Дипломная работа: Принцип дії прийомної антени

Зміст

Вступ……………………………………………………………………..………...2

1. Методика розрахунок параболічної антени…………………………………..5

1.1 Розташування місця прийому по відношенню до супутника……………...8

1.2 Магнітний азимут……………………………………………………………..9

1.3 Втрати при проходженні сигналу у вільному просторі…………………...10

1.4 Загасання в тропосфері……………………………………………………...16

1.5 Використовуваний коефіцієнт добротності……………………..................20

1.6 Відношення сигнал / шум…………………………………………………...21

1.7 Малошумлячий блок………………………………………………………...23

1.8 Принцип дії феритового поляризатора……………………………………..24

2. Розрахунок параболічної антени……………………………………………..25

2.1 Розрахунок параболічної антени…………………………………………....25

2.2 Розрахунок параболоїда…………………………………………………......26

2.3 Розрахунок діаграми спрямованості……………………………………......28

2.4 Розрахунок прийнятої потужності……………………………….................35

3. Заходи щодо охорони праці та техніки безпеки…………………………….38

Реферат…………………………………………………………………………...40

Висновки…………………………………………………………………………41

Додаток…………………………………………………………………………...42

Перелік посилань………………………………………………………………...43

Вступ

Прийом сигналів супутникового телебачення здійснюється спеціальними приймальними пристроями, складовою частиною яких є антена. Антена – це єдиний посилюючий елемент приймальної системи, який не додає власних шумов та не погіршують сигнал. Для професійного прийомів передач з ІСЗ найбільш популярні параболічні антени. Апертура - це частина площини, обмежена кромкою параболоїда обертання. Антенний параболоїд, строго кажучи, не є антенним в її розумінні перетворення напруженості електромагнітного поля в напругу сигналу. Параболоїд - це лише відбивач радіохвиль, що концентрує їх у фокусі, де і повинна бути розташована активна антена (опромінювач). Паралельні осі параболоїда, промені (радіохвилі) від супутника, відбиті від апертури проходять однакову фокусну відстань і концентруються синфазно у фокусі F. Вибір параметра параболи визначає глибину параболоїда, тобто відстань між вершиною і фокусом. При однаковому діаметрі апертури короткофокусні параболоїди мають велику глибину, що робить незручною установку опромінювача у фокусі. Крім того, в короткофокусних параболоїдах відстань від опромінювача до вершини дзеркала значно менше, ніж до його країв, що призводить до нерівномірності амплітуд у опромінювача для хвиль, що відбилися від кромки параболоїда і від зони, близької до вершини.

Довгофокусні параболоїди мають меншу глибину, установка опромінювача є зручнішою і амплітудний розподіл стає більш рівномірним. Фокус, в якому повинен знаходитися опромінювач, розташовується поза об'ємом, обмеженим параболоїдом і апертурою. Супутникова антена - єдиний підсилюючий елемент приймальної системи, який не вносить власних шумів і не погіршує сигнал, а отже, і зображення. Антени з дзеркалом у вигляді параболоїда обертання діляться на два основні класи: симетричний параболічний рефлектор і асиметричний Перший тип антен прийнято називати прямофокусними|, другий, - офсетними. Офсетна антена є як би вирізаним сегментом параболи. Фокус такого сегменту розташований нижче за геометричний центр антени. Це усуває затінювання корисної площі антени опромінювачем і його опорами, що підвищує її коефіцієнт корисного використання при однаковій площі дзеркала з осесиметричною антеною. До того ж, опромінювач встановлений нижче за центр тяжіння антени, тим самим збільшуючи її стійкість при вітрових навантаженнях. Саме така конструкція антени найбільш розповсюджена| в індивідуальному прийомі супутникового телебачення, хоча нині використовуються і інші принципи побудови наземних супутникових антен.

Офсетна антена кріпиться майже вертикально. Залежно від географічної широти кут її нахилу трохи міняється. Таке положення виключає збирання в чаші антени атмосферних опадів, які сильно впливають на якість прийому.

Для систем зв'язку і віщання необхідно, аби була пряма видимість між супутником і відповідними земними станціями протягом сеансу зв'язку достатньої тривалості. Якщо сеанс не цілодобовий, то зручно, щоб він повторювався щодоби в один і той же час. Тому переважні синхронні орбіти з періодом обертання, рівним або кратним часу обороту Землі навколо осі, зоряній добі (23 г 56,4 хв.) Нині заради виключення перерв зв'язку і віщання, спрощення систем наведення антен земних станцій на ІСЗ і інших експлуатаційних переваг здійснений перехід на використання геостаціонарних орбіт (ГСО) супутників Землі.

Орбіта геостаціонарного ІСЗ - це кругова (ексцентриситет е = 0), екваторіальна (нахил i = 0°), синхронна орбіта з періодом обертання 24 г, з рухом супутника в східному напрямі. Орбіту ГСО ще в 1945 р. розрахував і запропонував використовувати для супутників зв'язку англійський інженер Артур Кларк, відомий згодом як письменник-фантаст. У Англії і багатьох інших країнах геостаціонарну орбіту називають «Пояс Кларка» Орбіта має форму кола, лежачого в площині земного екватора з висотою над поверхнею Землі 35 786 км. Напрям обертання ІСЗ співпадає з напрямом добового обертання Землі. Тому для земного спостерігача супутник здається нерухомим в певній точці небесної півсфери. Суттєвий вплив на властивості каналів зв'язку надає і запізнювання радіосигналу при його розповсюдженні по лінії Земля - ІСЗ - Земля.

1. Методика розрахунку параболічної антени

Для антен особливе значення мають характеристики спрямованості. Завдяки можливості використовувати антени з високою просторовою вибірковістю здійснюється прийом супутникового телебачення.

Найважливішими характеристиками антен є коефіцієнт посилення і діаграма спрямованості. Коефіцієнт посилення параболічної антени залежить від діаметру параболоїда: чим більше діаметр дзеркала, чим вище коефіцієнт посилення. Залежність коефіцієнта посилення параболічної антени від діаметру приведена нижче.

Таблиця 1.1 - Коефіцієнт посилення антени

Діаграма спрямованості антени характеризує залежність амплітуди напруженості електричного поля Е, що створюється в деякійточці, від напряму на цюточку. При цьому відстань від антени до даної точки залишається постійною.

