Применение антенн как для излучения, так и для приема электромагнитных волн. Существование большого многообразия различных антенн. Проектирование линейной решетки стержневых диэлектрических антенн, которая собрана из стержневых диэлектрических антенн.
Антенны применяются как для излучения, так и для приема электромагнитных волн. Предающая антенна - это элемент предающей радиостанции, который преобразует энергию токов высокой частоты в энергию электромагнитных волн и излучает их в заданных направлениях. В настоящее время существует большое многообразие различных антенн, в данной курсовой работе требуется спроектировать линейную решетку стержневых диэлектрических антенн, которая собрана из стержневых диэлектрических антенн. Применяются стержни прямоугольного и круглого сечения. наряду со стержнями применяются диэлектрические трубки. В случае если данная ширина ДН не удовлетворяет предъявленным требованиям, то используют решетку из диэлектрических излучателей, в которой стержневые диэлектрические антенны являются отдельными излучателями.В данной курсовой работе спроектирована антенная решетка диэлектрических стержневых антенн, удовлетворяющая заданным в техническом задании параметрам.
Антенны применяются как для излучения, так и для приема электромагнитных волн.
Предающая антенна - это элемент предающей радиостанции, который преобразует энергию токов высокой частоты в энергию электромагнитных волн и излучает их в заданных направлениях.
Приемная антенна выполняет обратную функцию: она преобразует энергию электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты, обеспечивая при этом выделение волн, приходящих с заданных направлений.
В настоящее время существует большое многообразие различных антенн, в данной курсовой работе требуется спроектировать линейную решетку стержневых диэлектрических антенн, которая собрана из стержневых диэлектрических антенн.
Основными элементами стержневых диэлектрических антенн являются диэлектрический стержень 1(рис.1), металлическая обойма 2 и фидерная линия 3. Применяются стержни прямоугольного и круглого сечения. наряду со стержнями применяются диэлектрические трубки.
Поперечное сечение стержней, как правило, сужается от обоймы к свободному концу, а трубок - чаще остается постоянным по всей длине. Коническая форма стержня обусловлена тем, что в этом случае антенна хорошо согласуется со свободным пространством.
Изза конструктивных и технологических преимуществ больше распространены трубки и стержни круглого сечения. Внутренняя полость металлической обоймы возбуждается при помощи коаксиального фидера или волновода и сама является, по сути, отрезком волновода, в свою очередь обойма возбуждает диэлектрический стержень, который является по сути своей диэлектрическим волноводом.
Стержневые диэлектрические антенны применяются на границе сантиметрового и дециметрового диапазонов в полосе частот от 2 до 10 ГГЦ.
Из теории диэлектрических волноводов известно, что в них могут распространяться как симметричные так и не симметричные волны. Симметричные волны, как правило, не используются в стержневых диэлектрических антеннах, т.к. в следствии осевой симметрии они не излучают вдоль оси стержня. Наиболее благоприятным для излучения энергии является тип волны , конфигурация электрического поля для этого типа волны изображена на рис.2:
С помощью одного стержня удается сформировать диаграмму направленности (ДН) шириной не меньше 20-25 градусов. В случае если данная ширина ДН не удовлетворяет предъявленным требованиям, то используют решетку из диэлектрических излучателей, в которой стержневые диэлектрические антенны являются отдельными излучателями.
Преимуществом диэлектрических антенн является малые поперечные размеры и простота конструкции. Диэлектрические антенны являются антеннами бегущей волны, поэтому сужение ДН таких антенн происходит за счет увеличения продольных, а не поперечных размеров. Это особенность позволяет размещать не выступающие диэлектрические антенны на гладкой поверхности фюзеляжей летательных аппаратов, что положительно сказывается на аэродинамических качествах.
Недостаток в том, что в диэлектрике существуют потери, которые ограничивают излучение больших мощностей.
Волна с такой частотой может распространяться в круглом волноводе типа С-120 с параметрами: Критическая частота, ГГЦ, для волн типов: Внутренние размеры, мм: Внешние размеры, мм: Диаметр D, мм:Допуск
, ММДИАМЕТР D, мм:Допуск
, мм
10 13.1 16.7 20.9 38.3 20.244 0.02 22.784 0.065
2.2 Выбор диэлектрика
Типичным недостатком диэлектрической антенны являются потери в диэлектрике, что является причиной уменьшения КПД и появления амплитудных искажений. Поэтому нужно использовать диэлектрик с малым тангенсом угла потерь на рабочей частоте, .
