книги / Основы проектирования антенных конструкций

Г. А. С а в и ц к и й

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Издательство «Связь» Москва 1973

«Ф2

С13 УДК 621.396.67.001.2

Савицкий Г. А.

С13 Основы проектирования антенных конструкций. М., «Связь», 1973.

112 с. с илл.

В книге сообщаются сведения о конструкциях антенн для радиосвя­ зи, радиовещания и телевидения; рассматриваются основные радиотех­ нические требования к ним и пути совершенствования этих устройств. Показана роль прикладкой климатологии, геофизики, аэродинамики, ма­ тематической статистики, машинного анализа при проектировании антенн.

Излагаются основы расчета нитей, мачт с оттяжками, мобильных мачт, башен, фундаментов антенных сооружений. Приводятся основные положения по повышению надежности и аэродинамической устойчивости антенн.

Книга рассчитана на специалистов, работающих о области теории, проектирования н эксплуатации антенн.

П Р Е Д И С Л О В И Е

Современные антенны радиосвязи, ра­ диовещания и телевидения — это сложные электромеха­ нические устройства. Длина проводов одной антенны мо­ жет достигать нескольких сотен километров, высота мачт — 600 м и более, вес стальных конструкций — ты­ сячи тони. Антенны свч и даже укв выполняют с особой точностью и малой деформативности с учетом различ­ ных метеорологических условий и силовых воздействий. Значительная стоимость антенных сооружений вызывает необходимость находить при их проектировании наибо­ лее экономичные решения при соблюдении всех техни­ ческих требований и обеспечении надежности. Этому способствует использование при расчетах антенных уст­ ройств прикладной климатологии, аэродинамики, теории колебаний и др., а также теории вероятностей и надеж­ ности, математической статистики.

С ростом размеров, особенно высоты антенн, домини­ рующим фактором в расчетах прочности и жесткости конструкций становится ветер, являющийся случайной кратковременной динамической нагрузкой, вызванной турбулентностью воздушного потока. Ветер оказывается причиной нередко возникающих вибраций, приводящих иногда к разрушениям отдельных деталей и даже всего сооружения. При расчете проводов и канатов антенн не­ обходимо учитывать обледенение.

Высокая точность расчета на ЭВМ требует более полного представления о механизме явлений, надежно­ сти исходных данных, влиянии параметров с физической и геометрической нелинейностью, приводящих к неу­ стойчивым решениям. При расчетах антенных устройств важно ясное физическое представление и тесное содру­ жество механиков со специалистами в области теории антенн.

В данной книге обобщаются современные основы рас­ чета антенных сооружений. Замечания и пожелания просьба направлять в издательство «Связь» (Моеквацентр, Чистопрудный бульвар, 2).

а

АНТЕННЫ КАК СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ

форм, вызванным широким диапазоном воли, — от де­ сятков километров до единиц миллиметров.

Совершенствование конструкций, улучшение методи­ ки расчета, внедрение более прочных материалов, инду­ стриализация изготовления и монтажа позволяют соз­ давать проволочные антенны с активной площадью в несколько квадратных километров, мачты высотой 600 м и более, высокой точности рефлекторы размером в гектары. Стоимость современных антенн нередко со­ ставляет 30% и более общих затрат на строительство радиостанции, поэтому вопросы экономики получают большое значение.

В развитии теории и конструкций антенн достаточно четко выявились три периода: первый — характерный появлением антенн преимущественно длинных волн (дв), второй — антенн средних (св) и коротких (кв) волн и третий — антенн метровых, дециметровых и сантимет­ ровых волн (укв и свч). Основным сведениям об эволю­ ции антенн посвящена статья Б. В. Брауде, в которой, кроме того, даются 117 библиографий [I]. Описание сов­ ременных антенных устройств приведено в статье

Г.3. Айзенберга и С. П. Белоусова [2] и в монографии

Г.А. Савицкого [3].