Багато в чому ширина і конфігурація діаграми спрямованості залежать від форми і діаметру дзеркала приймаючої антени. оважною Характеристикою параболічної антени є точність форми. Вона повинна з мінімальними помилками повторювати форму параболоїда обертання. Точність дотримання форми визначає коефіцієнт посилення антени і її діаграму спрямованості. Якість матеріалу також впливає на характеристики антени. Для виготовлення супутникових антен в основному використовують сталь і дюралюміній. Сталеві антени дешевше алюмінієвих, але важче і більш піддаютьсяпідвладні корозії, тому для них особливо важлива антикорозійна обробка. У віддзеркаленні електромагнітного сигналу від поверхні бере участь дуже тонкий приповерхневий шар металу. У разі пошкодження його іржею значно знижується ефективність антени. З алюмінієвими антенами цих проблем не виникає. Існують сітчасті антени, стійкі до вітрових навантажень. Вони мають хороші вагові характеристики, але погано зарекомендували себе при прийомі сигналів Кu - діапазону. Строго кажучи, для визначення розміру приймальної антени слід проаналізувати всю лінію зв'язку, включаючи і лінію зв'язку вгору (від наземного передавача до супутника зв'язку), і лінію зв'язку вниз (від супутника до наземної приймальної станції). На практиці для визначення параметрів обладнання, встановлюваного на місці прийому сигналів, цілком достатньо спрощеного методу розрахунку.

Основна мета розрахунку ліній зв'язку – визначення або перевірка того, наскільки дане устаткування підходить для забезпечення стійкого прийому сигналів від вибраного супутника в заданому місці розташування приймальної системи. Такими параметрами є ефективна ізотропно-випромінювана потужність, робоча частота і смуга пропускання каналу зв'язку. Для ТБ віщання найчастіше використовуються S-|, C-|, Ku-| і Ka-| діапазони частот. Діапазони різних мікрохвильових сигналів і приблизні значення частот діапазонів приведені в таблиці №1.2

Таблиця 1.2 - Діапазони різних мікрохвильових сигналів і приблизні значення частот

Можливо, замість проведення власних розрахунків покладатися або на загальний розрахунок ліній зв'язку, який надають оператори супутникового зв'язку, або зосередитися на готових комплектах приймальних систем, призначених для роботи із загальнодоступними супутниками. Такий підхід не є помилковим, але сильно обмежує по багатьом напрямам. Наприклад, загальний розрахунок ліній зв'язку завжди є компромісним і диктує певну якість сигналу.

Чинники впливають на прийом сигналу з супутника

Робота супутникових систем залежить від ряду лави фізичних чинників факторів параметрів, перелік яких приводиться призводить нижче:

- Ефективна ізотропно-випромінювана потужність – ЕІВП.

- Діаметр антени, що діє.

- Коефіцієнт шуму малошумливого блоку або шумова температура.

- Перехідні затухання в хвилеводах і поляризаторах.

- Втрати із-за неточного наведення (націлювання) антени: початкова помилка наведення;

- Втрати поляризації.

- Затухання в умовах дощу для заданої ймовірності здобуття сигналу (номінальне значення 99,5% для середнього року).

- Зростання шумів в осіданнях при прийомі сигналу в Ku- і Ka- діапазонах (дощ, сніг або град).

- Поглинання сигналу в атмосфері киснем і парами води (залежно від вологості).

- Зміна температури

- Параметри приймача (поріг демодулятора)

- Характеристики модуляції сигналу.

- Розсіювання сигналів із-за затінювання антени деревами, будівлями, зграями птахів і літальними апаратами.

- Втрати на розбіжність при проходженні через атмосферу.

Тимчасові дії, такі як затінювання пролітаючими зграями птахів, здебільше непередбачувані, і при обчисленнях їх можна не враховувати.

1.1 Розташування місця прийому по відношенню до позиції супутника

Кожен геостаціонарний супутник займає певну позицію або ділянку орбіти що знаходиться на висоті 35784 км. прямо над екватором. Фактичне положення супутника визначається довготою підсупутникової точки, розташованої прямо під супутником на екваторі. Для захоплення сигналу з супутника в межах передбачуваної зони обслуговування антену необхідно точно встановити як по азимуту, так і по куту місця ( кут піднесення).

Кутом місця φel є кут направленого вгору нахилу антенного дзеркала (рефлектора) відносно земної поверхні. Він обчислюється за формулою:

EL = tan-1 (1.1)

де А – широта місця знаходження земної станції (позитивна для північної півкулі, негативна для південної півкулі);

B - східна довгота земної станції мінус східна довгота супутника;

m = 6,61 – відношення радіусу геостационарной орбіти до радіусу екватора Землі.

Для низьких кутів M cos A cos B – 1 місця, значення яких складають менше 30°, геометричний кут місця може бути злегка модифікований за допомогою наступного виразу для обліку середньої величини рефракції (заломлення) в атмосфері. При цьому вірно розраховане дійсне значення кута місця завжди повинне бути більше, ніж геометричний кут.

Дійсне значення

(1.2)

де EL – результат підрахунків, виконаних по виразу (1.1).

У атласах приводяться значення широти і довготи, виражені в градусах і хвилинах. Щоб їх можна було використовувати при обчисленнях, вказані значення необхідно перевести в градуси (з десятковими долями). Для цього слід розділити число хвилини на 60, а отриманий результат помножити на 100 і додати до цілої частини числа градусів.

Наприклад, необхідно перетворити 53015’N в градуси:

53 + = 53, 250 N Азимут

Дійсним азимутом AZ (поворот рефлектора антени) є кут направлення, вказуючого на вибраний супутник, який відлічується від дійсної півночі. Магнітний азимут вимірюється в градусах від 0° до 360° Північ, схід, південь і захід мають азимути 0°, 90°, 180° і 360° відповідно. Геостаціонарна орбіта супутників відстежується магнітними азимутами між 90° і 270° в північній півкулі. Дійсний азимут розраховується з наступної формули:

AZ = 180 + tan-1 (1.3)

AZ = 180 + tan -1(1.4)

tan -1 180 + tan -1 (- 2,184) = 178,86 о

1.2 Магнітний азимут

Якщо дане значення кута азимута обчислене, то магнітний азимут можна легко розрахувати шляхом звичайного складання або віднімання магнітної відміни відповідно до местому прийому сигналу. Величина магнітної відміни мінятиметься залежно від місця розташування земної станції, і її можна дізнатися з місцевих топографічних карт.

