автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование, разработка и проектирование антенных систем ОВЧ и УВЧ диапазонов, размещаемых вблизи затеняющих металлоконструкций

У

государственный комитет российской федерации по связи и информатизации

самарский отраслевой научно-исследовательский

институт радио

На правах рукописи

Носов Николай Александрович

исследование, разработка и проектирование антенных систем овч и увч диапазонов, размещаемых вблизи затеняющих металлоконструкций

Специальность 05.12.07 - Антенны и СВЧ устройства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук Александр Львович Бузов

Самара - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................4

1. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА АНТЕННЫХ СИСТЕМ, ВКЛЮЧАЮЩИХ ИМПЕДАНСНЫЕ СТРУКТУРЫ И РАЗМЕЩАЕМЫХ

ВБЛИЗИ ЗАТЕНЯЮЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ.....................21

1.1. Характеристика объекта исследования и выбор метода электродинамического анализа.......................................................................21

1.2. Разработка электродинамических моделей антенных систем с импедансными структурами............................................................................27

1.3. Разработка методики и алгоритма анализа антенных

систем с импедансными структурами...................................>.».■.....................40

1.4. Решение тестовых задач, проверка внутренней сходимости......53

Выводы по разделу ................................................................................56

2. АНАЛИЗ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ С ИМПЕДАНСНОЙ СТРУКТУРОЙ И РАЗРАБОТКА ИХ ЭЛЕМЕНТОВ....................................59

2.1. Анализ и оптимизация импедансной структуры

с замкнутыми элементами при вертикальной поляризации.........................59

2.2. Анализ и оптимизация импедансной структуры

с замкнутыми элементами при горизонтальной поляризации.....................79

2.3. Анализ и оптимизация импедансной структуры

с незамкнутыми элементами (вертикальная поляризация)..........................94

2.4. Анализ импедансных свойств вибраторов и синтез согласующе-симметрирующего устройства на основе трехпроводной линии для симметричных вибраторов...............................105

Выводы по разделу ..............................................................................111

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ И РАДИОСВЯЗИ, РАЗМЕЩАЕМЫХ ВБЛИЗИ ЗАТЕНЯЮЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ И В РАМКАХ

КОМПЛЕКСНОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ ТИПОВЫХ БАШЕН.................114

3.1. Разработка алгоритма проектирования антенных систем.........114

3.2. Проектирование антенных систем вертикальной поляризации.....................................................................................................127

3.3. Проектирование антенных систем горизонтальной поляризации....................................................................................................145

3.4. Проектирование двухполяризационных антенных систем.......158

Выводы по разделу...............................................................................164

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АНТЕННЫХ СИСТЕМ, РАЗМЕЩАЕМЫХ БЛИЗИ ЗАТЕНЯЮЩИХ

МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ.........................................................................166

4.1. Экспериментальные исследования антенных систем вертикальной поляризации............................................................................166

4.2. Экспериментальные исследования антенных систем горизонтальной поляризации.........................................................................169

4.3. Практическая реализация и натурные испытания

антенных систем.............................................................................................174

Выводы по разделу...............................................................................184

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................187

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................196

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Типоразмеры излучающих элементов

антенных систем вертикальной и горизонтальной поляризации...............209

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Внешний вид практически реализованных

антенных систем..............................................................................................214

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акты внедрения результатов работы.................217

ВВЕДЕНИЕ

Наблюдающееся в последние годы устойчивое развитие телекоммуникационной отрасли в России и, в частности, стремительный рост числа действующих радиовещательных программ, телевизионных каналов, сетей и каналов подвижной связи знаменует, помимо прочего, конец экстенсивного этапа развития отечественной антенной техники телерадиовещания и радиосвязи.

Действительно, еще несколько лет назад на типовой башне областного радиотелевизионного передающего центра (ОРТПЦ) достаточно было разместить две телевизионные антенны (например, турникет на вершине и панельную на призме) и одну антенну ОВЧ ЧМ (обычно - штатную уголковую антенну передатчика «Дождь-2») и 2-3 антенны радиорелейных линий. В настоящее время антенное оборудование ОРТПЦ должно обеспечивать, как минимум, вещание 6-9 телевизионных и примерно такого же числа ОВЧ ЧМ программ, а также работу различных систем транковой и пейджерной радиосвязи. В ближайшей перспективе - дальнейший рост числа теле- и радиопрограмм, появление на башнях новых антенных систем.