А н т е н н ы д л и н н ы х волн. Конструкции антенн дв не очень сложны. Они образуются из нескольких оди­ наковых секций горизонтальной сети из медных, бронзо­ вых или биметаллических, чаще всего сталеалюминие­ вых проводов диаметром 20 мм и более, подвешенных к мачтам высотой до 400 м (рис. 1.1)..Площадь активной

4

части современных антенн составляет несколько единиц квадратных километров, общая длина проводов — де­ сятки километров.

Антенны дв не претерпели принципиальных измене­ ний. Вначале были распространены антенны с сетью проводов, изображенной на рис. 1.1а, в последнее вре­ мя перешли к антеннам с секционированной сетью,

Рис. 1.1. Схемы сети проводов антенн длинных волн

изображенной на рис. 1.16 и в. Секционированные сети имеют повышенную живучесть и удобнее при проведении профилактических работ.

Лучшие технико-экономические показатели имеют антенны дв с сетью, подвешенной к опорам наибольшей допустимой высоты, ограничиваемой безопасностью по­ летов. При таком решении сокращается территория ра­ диостанции, длина дорог, ограждений, различных ком­ муникаций, число освещаемых объектов. С ростом вы­ соты опор уменьшается число пролетов сети, и следова­ тельно, количество изоляторов и механических деталей, являющихся наиболее часто повреждаемыми элемента­ ми антенны. Для более полного использования высоты опор Применяют провода повышенной прочности, чем снижается провисание. Сеть подвешивают с постоян­ ным натяжением, поддерживаемым противовесами (контргрузами) или механическими подъемными лебед­ ками, снабженными специальным автоматическим устройством, стабилизирующим усилие в подъемных канатах при изменении нагрузок (лед, ветер) на прово­ да. Средняя действующая высота антенны за год при таком способе подвески больше, чем при жестком за­ креплении.

5

Рис. 1.2. Схемы мачт-антенн:

а) четверть- и полуволновые вибраторы: б) с емкостной нагруз­ кой; в) с пониженным волновым сопротивлением

1 — ствол мачты, 2 — оттяжка, 3 — изолятор опорный, 4 — фидер, 5 — изо­ лятор оттяжечный, 6 — наклонный луч

подвешенной к деревянным или позже стальным опорам, до сложных систем из многих мачт-антенн высотой до 350 м. Излучающая мощность выросла от единиц и де­

няют систему из двух, четырех и более мачт-антенн, рас­ положенных на небольшом расстоянии друг от друга, диктуемым -длиной волны. Иногда это приводит к необ-

6

ходимости укорочения откоса анкеров дли закрепления оттяжек .в грунте, '«гго повышает стоимость конструкций. (Решение может быть в виде мачт с оптимальным накло­ ном оттяжек (около 45°), но 'немного развернутых в пла­ не, чтобы исключить касание канатов смежных .мачт.

Наиболее трудная задача — изоляция оттяжек мачт-антенн. С увеличением количества изоляторов в оттяжке повышается сечение каната, нагрузка на изо­ ляторы достигает иногда 100 т. При излучении мощности 1000 кВт и более обычное число ярусов оттяжек мачты недостаточно по условиям предельной нагрузки на изо­ ляторы, поэтому появляются еще один-два яруса, что удорожает строительство. Промышленность поставляет опорные изоляторы высотой до 1000 мм на разрушаю­ щую нагрузку до 2100 т, т. е. удовлетворяющие самым высоким электромеханическим требованиям.

Башни-антенны применяются значительно реже из-за сложности изоляции ствола от фундаментов и примерно в 2—2,5 раза большей стоимости по сравнению с высо­ кими мачтами.

Антенну св в виде Т-образной сети на опорах высотой 50-^60 м теперь используют только для ближнего ве­ щания.