Протяжність лінії зв'язку вниз

L = 6378, 16 (1.5)

L=6378,16· =

=43460,78 км.

m = 6,61 – відношення радіусу геостационарной орбіти до радіусу екватора Землі.

1.3 Втрати при проходженні сигналу у вільному просторі

Втрати при проходженні сигналу у вільному просторі LFS, або втрати на трасі розповсюдження, виражають ослаблення мікрохвильових сигналів у міру їх просування до Землі і відбуваються із - за расходимости промінів.

Втрати на трасі розповсюдження зростають із збільшенням частоти і стають тим більше, чим нижче кут підвищення антени (кут місця). Вираження для обчислення величини втрат:

Lfs = , (1.6)

де, L – довжина шляху, (км);

l - довжина хвилі, (м).

Lfs = дБ

Визначення шумової температури приймальної системи

Основним виразом, вживаним для визначення загальної шумової температури приймальної системи, є

Тsys = ТLNB + (1 - σ) ТC + σ ТA (1.7)

або його еквівалентне вираження, що використовує величину затухання:

ТSYS = ТLNA + (1 – 10 - 0,1Аfeed) ТC + 10 - 0,1Аfeed ТA ,(1.8)

де Тsys – загальна шумова температура приймальної системи, K;

ТA - еквівалентна шумова температура антени або за умов ясного неба, або для заданого відсотка часу, К;

ТLNA – еквівалентна шумова температура блоку LNA, К;

Тc – фізична температура перехідних (хвилеводних) компонентів,К;

Аfeed – ослаблення в опромінювачі або коефіцієнт внесених втрат.

Еквівалентна шумова температура - Т LNA

Перша складова ТLNA у виразах (1.7), (1.8) є загальний фактор шуму LNA у вигляді еквівалентної шумової температури, який є головной складовой в загальній шумовій температурі приймальної системи. Якщо фактор шуму визначити як відношення потужностей в децибелах, то він називається коефіцієнтом шуму. Шумова характеристика LNA може виражатися як еквівалентна шумова температура в градусах Кельвіна, або частіше як коефіцієнт шуму - в децибелах. У останньому випадку для підрахунку загальної шумової температури приймальної системи необхідно перетворити коефіцієнт шуму в еквівалентну шумову температуру за допомогою виразу:

ТLNA = 290 - 1(1.9)

де ТLNA– шумова температура, град;

NF – коефіцієнт шуму LNA, (дБ).

Як правило, чим вище частота, тим важче досягти низьких значень коефіцієнта шуму. Для Ku – діапазону значення коефіцієнта шуму недорогих блоків LNA складають 1,2 – 1,5 дБ. Низьких значень коефіцієнтів шуму можна набути у разі застосування приладів на транзисторах з високою рухливістю електронів. Номінальні значення коефіцієнтів шуму в Ku – діапазоні для таких приладів складають 0,8 – 1,0 дБ.

NF = 0,5 дБ

FLNA = 10 = 1,1749 (1.21)

ТLNA = 290 · (FLNA - 1) = 290 · 0,1749 = 50,721 К(1.22)

Розглянемо детальніше еквівалентну шумову температуру антени ТА. Вона визначається багатьма факторами – розміром антени, кутом підвищення (місця), зовнішніми джерелами шумів і умовами поширення сигналу в атмосфері. В умовах ясного неба основної шумової складової є фонові шуми, оскільки без урахування атмосферного впливу на розповсюдження сигналу (дощ і тому подібне) ці шуми фактично є всіма шумами, що поступають на вхід антени виробники часто приводять у вигляді таблиці для діапазону значень кутів місця. Він може також включати також відносно невелику складову, що вноситься галактичними фоновими шумами. Існує три головних складових спільних шумів антени.

Шумова температура антени, обумовлена фоновим шумом (ТLNA) – чим менше діаметр антени, тим ширше її діаграма спрямованості і більше розкид бічних пелюсток, що уловлюють шуму теплої Землі, і, отже, тим більше фонового шуму збирається антенною. Крім того, при нижчих значення кута місця бічні пелюстки (особливо перший бічний пелюсток) антени з меншими розмірами уловлюватимуть більше фонового шуму, чим пелюстки антени з великими розмірами. Тому при установці для заданого значення кута місця антена з меншим діаметром буде більш шумливим пристроєм. Надходження фонового шуму можна зменшити, правда за рахунок зменшення коефіцієнта посилення антени, шляхом неповного (недостатнього) опромінювання антенного дзеркала. Таким чином, Даний чинник визначає ефективність антени. Значення фонового шуму, прямофокусною антеною, буде великим в порівнянні з тим, що детектується офсетною антеною (за умови різних розмірів). Це пояснюється тим, що голівка опромінювача, встановлена в прямофокусной антені безпосередньо на шляху проходження сигналу, «бачить» при температурі, рівній температурі Землі, і вноситиме додаткові шуми.

Для розрахунку наближеного значення шумів антени в умовах ясного неба можна скористатися виразом (1.23), який враховує кут місця і діаметр антени.

ТLNA = 15 + + К (1.23)

де d – диаметр антени, м;

EL – кут місця антени, градуси.

Складова космічних, або галактичних шумів, є фоновий космічний шум, величина якого визначається в основному рівнем залишкового випромінювання від «великого вибуху». Вона має невелике значення шумової температури (близько 2,7 К). Дана складова відносно не велика в порівнянні з похибкою обчислення складових фонового шуму, і може бути опущена при практичних розрахунках. Складові умов розповсюдження сигналу в атмосфері – два головні впливи умов розповсюдження сигналу на лінії зв'язку вниз. По-перше, атмосферне газоподібне поглинання сигналу водяними парами і киснем, яке в основному відбувається при ясному небі. Величина поглинання залежить від абсолютної вологості або щільності водяної пари, вимірюваної в грамах на квадратний метр, від кута місця антени і використовуваної частоти сигналу. Конкретні значення для будь-якого завдання нахилу проходження сигналу і частоти для різних районів Землі можна легко розрахувати за допомогою відповідного програмного забезпечення.

