радиотехнических систем ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова».
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях и семинарах: XXXIV научной конференции по гуманитарным, естественным и техническим наукам ЧТУ, г. Чебоксары, 2001 г.; VI Всероссийской научной конференции по радиофизике, Нижегородский государственный университет, Н-Новгород, 2002 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии», г. Сочи, 2004 г.; Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий», г. Сочи, 2004; Международной молодежной научной конференции «XII Туполевские чтения», г. Казань, 2004; Всероссийской научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование Казань — 2004», г. Казань, 2004.
Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 11 опубликованных работах автора, среди них статей — 2, отчетов по НИР — 1, тезисов докладов — 8.
Объём и структура работ. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников литературы и приложений. Материал изложен на 184 странице компьютерной верстки, в том числе основной текст — на 143 страницах. В работе 7 таблиц, 90 рисунков, список литературы включает 163 наименования.
Научные положения, выносимые на защиту:
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Результаты численного анализа структуры электромагнитного поля вблизи места размещения антенной системы и комплексной ДН с учетом влияния мачты и оттяжек на структуру электромагнитного.
2. Техническое решение по управлению электромагнитного поля санитарно-защитной зоны путем введения в оттяжки полуволновых отрезков с реактивными нагрузками.
3. Оптимизация антенн с одновременным учетом технических требований и электромагнитной экологии: задача минимизации размера санитарно-защитной зоны и задача максимизации допустимой мощности передатчика.
4. Поставка и решение задачи синтеза вибраторной АР по заданной ДН при ограничении уровня электромагнитного поля вблизи вибраторной АР.
5. Методика проектирования антенн с одновременным учетом технических требований и требований электромагнитной экологии. Содержание работы В первой главе раскрыто содержание проблемы проектирования антенных систем с учетом технических и экологических требований, проведен анализ современного состоянии вопроса установления экологических требований. Сформулирована задача исследований.
Во второй главе для расчета распределения токов по системе проводников антенны и металлическим элементам конструкции записана система интегральных уравнений Поклингтона. Для решения системы интегральных уравнений обосновано применение метода моментов и метода коллокаций. Путем разложения тока элементарного участка антенны на три ортогональные составляющие и покоординатного суммирования их полей получены соотношения, позволяющие рассчитать распределение напряженности поля вблизи антенны и ее ДН. В приближении геометрической оптики получены соотношения, позволяющие производить учет влияния поверхности земли. Подтверждена правильность разработанных алгоритмов на примере решения модельной задачи расчета распределения тока, по Г-образному излучателю над металлической плоскостью и сравнении полученных данных с опубликованными результатами других авторов.
В третьей главе приведены расчеты параметров АР и полей вблизи места установки для сплошных оттяжек, оттяжек разбитых на четвертьволновые и полуволновые отрезки, для различных углов между мачтой и оттяжкой. Показано, что оттяжки влияют на распределение поля вблизи антенной системы у поверхности земли, причем степень влияния уменьшается в следующем порядке: оттяжки разбитые на полуволновые отрезки, сплошные оттяжки, оттяжки разбитые на четвертьволновые отрезки. Показано, что при построении антенных систем, угол между оттяжками и мачтой необходимо выбирать не только по механическим критериям, но и по ее влиянию на электромагнитное поле в непосредственной близости от антенной системы. Предложено включать в состав оттяжек полуволновые отрезки с реактивными нагрузками для управления структурой электромагнитного поля вблизи антенной системы у поверхности земли. Показано, что экспериментальное измерение напряженности электрического поля у поверхности земли для УКВ радиостанции достаточно хорошо совпадает с результатами расчетов, что подтверждает правильность выбранной методики. В расчетах для реальной конструкции УКВ радиостанции показано, что выбором положений полуволновых отрезков в оттяжках и величин включенных в них реактивных нагрузок можно эффективно управлять распределением поля вблизи антенной системы у поверхности земли. При решении задачи минимального ограничения моыщости удалось выбором конструкции оттяжек увеличить мощность передатчика в 1,5 раза.