На новом этапе развития передающего антенного оборудования телерадиовещания и радиосвязи, в условиях наличия сложностей для строительства новых антенно-мачтовых сооружений, требуется реконструкция действующих башен с целью наращивания числа одновременно работающих радиосредств и использование для размещения антенн неспециализированных сооружений, а это, в свою очередь диктует необходимость создания соответствующих типов новых антенн и антенных систем. Новые антенны должны быть достаточно широкополосными (возможность излучения сигналов нескольких каналов или программ одной антенной), легкими (дополнительная нагрузка на башню или сооружение) и недорогими. Наиболее существенным все чаще оказывается относительно новый для сухопутных служб фактор: отсутствие свободного места на участках башен с типовыми сечениями, вследствие чего антенну приходится

размещать на нештатных местах, например на поясах пирамидального участка башни, ограждении рабочих площадок и т.п., в том числе - в непосредственной близости от затеняющих металлоконструкций.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема дальнейшего развития теории, техники и элементной базы антенных устройств, применительно к задачам анализа, проектирования и реализации антенных систем, создания антенн с малым (до четырех) количеством облегченных излучателей в этаже, обеспечивающих круговую азимутальную диаграмму направленности (ДН) при затеняющем действии металлоконструкций башни.

Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.

Обеспечение всенаправленной (близкой к круговой) диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, как правило, требуется для передачи радиовещания, телевидения, для центральных станций систем транковой подвижной связи. В разное время и для разных систем эта задача решалась различными средствами с использованием сильно отличающихся технических решений.

Наиболее очевидным из этих решений является размещение тонкой относительно длины волны антенны с вертикальной поляризацией на верху опоры с тем, чтобы излучение этой антенны не было бы затенено не прозрачными для радиоволн конструкциями или посторонними предметами. Такие антенны выполняются, например, в виде многоэтажных антенных решеток по одному вибратору в этаже (коллинеарные антенны) [58, 96] , производятся многими фирмами [42, 43, 45] и находят широкое применение в системах подвижной связи, преимущественно транковых. Очевидным недостатком такого рода антенн является необходимость их размещения на верху опоры - во избежание затенения телом опоры. Указанный недостаток существенен вообще, поскольку опора используется неинтенсивно, но особенно важен для настоящего времени, когда новые опоры почти не строятся из-за финансовых трудностей, а места на вер-

хушках имеющихся опор давно заняты. Другим недостатком коллинеарных антенн являются проблемы с механической прочностью: длинная тонкая антенна не может быть самонесущей конструкцией. Выход находится в упрочнении конструкции диэлектрических кожухов, требующихся для защиты от воздействия климатических факторов. Эти кожухи выполняются из пластика, упрочненного стекловолокном и, таким образом, выполняют сразу две функции. Однако, прочность их имеет предел, и высота реально осуществимой конструкции оказывается недостаточной для относительно длинных волн, в частности, метровых. В связи с этим для относительно высоких антенн используют металлическую опору, на которой закрепляют, на некотором расстоянии от опоры, вертикальные вибраторы один над другим по одному в этаже [44, 46, 47]. Разумеется, диаграмма направленности в горизонтальной плоскости при этом искажается; с этим мирятся, но, разумеется, это не перестает быть существенным недостатком.

Если необходимо использовать горизонтальную поляризацию, как, например, при передаче телевидения, используют турникетные антенны [47]. Недостатки этих антенн, применительно к современному положению вещей, по существу, те же, что и отмеченные выше - необходимость размещения на самом верху опоры и ограничение высоты, так как осевая несущая вертикальная труба должна быть относительно тонкой и потому не может быть высокой.

Размещение антенн по телу опоры гораздо более перспективно. Если на верху опоры можно разместить одну антенну, то по телу, например, типовой телевизионной опоры можно разместить до десяти и даже более антенн. Проблема затенения решается выполнением антенны в виде антенной решетки с требуемым для сохранения равномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости числом излучателей в этаже [47]. Для телевизионных антенн, с учетом фазового сдвига между соседними излучателями, необходимого для компенсации отражений, это означает, что максимально допустимое расстояние между центрами ближайших излучателей должно быть около половины длины волны на рабочей частоте, т.е. при большом сечении опоры, харак-

терном для средних и нижних высотных отметок, число излучателей в этаже также должно быть большим. Таким образом получается, что при числе этажей, необходимом для обеспечения требуемого коэффициента усиления, антенна получается весьма сложной и дорогой. Вследствие упомянутых причин телевизионные антенны, особенно для дециметровых каналов, размещают только в верхней части опоры, где ее сечение относительно невелико (для типовой опоры 3803КМ-4 - на призме).

Под руководством А.Л. Бузова выполнен комплекс исследований, позволивших радикально сократить стоимость всенаправленных многоэлементных антенн, размещаемых вокруг опор большого поперечного сечения, в расчете на один передаваемый частотный канал [4, 8-14, 16-18, 70, 104, 121]: введено понятие изотропного схемно-пространственного мультиплексера, создан аппарат исследования, опирающийся на разложение характеристик направленности круговых излучателей по элементарным характеристикам эквивалентных кольцевых излучателей, установлены условия реализации круговых диаграмм направленности и развязки передатчиков, разработаны новые технические решения элементов соответствующих антенно-фидерных систем. Это обеспечило радикальное решение проблемы для систем, требующих значительного числа каналов, однако, для малоканальных систем оно вполне может оказаться избыточным. Так, для телевидения требуется обычно работа не более двух-трех каналов на общую антенну, для УКВ ЧМ радиовещания - до четырех. Ограничения на число одновременно работающих каналов на общую антенну обусловлены шириной полосы канала, шириной диапазона антенны, вмещаемой мощности, соображениями назначения частот с точки зрения взаимных помех, электромагнитной совместимостью, и т.п.