Друга складова впливу умов розповсюдження – це загасання сигналу в осіданнях. При розповсюдженні сигналу по лінії зв'язку вгору приймач на борту супутника «бачитиме» цілком постійну, але високу шумову температуру, витікаючу від теплої Землі. Її величина складає близько 290К, тому додаткове випромінювання теплової енергії від дощу робитиме незначний вплив. При розповсюдженні сигналу по лінії зв'язку вниз приймач спрямований в небо, що має відносно невисоку шумову температуру. Тому додаткова теплова шумова складова вноситься дощем вже не буде незначної в загальних шумах приймальної системи, особливо якщо приймач LNA є малошумлячим приладом, що працює в Ku- і Ka- діапазоні. Осідання не тільки безпосередньо ослабляють сигнал (дане явище називається завмиранням сигналу в дощі), але і призводять до зростання шумової температури приймальної системи, оскільки температура проміжного середовища наближається до температури Землі. Важливо, щоб вказане зростання шумів приймальної системи було враховане, причому не тільки ослаблення, що викликається завмиранням в дощі. Поєднання цих два складових називається зниженням ефективності лінії зв'язку вниз (DND).

Вплив умов розповсюдження сигналу є значним на частотах вище 8 Ггц. Дощ, сніг, туман, або хмарність ослабляють і розсіюють мікрохвильовий сигнал. Величина ослаблення залежить більше від розміру водних крапель (у кубічних одиницях по відношенню до довжини хвилі), чим від інтенсивності опадів. При сильнішому дощі краплі стають більшими, тому ці чинники зазвичай виявляються зв'язаними. Як правило, температура фізичного середовища при всіх формах випадання опадів приймається рівною 260 К. В умовах хмарності і при ясному небі використовується значення 280 К.

Обчислення загальної температури приймальної системи:

TANT = 15 + = 15 + = 15 + 33,33 –11,315= 37,015 К (1.24)

TTOT = ТLNA + TANT = 50,721 + 37,015 = 87,736 К (1.25)

Підрахунок смуги частот шумів

NB = 10 log (BW), дБГц (1.26)

BW – смуга пропускання приймача, Гц.

BW = 30 – 0,5 = 29,5 Мгц = 0,0295 · 109 Ггц. (1.27)

NB = 10 log (0,0295 · 109) = 10 · 7,4698 = 74,698 дБ (1.28)

Номінальний коефіцієнт добротності G/T є відношенням повного коефіцієнта посилення антени до загальної шумової температури приймальної системи. Номінальний коефіцієнт добротності G/Tnom – це максимальний коефіцієнт, який можна отримати для заданого значення кута місця. Він містить повний коефіцієнт посилення антени (посилення антени мінус перехідні втрати), що ділиться на фактор шумової температури антени, який отриманий з складових еквівалентної шумової температури приймача (тобто LNA), перехідних шумів вбудованих поляризаторів і компонентів хвилеводу (таких, як роздільник поляризації) і приведеної шумової температури антени в умовах ясного неба. Сюди включені робочі запаси: запаси на втрати антени із-за розузгодження, старіння, зростання шумів антени в умовах дощу для заданого відсотка часу. Це найвища величина відношення G/T, що дає можливість якісного зіставлення різних зовнішніх пристроїв. Чим вище дане відношення, тим краще функціонуватиме приймальна система. По суті G/T – це коефіцієнт, який робить найбільший вплив на остаточну величину відношення G/N на вході приймача. Всі інші відповідні фактори відносно постійні.

= 10 log · , дБ /К (1.29)

Де G – коефіцієнт посилення антени, дБ;

a – перехідні втрати, дБ, що створюються компонентами хвилеводу;

TSYS – шумова температура приймальної системи в умовах ясного неба, виключаючи вплив умов розповсюдження сигналу.

1.4 Загасання в тропосфері

Ослаблення в “чистій” атмосфері і атмосферних утвореннях відбувається в результаті поглинання енергії радіохвиль і їх розсіяння молекулами газів або зваженими частками речовини.

Повні показники ослаблення можна записати у вигляді:

(1.31)

(1.32)

де γа і γд - коефіцієнти ослаблення в “чистій” атмосфері і в атмосферних утвореннях

Показник ослаблення радіохвиль в тропосфері залежить від кута місця, тобто від кута, під яким траєкторія хвилі направлена до горизонту. Оскільки щільність газів зменшується з висотою, то найменша величина буде при розповсюдженні радіохвиль в напрямі, перпендикулярному до поверхні Землі.

Гідрометеори (осідання, туман, хмари і тому подібне), викликають ослаблення електромагнітних хвиль, що мають довжину хвилі 3 - 5см| і коротше.

Залежність коефіцієнта ослаблення в тумані і хмарах для водності, рівній 1 зображена на (рис. 1.1). Під водністю розуміється кількість водяної пари у грамах, що знаходиться в одному кубічному метрі повітря. Водність туману коливається від 0,03 (слабкий туман) до 2,3 (сильний туман).

Результати розрахунків для радіохвиль сантиметрового і міліметрового діапазонів, що розповсюджуються в дощах інтенсивністю від 0.1мм/ч (дуже слабкий дощ, що мрячить) до 100 мм/ч (злива), представлені у вигляді кривих (рис. 1.1). Із збільшенням інтенсивності дощу і зменшенням довжини хвилі коефіцієнт ослаблення зростає.

Користуючись графіками 1.1, 1.2, 1.3, визначимо сумарні показники ослаблення радіохвилі в тропосфері,, для нашого випадку.

rа = 0,12·10=1,2 дБ

за відсутності дощу

r’д=0,1·10+10·10-3=1,03 дБ

при дуже сильному дощі

r’’д=0,1·10+10·0,5=6 дБ

Поглинання радіохвиль в іоносфері обумовлене зіткненнями електронів з нейтральними молекулами і іонами. В результаті енергія радіохвилі зменшується унаслідок часткового її переходу в теплову енергію.

(1.33)

де αu - коефіцієнт поглинання в іоносфері

(1.34)

де εu - відносна діелектрична проникність іонізованого газу;

- провідність іонізованого газу.

(1.35)

(1.36)

де Nе - електронна концентрація іонізованого газу (визначається з графіка 1.1);

эфф - число зіткнень електронів з молекулами або з іонами в одиницю часу (визначається з графіка 1.2)

Користуючись графіками 1.1, 1.2, а також формулами 1.33-1.36 знайдемо коефіцієнт ослаблення в іоносфері.