В четвертой главе задача проектирования передающей антенны поставлена как задача синтеза по заданной ДН с ограничениями на норму напряженности электрического поля в области под антенной у поверхности земли. Записан прямой оператор задачи проектирования вибраторной АР на основе решения интегральных уравнений для токов в системе с учетом влияния поверхности земли. Получены комплексные ДН отдельных излучателей в АР и соответствующие им распределения электрического поля над поверхностью земли на высоте, определяемой санитарными нормами. Разработан алгоритм, составлена программа и решены задачи синтеза вибраторной АР по заданной косекансной ДН и по максимуму КНД с учетом требований к электромагнитной экологии. На примерах решения задач синтеза для АР из шести вертикальных вибраторов показано, что предложенная форма учета требований к электромагнитной экологии позволяет снизить уровень поля под антенной или при удовлетворении требований к максимально допустимому уровню поля увеличить мощность передатчика в 3,3 раза.
В Заключении приведены основные результаты диссертационной работы показывающие, что частные задачи диссертационной работы решены а, следовательно, решена задача исследований, заключающаяся в разработке методики, алгоритмов и программных средств проектирования проволочных антенн для систем связи и вещания с заданными техническими параметрами и улучшенной электромагнитной экологией.
Интегральные уравнения для токов в проволочной антенне
При анализе антенн задачу делят на две: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя задача состоит в нахождении функции распределения высокочастотных токов по излучающей системе. Во внешней задаче определяются электромагнитное поле излучения антенны и другие числовые характеристики [21, 27, 67, 108].
Расчет антенн из тонких проводников, как правило, сводится к преобразованию уравнений Максвелла к интегродифференциальным или интегральным уравнениям для распределения поверхностного тока на проводнике. К настоящему времени известны три основных уравнения: интегродифференциальные уравнения Поклингтона и Харрингтона, а так же интегральное уравнение Галлена [8, 22, 25, 34, 37, 56, 62, 67, 90, 133, 136, 138-140,143,145,151].
Симметричный полуволновый вибратор и, следовательно, распределению поверхностного тока можно сопоставить эквивалентный нитевидный линейный источник, расположенный на расстоянии а от точки наблюдения. Таким образом, считая, что выражение (1.6) для Ёг дает рассеянное поле, и, переходя от объемной плотности эквивалентного тока к поверхностной, приходим к уравнению [35, 151] /2 где (2) — падающее (или наведенное) поле, которое можно считать однородным по азимуту вдоль поверхности цилиндра, так как рассматриваются тонкие проводники. Пределы интегрирования определяются продольными размерами диполя, простирающегося от z = -//2 до z— 1/2 (рис. 1.1). Уравнение (1.7) сходно с уравнением, использованным Поклингтоном [151] для доказательства того, что распределение тока в тонком проводе близко к синусоидальному, а скорость волны тока равна скорости света. Уравнение (1.7) есть интегральное уравнение первого рода. Не делалось предположения о том, что диполь или цилиндрический проводник является бесконечно тонким. Вместо этого было использовано так называемое приближение тонкого вибратора, то есть радиус проводника считался много меньшим длины волны, но конечным.
Решение задачи об излучении симметричного электрического вибратора в строгой электродинамической постановке впервые было получено Галленом и независимо от него советскими учеными М.А. Леонтовичем и М.Л. Левиным [66, 136, 143]. Это решение состоит в следующем.
Под действием напряжения генератора, приложенного к зажимам вибратора (стороннее напряжение), на поверхности вибратора возникает поверхностный электрический ток (предполагается, что вибратор выполнен из идеального проводника). Напряженность электрического поля, создаваемого текущим по вибратору током, может быть определена по формуле (1.2).
Можно считать, что излученное вибратором поле создается только продольной составляющей поверхностного тока /(г ) и можно пренебречь торцевыми составляющими тока (весьма тонкий вибратор). Также можно не учитывать излучение, существующее в зазоре Д между плечами вибратора кольцевого магнитного тока, так как радиус вибратора мал по сравнению с длиной волны и путь магнитного тока во много раз меньше пути, по которому течет ток /(z ).