Для малоканальных систем число вибраторов в этаже антенной решетки при использовании опор большого поперечного сечения может быть сокращено за счет тангенциальной ориентации излучателей [15, 54, 67-69]. Тангенциальная ориентация излучателей предложена В.Д. Кузнецовым. Сущность ее в том, что

излучатели ориентируются так, что направление максимума диаграммы направленности каждого из них совпадает с касательной к окружности, на которой расположены фазовые центры излучателей, а центр самой окружности находится на вертикальной оси опоры. При этом расстояние между соседними излучателями должно быть таким, чтобы излучение от них было синфазным; само это расстояние может быть довольно большим (например, несколько длин волн), вследствие чего число излучателей для опоры большого сечения может быть сокращено во много раз. На внешней стороне ограждения верхней площадки опоры Самарского телецентра уже несколько лет успешно эксплуатируется разработанная и изготовленная СОНИИР антенная решетка на два дециметровых канала телевидения. Решетка содержит по четыре излучателя в этаже и практически не занимает полезного места на опоре, так как на ограждении этой площадки антенну какой-либо другой конструкции разместить невозможно.

Наряду с несомненными достоинствами, тангенциальная ориентация излучателей имеет и определенные ограничения в применении. В отличие от обычного, радиального расположения антенных элементов, когда эти элементы излучают в незатененное пространство, отдельные элементы антенной системы с тангенциальной ориентацией излучают в направлении друг друга, вследствие чего неизбежно затенение последующего элемента рефлектором предыдущего. Чтобы это затенение было несущественным, размеры излучающего элемента должны быть малы по сравнению с расстоянием между соседними элементами. Такое соотношение характерно для диапазона дециметровых волн, но на метровых волнах (диапазон ОВЧ) соответствующее соотношение размеров, как правило, не выполняется. Другое обстоятельство, впрочем, не столь существенное: для обеспечения равномерности диаграммы направленности антенной решетки в горизонтальной плоскости ширина диаграммы направленности элемента (по половинному полю) в этой же плоскости должна быть близка к 2п№, где N -число излучателей в этаже антенной решетки. Данное обстоятельство требует аккуратного проектирования и выполнения излучателей.

Имеются достаточные основания полагать, что проблема снижения влияния затеняющих металлоконструкций может быть решена на основе использования специальных металлических импедансных структур. По крайней мере один вариант реализации подобной структуры - на основе «четвертьволновых стаканов» - известен специалистам достаточно давно. Сущность его состоит в том, что на металлической опоре (тонкой относительно длины волны) укрепляются короткозамкнутые металлические же стаканы, оси которых совпадают с осью опоры. Длина стакана - четверть волны. Вертикальный вибратор (или несколько вибраторов один над другим) крепятся на той же опоре параллельно ей. Поскольку входное сопротивление четвертьволнового стакана весьма велико, опора в электрическом отношении оказывается рассеченной на изолированные участки длиной несколько больше четверти волны, что препятствует протеканию тока по ней. Результатом является ослабление влияния опоры на диаграмму направленности вибратора. Как уже указывалось выше, до работ автора в научно-технической литературе практически не развивалось указанное направление, нет сведении о создании и использовании таких конструкции и, тем более, не было сообщений об исследовании их свойств и о методиках проектирования, позволяющих получить устройства с требуемыми характеристиками.

Вместе с тем по антенно-фидерным устройствам с импедансными структурами имеется обширная литература, однако, в ней речь идет о создании направленности, а не о ее устранении [1, 5, 25-30, 66, 83-92, 94, 98]. Так, структуры типа «волновой канал», уже давно рассмотренные Яги и Уда, до сих пор широко применяются в приемных телевизионных антеннах для обеспечения направленного приема и увеличения коэффициента направленного действия. Известны аналогичные системы для обеспечения направленности средневолновых передающих радиовещательных антенн [5]. Было рассмотрено применение импедансных структур в системах с круговой симметрией для обеспечения многих возможных азимутальных направлений направленной диаграммы направленности при возбуждении только одного из многих излучающих элемен-

тов (остальные элементы - пассивные, образующие импедансную структуру). Импедансное покрытие проводника используется при передаче энергии вдоль однопроводной линии [86, 109]; примерно такой же механизм используется в однопроводных антеннах бегущей волны Бевереджа [2, 51]. Имеются работы по реализации линзовых антенн с использованием импедансных структур [107, 113]. Вопросам исследования, расчета и использования антенно-фидерных систем с импедансными структурами много внимания уделено в трудах О.Н. Те-решина, В.Д. Двуреченского, А.Ю. Федотова [25-30, 83-92]. Ими разработаны, в частности, синтез антенных устройств на основе л