(1.37)

(1.38)

(1.39)

На даній частоті (12,5 ГГц) ослаблення радіохвиль в іоносфері відсутнє (дуже мало в порівнянні з ослабленням в тропосфері)

ru = 3600 км відстань до супутника (стаціонарна орбіта)

Отже множник ослаблення радіохвиль на трасі Земля |грунт|- Космос можна знайти з формули (1.41)

(1.41)

F0=

Для самого гіршого випадку (сильний дощ)

1.5 Використовуваний коефіцієнт добротності

Необхідним для докладного розрахунку лінії зв'язку параметром G/T є використовуваний (знижений або мінімальний) коефіцієнт добротності G/Tusable. Він враховує подальші втрати при роботі системи із-за помилок наведення антени, впливу поляризації, зростання шумів приймальної системи в умовах опадів для заданого відсотка часу. Даним коефіцієнтом є повний коефіцієнт посилення антени (посилення антени мінус перехідні втрати і мінус втрати при роботі системи), що ділиться на загальну шумову температуру приймальної системи. Таким чином, дане відношення G/T характеризує ефективність системи в процесі роботи, і саме воно використовується при докладному розрахунку лінії зв'язку. Щоб врахувати зростання шумів приймальної системи із-за випадання опадів для певного заданого відсотка часу, до шумової температури приймальної системи TSYS додається додаткова складова шумової температури. Математично це виражається таким чином:

, дБ /K (1.42)

де G – коефіцієнт посилення антени, дБ;

a – перехідні втрати, дБ, що створюються компонентами хвилеводу;

b – втрати із-за помилок поляризації і старіння, дБ;

TSYSrain – приведена загальна шумова температура приймальної системи, яка включає зростання шумової температури в умовах дощу для заданого відсотка часу, K.

1.6 Відношення сигнал / шум

У системі DVB (стандарт віщання цифрового телебачення) застосовується фазова модуляція, яка по своїх властивостях близька до ЧМ. Тому параметри, які відносяться до аналогових ЧМ сигналам, дійсні і для розрахунків лінії зв'язку цифрових систем за одним виключення винятком м. Точно так, як і відношення S/N служить показником якості що приймається в аналогових ЧМ сигналах, відношення Eb/N0, при якому досягається певна величина BER, є еквівалентом відношення S/N для цифрових систем. Співвідношення між C/N і Eb/N0, виражене в ДБ, визначається наступною формулою:

= + 10 log () + 10 log B, дБ (1.43)

де Eb/N0, - відношення кількості енергії в біті, Дж, до щільності потоку потужності шумів, Вт / Гц.

С/N – відношення що несе сигнал/шум в смузі частот B, дБ.

Характерною межею практичних цифрових систем є наступне: для даного відношення швидкості передачі біта інформації до смуги пропускання каналу існує відношення сигнал/шум (Eb/N0), вище за яке можливий прийом сигналу без помилок і нижче за яке прийом не можливий. На відміну від аналогових сигналів, які поступово погіршуються під впливом шумів, цифрові системи відносно не схильні до впливу шумів аж до того моменту, коли система корекції помилок вже не може діяти ефективно. В результаті відбувається різке погіршення або «крах» системи. Це властивість цифрових систем усуває необхідність градацій якості зображення, що приймається. Якість зображення відносно не постраждає, якщо сумарний погіршений рівень відношення Eb/N0 вище, ніж деякий необхідний рівень, відповідний прийнятній «внутрішній» ймовірності появи помилкових бітів (Р) або певній величині BER. BER – це відношення числа бітів інформації прийнятих помилково до спільного числа бітів, переданих в секунду. Взаємовідношення між P і Eb/N0 залежить від конкретних особливостей вибраного методу цифрової модуляції, тому оператори супутникового зв'язку зазвичай визначають (оговорюють) мінімальний необхідний рівень відношення Eb/N0. Значення, що становлять близько 8 дБ, є типовими для більшості телепрограм DVB.

= + 10 log + 10 log B (1.44)

=11 + 10 log+ 10 log 36 · 106 = 11 – 74,39 + 75,56 = 12,17 дБ

Додатково необхідно виміряти, щоб рівень вихідного сигналу LNA складав не менше 78,5 дБмкВ.

- Поглинання сигналу в атмосфері = 0,14 дБ

- Затухання сигналу в осіданнях = 0,9 дБ

- Зростання шумів із-за дощу = 1,13 дБ

- Зниження ефективності лінії зв'язку вниз = 2,04 дБ

- Доступність сигналу і робочі запаси

Коефіцієнт затухання в дощі необхідно прогнозувати із статистичних даних, отриманих в результаті багаторічних спостережень інтенсивності випадання опадів для даного місця прийому сигналу. Зазвичай задовольняються визначенням прийнятної величини відсотка часу, протягом якого рівень сигналу не падає нижче за деяке визначене відношення C/N (або S/N). Наприклад, коли говорять, що прийом сигналу, відповідного за шкалою МККР оцінці «4» (добре), забезпечується для 99,7% середнього року, мають на увазі, що очікувана величина відношення S/N не впаде нижче 42,3 дБ для 99,7% часу (або 99% для як найгіршого місяця). Проте іноді очікується його падіння нижче цього рівня для 0,3% часу під час сильних злив. Чим вище доступність сигналу, закладена при розробці приймальної системи, тим краще буде захист від впливу затухань сигналу в дощі. При цьому необхідний розмір антенного дзеркала також збільшується у міру зростання передбаченого значення доступності сигналу. Затухання в дощі, або більш спеціальний параметр ефективності лінії зв'язку вниз, з'являється головній складовій запасів на загальні втрати для приймальних систем в Ku- або Ka-диапазонах. Для типових систем безпосереднього прийому супутникових сигналів (англ direct - to - home - system – DTH - система додому) коефіцієнт доступності сигналу 99,5% зазвичай визнається прийнятним. Фактично більшість готових фіксованих антенних систем для прийому сигналів із загальнодоступних супутників розробляються з урахуванням цієї цифри. Для систем супутникового ТБ з колективним прийомом (англ SMATV) може потрібно вища величина (99,9%), а для систем кабельного розподілу сигналів ще вище. Врешті - решт виступає в силу закон убування доходів, оскільки доступність 100% неможлива.