Таким требованием удовлетворяет Фторопласт-4 ( ).
2.3 Выбор диаметра диэлектрического стержня
В диэлектрических антеннах, как правило, нет опасности возбуждения симметричных волн, поэтому есть возможность выбирать диаметр диэлектрического стержня таким, чтобы предупредить распространение несимметричных волн только высшего типа ( ), чтобы это реализовать нужно потребовать выполнения условия: , следовательно можно взять максимальный диаметр стержня равным 2 см, чтобы стержень можно было вставить в волновод.
2.4 Выбор минимального диаметра стержня:
2.5 Фазовую скорость находим по кривым, изображенным на рис.3: рис.3
2.6 Расчет оптимальной длины стержня
Для того, чтобы главный лепесток ДН решетки диэлектрических антенн, при сканировании, не падал ниже уровня 0,707 от исходного, нужно потребовать выполнения условия: , -коэффициент замедления
, 2.7 Нахождение КПД и коэффициента усиления диэлектрической стержневой антенны: По кривым, изображенным на рис.4:
КНД, , тогда коэффициент усиления антенны находим: .
2.8 Расчет и построение диаграммы направленности стержневой диэлектрической антенны: Диаграмма направленности стержневой диэлектрической антенны может быть представлена как произведение: , где - сомножитель , учитывающий неравномерность распределения поля в поперечном сечении диэлектрического стержня; - множитель антенны.
Множитель антенны одинаков для плоскостей Е и Н и рассчитывается по формуле:
М=6.473 - нормирующий множитель. Множитель различен для плоскостей Е и Н и вычисляется по следующим формулам: в Е-плоскости , в Н-плоскости , тогда, учитывая все выше изложенное получим выражения для нормированных ДН в Н и Е плоскостях:
, ДН стержневой диэлектрической антенны, в соответствующих плоскостях, показаны на рис.5,6: Ширина ДН по уровню ноль
:
3. Расчет линейной решетки стержневых диэлектрических антенн: Антенная решетка применяется в том случае, когда требуется сузить ДН, повысить КНД и уменьшит уровень боковых лепестков. ДН решетки можно представить как произведение , где - множитель одиночного излучателя; - множитель решетки.
В данной курсовой работе требуется спроектировать линейную антенную решетку, которая представляет из себя однорядную, одноэтажную и эквидистантную антенную решетку, такая решетка схематически изображена на рис.7:
здесь n - число элементов; - расстояние между элементами (излучателями).
Согласно заданию решетка должна обеспечивать электрическое качание луча, т.е. сканирование. Это возможно реализовать в случае несинфазного режима работы. В основу положено то свойство, что при изменении разности фаз токов соседних излучателей от 0 до , направление максимального излучения плавно поворачивается от нормали к плоскости решетки. В случае если решетка синфазная, то расстояние между элементами следует выбирать оптимальным, т.к. в случае если это расстояние окажется больше, т.к. начнут появляться дифракционные лепестки. Для несинфазной антенной решетки расстояние между элементами следует выбирать меньше оптимального, в противном случае при отклонении луча дифракционные лепестки множителя решетки будут входить в основной лепесток ДН излучателей , что приведет к росту боковых лепестков ДН решетки.
3.1 Максимально допустимое расстояние между излучателями решетки в несинфазном режиме , при котором КНД максимален вычисляется по формуле (требуется обеспечить качание луча на угол ):
3.2 Определение числа элементов решетки: Расстояние между излучателями решетки не должно превышать 4.4 см.
Количество излучателей решетки определяет коэффициент усиления и соответственно КНД, поскольку эти параметры не заданы в техническом задании, то число излучателей следует выбирать исходя из компромисса между максимально допустимым расстоянием между излучателями и размерами самого излучателя. Выберем .
Длина решетки задана и равна , тогда число элементов решетки будет равно: .