Решение интегрального уравнения Галлена для различных случаев было получено многими авторами. Особенно значительной представляется работа Мея [147], в которой уравнение Галлена обобщено на антенны с произвольной геометрией. Обзор работ, относящихся к интегральному уравнению Галлена, дан Кингом [142].
При исследовании проволочных антенн можно исходить как из уравнения Поклингтона или Харрингтона, так и из уравнения Галена и с помощью этих уравнений найти функцию распределение тока, а затем вычислить интересующие нас электродинамические параметры. В работах ученых самарской школы и в методических указаниях для определения уровней напряжений в России используется уравнение Харрингтона. Но уравнение Поклингтона оказывается в известном смысле более общим. В самом деле, в правую часть интегрального уравнения Поклингтона входит величина Е г, определяющая поле, создаваемое источником. Источником может быть, например, раскрыв коаксиальной линии, возбуждающей антенну на заземленной плоскости. Или, например, в случае щелевой антенны на металлическом теле в качестве источника Ё\ можно рассматривать щель, а металлическую поверхность характеризовать или моделировать пассивными элементами антенны или проволочными сегментами. В то же время в интегральном уравнении Галлена для описания возбуждения используется исключительно генератор напряжения, приложенного к бесконечно узкому зазору, что не дает желательной гибкости в выборе различных источников возбуждения. Кроме того, хотя приближение бесконечно узкого зазора весьма полезно, оно значительно хуже, чем модели с конечными источниками, описывает реальную физическую картину и может привести к трудностям при вычислении с большой точностью мнимой части входного импеданса [35].
Напряженность электрического поля вблизи антенны и ее диаграмма направленности
Поле излучения и ДН определяют для дальней зоны антенны. Поле вблизи основания мачты (рис, 2.6) находится в ближней зоне для всей антенной системы. Это очевидно хотя бы потому, что мачта и оттяжки сами являются элементами антенной системы, влияя на ее поле и ДН. Проволочную антенну, мачту и оттяжки можно разбить на элементарные прямолинейные излучатели, что естественно происходит при сведении системы интегральных уравнений для токов к СЛАУ. Для элементарного излучателя известна структура поля на любом расстоянии от него. Суперпозиция полей элементарных излучателей даст поле всей антенны. Такое векторное суммирование полей с учетом их амплитуд, фаз и геометрического положения элементарных излучателей достаточно громоздко. Его целесообразно проводить для решения задач анализа не очень сложных антенн. Для сложных геометрий, при большом числе элементарных излучателей, решении задач синтеза можно существенно упростить расчеты, если для каждого отдельного элемента, ввиду его малости, поле в точке наблюдения считать полем излучения в дальней зоне. Такой прием предложен в работе [57].
Полная напряженность электрического поля в точке наблюдения складывается от напряженности электрического поля отдельных элементов. Ток каждого прямолинейного элементарного излучателя / известен после решения СЛАУ. Ток элементарного излучателя разложим на три составляющие по х, у и z (рис. 2.7). Сначала рассмотрим излучение составляющей тока по z.
Учесть влияние земной поверхности на структуру поля системы проводников достаточно сложно [1-4, 63, 124, 125]. Строгое решение задачи расчета напряженности поля вибратора, расположенного над плоской землей, без учета рельефа местности, конечной проводимости, получено в работах А. Зоммерфельда и Г. Вейля.
На рис. 2.11 обозначено: А — центр симметричного вибратора (вертикального, расположенного вдоль оси г, или горизонтального, расположенного вдоль оси, параллельной оси у); А — зеркальное изображение точки А; С — точка приема; О и Со — проекции точек А и С на плоскость земли; В - точка отражения геометрического луча, приходящего в точку приема; h и z - высота расположения точек АиС над землей; г, га и г — соответственно радиус-векторы, соединяющие точки А, О к А с точкой С; R — проекция этих радиус-векторов; ф - азимут радиус-векторов.