1.7 Малошумлячий блок

Малошумлячий блок (LNA - англ low noise amplifier - низький шум посилювача) – це достатньо складний комплект устаткування. Принцип роботи: короткий відрізок хвилеводу продовжується резонансним зондом або антеною, розташованою в фокусі параболоїда. У зонді мікрохвильові сигнали, що приходять, перетворяться в надзвичайно слабкі електричні сигнали, які потім посилюються і конвертуються (перетворюються) вниз за частотою,для більш зручної передачі по коаксіальному кабелю. Загальний коефіцієнт посилення LNA зазвичай знаходится в діапазоні 50-60 дБ. Вся зборка герметично ізольована від проникнення вологи. Якщо волога попадає всередину блоку і викличе корозію, то за цим може послідувати відмова в роботі пристрою. Деякі голівки опромінювачів є єдиним блоком із рупорного опромінювача, поляризатора і LNA|, інші містять окремі компоненти, які необхідно з'єднати разом.

1.8 Принцип дії феритового поляризатора

Дія поляризаційного циркулятора заснована на використанні повороту площини поляризації електромагнітної хвилі в хвилеводі з подовжньо намагніченим феритовим стрижнем. Феритовий поляризатор представлений на рисунку (1.4)

Уздовж осі круглого хвилеводу встановлений феритовий стрижень круглого перетину, що знаходиться під впливом постійного магнітного поляспрямованогов. Таке магнітне поле створюється за допомогою соленоїда, намотаного зовні круглого хвилеводу. Для зменшення постійного магнітного поля, що управляє, застосовуються діелектричні втулки, які надягають на феритовий стрижень і значно збільшують концентрацію поля в області розташування фериту, що призводить до збільшення кута повороту площини поляризації.

Довжина феритового стрижня і напруженість постійного магнітного поля підбираються такими, щоб площина поляризації електромагнітної хвилі при розповсюдженні уздовж стрижня обернулася на кут 45градусів. Напрям повороту залежатиме від напряму постійного магнітного поля.

2. Розрахунок параболічної антени

2.1 Розрахунок параболічної антени

Антена виходить оптимальною, коли рівень опромінювання краю дзеркала на 10 дБ нижчий за рівень його центру (0,316 по напруженості поля). Діаграма спрямованості опромінювача повинна задовольняти співвідношенню

(2.1)

де Ψ0 – кут розкрива параболоїда.

Для приймальної антені діаграма спрямованості розраховуеться виходячи з геометричних співвідношень для передавальної антени відповідних розмірів. Зонд має діаграму спрямованості подібну до невеличкого рупора.

Як відомо, нормований розподіл поля на розкриві дзеркала пов'язаний з діаграмою спрямованості опромінювача і параметрами параболоїда співвідношенням

(2.2)

де f – фокусна відстань, – відстань від фокусу до крапки на поверхні дзеркала.

де

(2.3)

Визначення кута розкрива параболоїда з наступного співвідношення із фокусною відстанню за допомогою виразу:

(2.4)

Щоб визначити кут розкрива Ψ0, вибирається в межах виберемо його рівним 0.5, тоді

2.2 Розрахунок параболоїда

Визначення діаметра параболоїда 2Rп і фокусної відстані f. Із наближеної формули для КНД знайдемо радіус параболоїда Rп

(2.6)

Де

- площа розкриву параболоїда.

(2.7)

(2.8)

Отже

Фокусну відстань можна визначити користуючись формулою

Діаметр парабалоида пов'язаний із заданою довжиною хвилі і необхідним кутом розчину діаграми спрямованості на рівні половинної потужності наближеною залежністю

(2.11)

Тоді

2.3 Розрахунок діаграми спрямованості

Знайдемо розподіл поля в розкриві| параболоїда, для цього скористаємося наступною формулою

Отримані дані занесемо в таблицю 1.3

Таблиця 1.3

φ	sin(φ)	cos(φ)			F			F(R)	F1(R)	F2(R)
0	0	1	0.54	1	1	0	0	1	1	1
5,3	0.092	0.996	0.541	0.998	0.99	0.05	0.093	0.988	0.994	0.988
10,6	0.545	0.991	0.961	0.1	0.186	0.977
0.184	0.983	0.551	0.981	0.151	0.279	0.953	0.947	0.954
15,9	0.559	0.966	0.914	0.202	0.374	0.905
0.274	0.962	0.57	0.947	0.254	0.471	0.897	0.85	0.899
21,2	0.584	0.925	0.853	0.308	0.57	0.781
0.362	0.932	0.601	0.899	0.362	0.671	0.825	0.696	0.824
26,5	0.621	0.869	0.782	0.419	0.776	0.594
0.446	0.895	0.646	0.837	0.477	0.884	0.741	0.472	0.734
31,8	0.674	0.801	0.705	0.538	0.997	0.329
0.527	0.85	0.652	0.633
37,1	0.798	0.625
0.603	0.562	0.529
42,4	0.738	0.547
0.674	0.475	0.432
47,7	0.74	0.673	0.473	0.396	0.357
	0.799	0.602	0.405	0.325	0.325

По знайденому розподілу поля на розкриві| обчислюється діаграма спрямованості дзеркальної антени . Картина розподілу поля на розкриві| дзеркала може бути апроксимована за допомогою співвідношення:

(2.13)

де a - рівномірна частина розподілу поля;

- нерівномірна частина розподілу поля;

n=1,2,3|

Набутих значень (при n=1| і n=2|) внесені до таблиці (1.3)

Як видно з таблиці 1.3, точніша апроксимація розподілу поля на розкриві| дзеркала при n=2|.

Вираз для нормованої діаграми спрямованості антени матиме вид|:

,(2.14)

Де

,(2.15)

- функція Бесселя n-го порядку,

(2.16)

n – показник ступеня виразу, що апроксимує поле на розкриві. (n=2)

Результати розрахунку діаграми спрямованості представимо

Розрахунок коефіцієнта підсилення G антени

Розрахунок G антени вестимемо по наступній формулі

,(2.17)

де n – коефіцієнт використання площі розкрива дзеркала, цілком визначається характером розподілу поля в розкриві.

S – геометрична площа розкрива|;

- коефіцієнт корисної дії параболічної антени (приймемо)

Коефіцієнт направленої дії (посилення), визначений по формулі (2.18) не враховує втрат енергії на розсіювання.