3.3 Расчет диаграммы направленности решетки: По техническому заданию требуется обеспечить уровень боковых лепестков в Е плоскости , следовательно в этом случае равноамплитудное возбуждение элементов решетки не подходит. Выберем распределение «Косинус на пьедестале», тогда выражение для множителя решетки будет иметь вид: , где
-величина пьедестала, -угол положения главного максимума. диаграмма множителя решетки, для , приведена на рис.8:
Тогда выражение для ДН всей решетки будет иметь вид:
Рассмотрим нормированные ДН решетки в Е плоскости для
Из приведенных диаграмм видно, что уровень боковых не превышает уровень -16ДБ (пунктирная линия) и при максимальных углах отклонения главного максимума ДН решетки от нормали, его уровень не падает ниже уровня 0.707.
3.4 Определение максимальной разности фаз между соседними излучателями решетки:
3.5 Расчет ширины диаграммы направленности решетки по уровню 0.5: Ширину ДН по уровню 0.5 можно определить по уровню 0.707 ДН.
3.6 Расчет коэффициента усиления антенной решетки: Коэффициент усиления антенной решетки с равноамплитудным возбуждением определяется как произведение: , где -количество излучателей в решетке, - коэффициент усиления одиночного излучателя.
При ориентации луча в направлении нормали решетки КНД , при равноамплитудном возбуждении , тогда Коэффициент усиления ( -КПД), тогда при не равноамплитудном возбуждении
, для распределения «Косинус на пьедестале»
тогда .
4. Схема питания: Самый распространенный способ создания антенных решеток позволяющих производить сканирование это фазированные антенные решетки -ФАР. Существуют активные и пассивные ФАР. В активных ФАР каждый элемент решетки возбуждается от отдельного фазируемого генератора. В пассивных ФАР все излучатели возбуждаются от одного генератора, энергия которого с помощью распределительных фазируемых устройств разделяется между элементами решетки.
Выберем параллельную схему питания, т.к она имеет следующие преимущества: 1) Такая схема позволяет использовать сравнительно маломощные фазовращатели.
2) Сигнал приходит на каждый элемент решетки с одинаковым ослаблением.
3) Отсутствует накопление фазовых ошибок вдоль раскрыва.
На рис. 13 приведена схема питания:
Направленный ответвитель распределяет энергию, поступающую от генератора, между излучателями в соответствии с выбранным законом распределения мощности ( в нашем случае - «Косинус на пьедестале»), далее энергия поступает на фазовращатели, которые обеспечивают требуемый сдвиг фазы между соседними излучателями, затем, через плавный переход от прямоугольного волновода к круглому волноводу, энергия поступает непосредственно к элементам решетки - диэлектрическим антеннам.
5. Полоса пропускания: Полоса пропускания всей антенной решетки зависит от допустимого снижения коэффициента усиления при изменении частоты. Выберем допустимое значение снижения коэффициента усиления , тогда полоса пропускания определяется по формуле: , ,
6. Конструкция излучателя: Излучатель представляет собой диэлектрический стержень, вставленный в круглый волновод. В круглом волноводе возбуждается волна с помощью плавного перехода от прямоугольного волновода к круглому. Глубину погружения диэлектрического стержня в волновод выберем
( сопротивление трансформируется 1:1), этого достаточно чтобы стержень надежно держался в волноводе. Чертеж излучателя приведен на рис.14:
Электрическая прочность Фторопласт-4 35-50 МВТ/м или 350-500 КВТ/см, следовательно, заданная в техническом задании мощность в антенной решетке в 8 КВТ является допустимой.
Вывод
В данной курсовой работе спроектирована антенная решетка диэлектрических стержневых антенн, удовлетворяющая заданным в техническом задании параметрам.
Список литературы
1) Антенны и устройства СВЧ. Проектирование ФАР: Учеб. пособие для
ВУЗОВ / Под ред. Д.И. Воскресенского - М.: Радио и связь, 1994.
2) Антенны и устройства СВЧ. Проектирование ФАР: Учеб. пособие для
ВУЗОВ / Под ред. Д.И. Воскресенского - М.: Советское радио, 1972.
3) Антенно-фидерные устройства. Драбкин А.Л. и др. - М.: Советское радио,1974.
4) Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец.
ВУЗОВ. - М.: Высш. шк., 1988.
5) Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ: Учебник, М.: Высш. шк., 1970.
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