Рис. 1.4. Общий вид синфазной горизонтальной антенны с настраиваемым рефлектором

7

А н т е н н ы к о р о т к и х волн. Современные антен­ ны кв — это преимущественно сети, состоящие из мно­ гих десятков проволочных вибраторов (рис. 1.4). Жест­

Рис. 1.5. Общий вид двойной ромбической антенны

тальные диапазонные вибраторы и другие, а на приеме— антенны бегущей волны.

Одним из основных направлений развития передачи на кв является внедрение многоэтажных синфазных горизонтальных диапазонных антенн (СГД), состоящих из проволочных цилиндрических или плоскостных (фир­ ма Маркони) вибраторов. Это потребовало усложнения схемы, питания, конструкции фидеров, фидерных транс­ форматоров.

Эффективность радиостанции кв повышается с уве­ личением излучаемой мощности и коэффициента направ­ ленности антенны. Слабонаправленные используются в передаче информации на относительно небольшие рас­ стояния. Антенны кв часто выполняют в виде излучаю­ щей системы с отражателем, аналогичным антенне. Ти­ пичный пример — синфазные горизонтальные диапазон­ ные антенны с настраиваемым рефлектором СГД-РН (см. рис. 1.4).

Стремление к использованию более широкого диапа­ зона кв. не прибегая к перестройке антенны на другую волну, вызвало появление диапазонных многовибратор­ ных антенн с апериодическим (ненастраиваемым) реф­ лектором в виде вертикальной сети из большого числа горизонтальных проводов (рис. 1.6). Различие конст­ рукций антенны и рефлектора приводит при ветре к \ асинхронному раскачиванию сетей, величину сближения

6

которых ограничивают, чтобы не ухудшать характери­ стики антенны и не допускать разрядов между провода­ ми антенны и заземленного рефлектора. Это облегчает нагрузку на опоры.

В некоторых случаях необходимо антенное устройст­ во кв, способное излучать (принимать) волны в любом направлении. Для этого ряд антенн, каждая ориентиро­ ванная по своему азимуту, подвешивают к группе мачт, расположенных в углах многоугольника. Горизонталь­ ными вантами, соединяющими мачты, гибкими раскоса­ ми из стального каната в плоскости двух смежных мачт и внешними оттяжками образуется упругий цилиндр, служащий общей опорой для подвески к ней нескольких антенных полотей (рис. 1.7). Для придания жесткости опоре ее вантам, раскосам и оттяжкам сообщается предварительное натяжение. Надежность такой опоры та же, что и у группы отдельных мачт, расположенных друг от друга на расстоянии в пределах их высоты, по­ тому что при обрушении одной из мачт в аварию могут быть вовлечены и другие. В последнее время стали вне­ дряться логопериодические антенны не только стацио­ нарные, но и поворачивающиеся по азимуту и углу места.

9

Требования к конструкциям ненаправленных антенн кв ограничиваются поддержанием волнового сопротив­ ления фидеров. Это решается постановкой распорок между проводами и постоянным натяжением их проти­ вовесом. Допуски на изготовление и монтаж конструк­ ций удовлетворяются простыми средствами — требуется предварительная вытяжка и точные длины проводов.

В конструкциях направленных антенн кв предъяв­ ляются более жесткие требования к постоянству взаим­ ного расположения (расстояния) сетей: появляются го­ ризонтальные несущие канаты (лееры), к которым через изолированные «поводки» подвешиваются вибраторы, повышается тяжение проводов антенны и рефлектора, уменьшающее стрелу провисания и, следовательно, амплитуду раскачивания сетей.

При выборе величины допусков на отклонение кон­ струкции при ветре или гололеде с ветром анализируют работу антенны за год. Допустимую деформацию сети устанавливают статистически обоснованными понижен­ ными значениями нагрузки, чем достигается более эко­ номичное решение конструкции по сравнению с рассчи­ танными на максимальную нагрузку.

Ураганный ветер или большой гололед, как редкие нагрузки, не должны быть причиной усложнения кон­ струкции по условиям ее деформативности (жесткости).

Рис. 1.7. Схема опоры D виде вантового упругого цилиндра