а(2.18)

Зростання шумів із-за випадання опадів і поглинання в атмосфері

В умовах ясного неба єдиною причиною ослаблення сигналу на лінії зв'язку між супутником і земною станцією залишається поглинання сигналу в атмосфері (Аatm) киснем і парами води. В умовах дощу ослаблення сигналу визначатиметься поєднанням двох факторів – поглинанням газами атмосфери Аatm і загасанням в дощі Аrain (вираженому в децибелах). Загальним наслідком цього з'являється зростання еквівалентної шумової температури антени Та при роботі на частотах вище 8 Ггц. Для S- і C- діапазонів при розрахунках немає необхідності враховувати дані фактори, оскільки їх вплив суттєвий зростає, особливо зважаючи на низьких значень шумової температури приймальних систем, що набувають в даний час. Навіть за умови ясного неба до еквівалентної шумової температури антени. Та слід додати поправку на збільшення температури із-за поглинання в атмосфері.

Тclear sky = (1 – 10 - 0,1Aatm) Тm + 10 - 0,1Aatm tg , (2.19)

Тrain = (1 – 10 - 0,1(Aatm + Amin)) Тm + 10 - 0,1(Aatm + Amin) tg (2.21)

де Тm – фізична температура середовища (260 (До) для умов дощивши, 280 (До) для ясного неба або хмарності);

Тg - космічна, або галактична шумова температура (номінальне значення 2,7 (До) на частотах 4 Ггц);

Аatm – ослаблення сигналу із-за поглинання очима атмосфери, дБ;

Аraіn – загасення сигналу в осіданнях для заданого відсотка часу, дБ.

Додавання Тclear sky, або Тrain до еквівалентної шумової температури антени ТА дасть в результаті приведену величину загальної шумової температури приймальної системи Тsys, яка враховує ослаблення сигналу газами атмосфери і (або) осіданнями.

Для підрахунку зростання шумів відповідно до заданої величиною завмирань сигналу в дощі, вираженої як відношення потужності в децибелах, слід скористатися наступною формулою:

Зростання шумів (із-за дощу)

- 10 log (2.22)

де - TSYSrain – шумова температура приймальної системи в умовах дощу для певного відсотка пори середнього року, До;

TSYS clear sky – шумова температура приймальної системи, розрахована для умов ясного

Відношення що несе / шум

Для діапазонів частот Ku і Ka відношення що несе/шум (C/N) на вході приймальної системи визначається таким чином:

(2.23)

де EIRP – ефективна ізотропно-випромінювана потужність з супутника у напрямі місця розташування приймальної системи, дБВт;

LFS – втрати при розповсюдженні сигналу у вільному просторі ділянці від Землі до супутника зв'язку, дБ;

G/Tusable – мінімально знижена величина коефіцієнта добротності приймальної системи, дБ / До;

Dо – постійна Больцмана (1,38 х 10-23 Дж / До);

Aatm – ослаблення сигналу за рахунок поглинання в атмосфері, дБ;

Arain – затухання сигналу в осіданнях для заданого відсоткового відношення часу, дБ.

З приведених виразів можна вивести вираження для G/T, не враховуючи ослаблення сигналу за рахунок поглинання, а в атмосфері і не враховуючи затухання сигналу в осіданнях для заданого відсоткового співвідношення.

G / T = C / N – EIRP (ЕІЇМ) + BC + NB + Lfs(2.24)

де BC = 10 log (постійна Больцмана) = - 228,6 дБДж / До

G/T = 11 – 49 – 228,6 + 74,698 + 206,75 = 14,848 дБ

Розповсюдження УКХ на лінії Земля Космос здійснюється через тропосферу і іоносферу Землі і супроводжується ослабленням радіохвиль. Ослаблення обумовлене трьома причинами: поглинанням радіохвиль водяними парами і газами, поглинанням і розсіянням різними гидрометеоутвореннями| (дощ, сніг, хмари, туман і тому подібне) і поглинанням радіохвиль в іоносфері.

Спочатку розрахуємо прийняту потужність без урахування впливу атмосфери, а потім знайдемо загасання в атмосфері. Визначимо прийняту потужність по формулі

– коефіцієнт підсилення супутникової антени.

– відстань до супутника.

Множник ослаблення в загальному вигляді може бути записаний таким чи Гд -показник ослаблення на ділянці радіолінії з гідрометеоутвореннями;

,(2.26)

де F0 – коефіцієнт загасення

Га - повний показник ослаблення на ділянці радіолінії в “чистій” атмосфері;

2.4 Розрахунок прийнятої потужності

Прийнята потужність з урахуванням впливу атмосфери

(2.27)

Поглинання сигналу в амосфері = 0,14 дБ

Загасення сигналу в опадах = 0,9 дБ

Збільшення шумів із-за дощу = 1,13 дБ

Зниження ефективністі лінії зв’язку до низу = 2,04 дБ

F()=,

де J(sin) – циліндрова функція Бесселя першого роду;

= - хвилеве число.

Таблиця 3 - Розрахунок діаграми спрямованості

а	β0	Θ	Θ(рад)
0.016	209	0	0
0.016	209	5	0.087266
0.016	209	10	0.174533
0.016	209	15	0.261799
0.016	209	20	0.349066
0.016	209	25	0.436332
0.016	209	30	0.523599
0.016	209	35	0.610865
0.016	209	40	0.698132
0.016	209	45	0.785398
0.016	209	50	0.872665
0.016	209	55	0.959931
0.016	209	60	1.047198
0.016	209	65	1.134464
0.016	209	70	1.22173
0.016	209	75	1.308997
0.016	209	80	1.396263
0.016	209	85	1.48353
0.016	209	90	1.570796
0.016	209	95	1.658063
0.016	209	100	1.745329
0.016	209	105	1.832596
0.016	209	110	1.919862
0.016	209	115	2.007129
0.016	209	120	2.094395
0.016	209	125	2.181662
0.016	209	130	2.268928
0.016	209	135	2.356194
0.016	209	140	2.443461
0.016	209	145	2.530727
0.016	209	150	2.617994
0.016	209	155	2.70526
0.016	209	160	2.792527
0.016	209	165	2.879793
0.016	209	170	2.96706
0.016	209	175	3.054326
0.016	209	180	3.141593
0.016	209	175	3.054326
0.016	209	170	2.96706
0.016	209	165	2.879793
0.016	209	160	2.792527
0.016	209	155	2.70526
0.016	209	150	2.617994
0.016	209	145	2.530727
0.016	209	140	2.443461
0.016	209	135	2.356194
0.016	209	130	2.268928
0.016	209	125	2.181662
0.016	209	120	2.094395
0.016	209	115	2.007129

3. Заходи щодо охорони праці та техніки безпеки

Пожежна безпека – стан об’єкта, при якому з регламентованою ймовірністю виключається можливість виникнення та розвиток пожежі і впливу на людей її небезпечних факторів, а також забезпечується захист матеріальних цінностей.