В нашем случае земная поверхность обладает большой проводимостью, поэтому влияние токов, возникающих на ее поверхности, можно учесть, вводя зеркальные изображения токов антенны. Так как проволочная антенна разбивается на элементарные участки, то рассмотрим напряженность электрического поля для элементарного участка расположенного над земной поверхностью. В этом случае земная поверхность может быть заменена зеркальным отображением элементарного участка, причем ток в изображении будет равняться току в элементарном участке, умноженному на коэффициент отражения [45, 49]. Коэффициент отражения от земной поверхности зависит от параметров земли, угла падения и поляризации. Различают два вида поляризации: параллельная и нормальная. Параллельно-поляризованной называется волна (рис. 2.12), у которой вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости падения. Нормально-поляризованной называется волна (рис. 2.13), у которой вектор напряженности электрического поля перпендикулярен плоскости падения.
Ток произвольно ориентированного проводника необходимо разделить на две составляющие — лежащую в плоскости падения и нормальную к ней. В этом случае первая составляющая создает поле только с параллельной поляризацией, вторая с нормальной поляризацией.
Пусть плоскость земной поверхности совпадает с плоскостью Оху. Напряженность поля отраженной волны можно определить по тем же формулам, что описаны в пункте 2.2, при этом используется расстояние от точки изображения до точки наблюдения, то есть вместо составляющей будет 2rz, а вместо г будет г = J{2rx )2 + rl + r2y . Вследствие конечной проводимости земной поверхности изменится значение тока, следующим образом Выводы по второй главе: 1. Для расчета распределения токов в системе проводников антенны и металлических элементах конструкции записана система интегральных уравнений Поклингтона. Для решения системы интегральных уравнений обосновано применение метода коллокаций. 2. Получены соотношения, позволяющие рассчитать распределение напряженности поля вблизи антенны и ее ДН путем разложения тока элементарного участка антенны на три ортогональные составляющие и покоординатного суммирования их полей. 3. В приближении геометрической оптики получены соотношения, позволяющие производить учет влияния поверхности земли. 4. На примере решения модельной задачи расчета распределения тока, по Г-образному излучателю над металлической плоскостью и сравнении полученных данных с опубликованными результатами других авторов, подтверждена правильность разработанных алгоритмов.
Влияние вибраторов и оттяжек с реактивными нагрузками на поле под антенной и диаграмму направленности
Управляя распределением тока в антенной системе можно управлять электромагнитным полем, как вблизи антенны у поверхности земли, так и вдалеке. Предлагается включать в состав оттяжек полуволновые отрезки с реактивными нагрузками. При изменении реактивных сопротивлений изменяются амплитуды и фазы токов, наводимых активными вибраторами в оттяжках. Рассмотрим, как зависят параметры антенной системы (Z, КСВ, Ga ) и напряженность электрического поля на высоте 2 м над поверхностью земли, от реактивного сопротивления, подключаемого к полуволновому отрезку в оттяжке, разбитой на четвертьволновые отрезки.