Причинами пожеж та вибухів на підприємстві є порушення правил і норм пожежної безпеки, невиконання Закону “Про пожежну безпеку”

Електробезпека — це система організаційних та технічних заходів і засобів, що забезпечують захист людей від шкідливого та небезпечного впливу електричного струму, електричної дуги, електромагнітного поля і статичної електрики.

Аналіз виробничого травматизму показує, що кількість травм, які спричинені дією електричного струму є незначною і складає близько 1 %, однак із загальної кількості смертельних нещасних випадків частка електротравм вже складає 20 - 40% і займає одне з перших місць. Найбільша кількість випадків електротравматизму, в тому числі із смертельними наслідками, стається при експлуатації електроустановок напругою до 1000 В, що пов'язано з їх поширенням і відносною доступністю практично для кожного, хто працює на виробництві. Основними причинами електротравматизму на виробництві є: випадкове доторкання до неізольованих струмопровідних частин електроустаткування; використання несправних ручних електроінструментів; застосування нестандартних або несправних переносних світильників напругою 220 чи 127 В; робота без надійних захисних засобів та запобіжних пристосувань; доторкання до незаземлених корпусів електроустаткування, що опинилися під напругою внаслідок пошкодження ізоляції; недотримання правил улаштування, технічної експлуатації та правил техніки безпеки при експлуатації електроустановок та ін.

Активність впливу полей різних діапазонів частот зростає з ростом частоти і дуже серйозно впливає у СВЧ діапазоні. У цьому діапазоні працюють багато теле- та радіостанцій, а також майже усі радіорелейні станції, радіолокатори, та інше. СВЧ випромінювання поштрюється у межах прямої видимості. Ступень ушкодження внаслідок ураження електромагнитними полем СВЧ діапазону може бути різною і частіше залежить від інтенсивності опромінення та часу його дії.

Реферат

Текстова частина дипломної роботи: 28 с., 7 рис., 3 табл., 3 додатки, 6 джерел.

Об’єкт дослідження – приймальна антена для СТБ. Мета дипломної роботи – визначення і розрахунок приймальної параболічної антени супутникового зв’язку.

Метод дослідження аналітичний із використанням комп’ютерних технологій.

Для заданих параметрів проведено обгрунтування досягнення малошумливого прийому і використання розрахунків апертуним методом. Діаграма спрямованності опромінювача і антени розрахована з використанням програми комп’ютерного розрахунку.

ДІАГРАМА СПРЯМОВАНОСТІ ОПРОМІНЮВАЧА, ПРОСТОРОВА ДІАГРАМА СПРЯМОВАНОСТІ ПАРАБОЛІЧНОГО ДЗЕРКАЛА, КОЕФІЦІЄНТ СПРЯМОВАННОЇ ДІЇ, ЕФЕКТИВНА ПЛОЩА ПРИЙМАЛЬНОЇ АНТЕНИ, КУТ РОЗКРИВА, ЕКВІВАЛЕНТНА ШУМОВА ТЕМПЕРАТУРА.

Умови одержання дипломної роботи: з дозволу директора КЗІ ОНАЗ ім О.С.Попова.

Висновки

Наведені в дипломній роботі теоретичні і розрахункові дані про використання параболічних антен в якості пристроїв, які не погіршують шумові характеристики приймальних систем доводять, що за умови точної установки опромінювача і дотримання розрахованих параметрів якості виготовлення параболічного дзеркала можливо зробити антенну систему малошумливою.

Фазові спотворення, що виникають через неточності установки опромінювача не перевищують π/4 Необхідна точність виготовлення дзеркала найбільша в центрі параболоїда - відхилення від ідеальної поверхні не повинне перевершувати величини λ/16,

Важливо використання сучасного обладнання малошумливого блоку (LNB), яке не розраховується, проте відомі характеристики і можливо включити в систему з метою дотримання вимог по зниженню фактору шуму.

Це достатньо складний комплект устаткування. Принцип роботи: короткий відрізок хвилеводу продовжується резонансним зондом або антеною, розташованою в сполучній частині LNB. Вся збірка герметично ізольована від проникнення вологи. Якщо волога попадає всередину блоку і спричинятиме корозію, то за цим може послідувати відмова в роботі пристрою. Деякі головки опромінювачів є єдиним блоком з рупорним опромінювачем, поляризатором і LNB, інші містять окремі компоненти, які необхідно з'єднати разом.

Додаток

Програма розрахунку діаграми спрямованості антени

(Використана програма МАТ ЛАБ)

k=6.28/0.03;

L=.1;

ksi=1.05;

fi=-pi/2:0.01:pi/2;

F=sin(k*L/2*(ksi-cos(fi)))/(k*L/2*(ksi-cos(fi)));

figure(2);

plot(fi*180/pi,abs(F),'k-');grid on;hold on;

L=.2;

F=sin(k*L/2*(ksi-cos(fi)))./(k*L/2*(ksi-cos(fi)));

figure(2);

plot(fi*180/pi,abs(F),'b-');grid on;hold on;

L=.3;

F=sin(k*L/2*(ksi-cos(fi)))./(k*L/2*(ksi-cos(fi)));

figure(2);

plot(fi*180/pi,abs(F),'g-');grid on;hold on;

L=.4;

F=sin(k*L/2*(ksi-cos(fi)))./(k*L/2*(ksi-cos(fi)));

figure(2);

plot(fi*180/pi,abs(F),'r-');grid on

Перелік посилань

1. В.Ф. Хміль, А.Ф. Чаплін, І.І. Шумлянський. «Антени і пристрої СВЧ» – Киев.: Вища школа,1990г.

2. В.П. Чернишов, Д.І. Шейман. «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства». Посібник для техникумов зв’язку. – М.:Радіо і зв'язок,1980р.

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B7%D0%B8%D0%BC%D1%83%D1%82_(%D0%B3%D0%B5%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%8F)

4. http://www.spbtgik.ru/book/1211.htm

5. http://www.cultinfo.ru/fulltext/1/001/008/056/381.htm

6. Е.В.Фрусова «Антени» Харків.:Мастер-клас, 2009р.