Место полуволнового отрезка в оттяжке и величину включаемого реактивного сопротивления найдем, проведя их оптимизацию методом перебора. Оттяжку разобьем на четвертьволновые отрезки. В первом случае, первый полуволновый отрезок получим путем соединения первого и второго четвертьволновых отрезков, остальная часть оттяжки остается разбитой на четвертьволновые отрезки (рис. 3.12). Для следующего случая, второй полуволновый отрезок получили путем соединения третьего и четвертого четвертьволновых отрезков (рис. 3.13). Третий, четвертый и так далее полуволновые отрезки образовывались аналогичным способом. В каждом выше указанном случае подключаем реактивное сопротивление к полуволновым отрезкам, которое меняем от -10000 Ом до 10000 Ом, с шагом реактивное сопротивле
Реактивное сопротивление в первом полуволновом отрезке 100 Ом. Оттяжка находится под углом 20 к мачте. Реактивное сопротивление в первом полуволновом участке оказывает наибольшее влияние на изменение параметров антенны, это связано с тем, что амплитуда тока в первом отрезке будет наибольшей по сравнению с другими случаями. При изменении реактивного сопротивления в первом полуволновом отрезке оттяжки коэффициент усиления антенной системы меняется незначительно: максимален 13,58 dbi при ]Х=50Л50 Ом, и минимален 12,38 dbi при jX=-lS Ом. В расчетах входные комплексные сопротивления излучателей не намного отличаются друг от друга, поэтому приводятся параметры первого излучателя. Незначительно меняются следующие параметры: KCBi минимален 1,8 при/ =-100 Ом и максимален 2,09 щж]Х[=-50 Ом; активное входное сопротивление минимально 77,2 Ом при jXi=-75 Ом и максимально 89,4 Ом лри/А7=25 Ом; реактивное входное сопротивление минимально 22,1 Ом при jXj=-300 Ом и максимально 34,6 Ом при/АО—50 Ом.
На рис. 3.14 — 3.15 показаны ДН в вертикальной плоскости при реактивных сопротивлениях JX=25, 100, 400, 10000, -25, -100, -500, -10000 Ом подключаемых к первому полу волновому отрезку оттяжки. ДН в горизонтальной плоскости имеет вид близкий к окружности. На основе данных графиком можно говорить о том, что форма ДН в вертикальной плоскости меняется несущественно. В то же время для любого передающего устройства важным является уровень электромагнитного излучения в непосредственной близости антенной системы.
При заданной конструкции антенны и мачты, фиксированной мощности передатчика нужно выбрать такое положение полуволнового отрезка в оттяжке и такое реактивное сопротивление, включенное в его середину, чтобы обеспечить минимальный размер санитарно-защитной зоны, т.е. минимизировать максимальное расстояние, на котором Щ Едоп.
По результатам расчетов было установлено, что при подключении реактивного сопротивления jXy=-75 Ом, к третьему полуволновому отрезку оттяжки уровень напряженности электрического поля вблизи антенной системы будет минимальный (рис. 3.16), а санитарно-защитная зона находится на расстоянии х=19,1 м (в этой точке Е=Еццу=3 В/м).
Сравним полученные данные с антенной системой, у которой оттяжка разбита на отрезки длиной А/4 (таблица 3.4). Форма ДН вертикальной плоскости практически не меняется (рис. 3.17). Больше всего меняются параметры второго вибратора: входное реактивное сопротивление на 51%, входное активное сопротивление на 12%, КСВ на 7%. Коэффициент усиления антенной системы меняется на 1,7%. В то же время уровень напряженности электрического поля вблизи антенной системы уменьшается на 30% - 40 %.. Распределение напряженности электрического поля по оси х, при реактивном сопротивлении jX = -75 Ом в третьем полуволновом отрезке оттяжки, когда оттяжка находится под углом сс=20 ДН в вертикальной плоскости при разбиении оттяжки на отрезки длиной XIА, и при оптимальном реактивном сопротивлении jX=-15 Ом, который подключается к третьему полуволновому отрезку оттяжки Так как амплитуда тока тем меньше, чем дальше пассивный излучатель от активного излучателя, то седьмой, восьмой, и так далее отрезки не вносят заметного вклада в распределения напряженности поля вблизи.
Синтез антенны с учетом требований электромагнитной экологии
Сначала построим прямой оператор задачи для АР, расположенной над земной поверхностью (рис. 4.1). В этом случае для каждого излучателя запишем отдельную комплексную ДН g„{) в плоскости xOz с учетом отражения от земной поверхности, причем излучатель возбуждается единичной амплитудой Un =1. Тогда комплексная ДН АР (e)=Z U(e), где Un — комплексное напряжение питания, подводимое к и-му излучателю; g„(Q) - комплексная ДН при единичном питании, подводимом к и-му излучателю, с учетом смещения от начала координат и отражения от земной поверхности; 6 - угол между осью Oz и направлением на точку наблюдения. К ДН АР предъявляются определенные требования, в зависимости от поставленной задачи. Она должна минимально отличатся от заданной ДН F Q), например, косекансной или дельта-функции (для получения максимального КНД).
Уже на этапе проектирования можно учесть требования электромагнитной экологии. Для этого вводим ограничение на норму напряженности электрического поля. Для каждого излучателя определяется распределение комплексной напряженности электрического поля Ёп{х) по х, с учетом отражения от земной поверхности при возбуждении излучателя единичной амплитудой.
Решение СЛАУ матрицы (4.6) дает приближение к заданной комплексной ДН. Матрица (4.8) дополнительно ограничивает уровень напряженности поля у поверхности земли. Выражение (4,7) по составляющей Ext в матричном форме примет вид а Втп г дтВ -а"тп тп +с, у тл ят тпX —у Re/n Imt/. = -к Путем изменения коэффициента С; можно добиться компромисса в удовлетворении технических и экологических требований предъявляемых к АР. Рассмотрим шесть вертикальных полуволновых вибраторов расположенные на расстоянии d друг от друга. Первый вибратор расположен на высоте А=4м от земной поверхности. Учет земной поверхности происходит путем введения шести зеркальных излучателей (рис. 4.2). Применяется методика описанная во 2-й главе. Свяжем с каждым излучателем прямоугольную систему координат cj(, т(, С,п располагая так, что ось C,t совпадает с осью соответствующего излучателя, а ось r\t была бы перпендикулярна плоскости расположения излучателя.
Кроме распределения напряженности электрического поля для синтеза антенны необходимо определить ее комплексную ДН. Для этого перейдем из декартовой системы в сферическую систему координат. Формулы перехода (2.3, 2.4). Выберем в качестве заданной ДН косекансную, с углом обзора 0=130 ... 160. Угол 9 берется от оси z, тогда косекансная функция от угла Л=90а-9 примет вид FM =cosec(A) = sec(9). Уровень напряженности поля рассмотривается по составляющей Ех. Проведя синтез с помощью выражения (4.9) получим следующие распределение амплитуд и фаз напряжения подводимые к излучателям на рисунках 4.9, 4.10 при Сх=0, на рисунках 4.11, 4.12 при СЛ=0,5, на рисунках 4.13,4.14 при С =1.
По полученным значениям подводимого напряжения определим ДН (рис. 4.15-4.18) и распределение Х-ой составляющей напряженности электрического поля по х (рис. 4.19-4.21). На рис. 4.15 и 4.16 представлена одна и та же ДН, в разных масштабах. Когда по осям одинаковые масштабы, то отличая между разными ДН плохо видны, поэтому ДН для других случаев приводятся в разных масштабах по осям. Мощность к передатчику подводится таким образом, что уровень напряженности электрического поля не должен превышать ПДУ=ЗВ/м.
По полученным значениям подводимого напряжения определили ДН (рис. 4.28-4.30) и распределения напряженности электрического поля по z (рис. 4.31-4.32), Мощность к передатчику будем подводить таким образом, что уровень напряженности электрического поля не должен превышать ПДУ 3=В/м. Тогда при С,2=0, напряженность электрического поля не будет превышать ПДУ, когда подводимая мощность Р 3,16 Вт, при 0 =0,5 Р 10,3 Вт, при Cz=\ Р \1,ЪЪ Вт.
Проведем синтез по максимуму КНД. В этом случае заданная ДН примет вид 8(0-0о), где 0о - угол направления максимума КНД. Пусть этот угол равен 91. В этом случае получим распределения амплитуд и фаз напряжений, подводимых к излучателям, приведенные на рис. 4.34, 4.35 при Сi=0, на рис. 4.36, 4.37 при С/=0,5, на рис. 4.38, 4.39 при С/=1. При С/=0 КНД=19,9, при С;=0,5 КНД=17,45 и при d=\ КНД=17,36.
