Расчет размеров диэлектрического стержня. Выбор подводящего коаксиального кабеля. Расчет размеров волновода и возбудителя, характеристики антенны. Результаты моделирования: общий вид проектируемого устройства, диаграмма направленности, согласование.
Аннотация к работе
В диапазоне СВЧ широко применяются антенны, возбуждаемые поверхностными волнами. Она представляет собой диэлектрический стержень, возбуждаемый круглым волноводом с возбудителем и питающим фидером. В зависимости от требований, предъявляемых к антенне, поперечное сечение стержня, возбудитель и его питание могут изменяться. Волна, распространяющаяся вдоль цилиндрического стержня, является волной с замедленной фазовой скоростью, которая не изменяется по длине стержня. По отношению среднего диаметра стержня к рабочей длине волны и диэлектрической проницаемости материала стержня находим относительную фазовую скорость волны в диэлектрическом стержне из рис.В рамках курсового проектирования разработана и спроектирована стержневая диэлектрическая антенна с заданными параметрами. Рассчитаны ее характеристики; выполнена оптимизация (не до конца) с целью улучшения согласования и уменьшения размеров. В процессе работы изучено много информации о методах проектирования антенн, пройдены основные этапы проектирования (за исключением реализации в железе), получены навыки моделирования, расчета и оптимизации в САПР CTS Microwave Studio.
Введение
В диапазоне СВЧ широко применяются антенны, возбуждаемые поверхностными волнами. Достоинством антенн поверхностных волн (АПВ) является их диапазонность, простота конструкции, небольшие размеры.
Хорошие аэродинамические качества АПВ позволяют использовать их в качестве маловыступающих антенн для подвижных объектов. АПВ состоит из двух частей: возбудителя электромагнитных волн (ЭМВ) и излучающей поверхности. Излучающая часть антенны представляет замедляющую структуру, что способствует увеличению направленности излучения по сравнению с первичным полем возбудителя. В зависимости от типа направляющей поверхности различают плоские, стержневые и дисковые АПВ.
Наибольшее распространение получили стержневые АПВ из диэлектрика, а также в виде металлических стержней с диэлектрической оболочкой.
Диэлектрические стержневые антенны относятся к антеннам бегущей волны с замедленной фазовой скоростью (?ф < с). Они применяются на границе сантиметрового и дециметрового диапазонов волн в полосе частот от 2 до 10 ГГЦ.
На рис. 1 приведена наиболее типичная схема диэлектрической стержневой антенны. Она представляет собой диэлектрический стержень, возбуждаемый круглым волноводом с возбудителем и питающим фидером. В зависимости от требований, предъявляемых к антенне, поперечное сечение стержня, возбудитель и его питание могут изменяться. Наиболее часто используются цилиндрические и конические стержни.
Экспериментальные исследования показывают, что конические стержни позволяют получить большее ослабление боковых лепестков диаграммы направленности, чем цилиндрические стержни. Однако длина конических стержней при одинаковой ширине диаграммы направленности больше, чем длина цилиндрических.
Рис 1. Диэлектрическая антенна с коническим стержнем
Диэлектрический стержень антенны можно рассматривать как отрезок диэлектрического волновода. Из теории диэлектрических волноводов известно, что в них могут распространяться как симметричные, так и несимметричные волны. Волны симметричного типа, как правило, не используются в диэлектрических стержневых антеннах, так как вследствие осевой симметрии они не излучают мощность вдоль оси стержня. Основной волной, используемой с этой целью, является несимметричная волна типа НЕ11, по своей структуре схожая с основной волной круглого волновода H11. Отличие лишь в том, что поле НЕ11 существует и во внешнем пространстве.
С помощью одного стержня удается формировать диаграммы направленности шириной 2??0,5 > 20°..25°. Для получения более узких диаграмм направленности используются решетки, в которых диэлектрические стержневые антенны являются отдельными излучателями. С учетом направленных свойств излучателей, взаимосвязь между ними и влияние решений на входное сопротивление слабее, чем в решетках, состоящих из вибраторов и щелей, что облегчает настройку и управление решеткой.
Скорость распространения волны вдоль диэлектрического стержня мало зависит от длины волны. Поэтому диэлектрические стержневые антенны широкополосные и их полоса пропускания ограничивается, в основном, диапазонными свойствами возбуждающего устройства. При широкополосном возбудителе она может достигать 40-50%.
Преимуществом диэлектрических антенн является простота конструкции и малые поперечные размеры. Как и у всех антенн типа бегущей волны с замедленной фазовой скоростью, их особенностью является то, что сужение диаграммы направленности происходит за счет увеличения не поперечных размеров антенны, а продольных размеров при малом поперечном. Эта особенность определяет их применение, в частности, в авиационных радиоустройствах.
Недостатком диэлектрических стержневых антенн является сравнительно малая пропускаемая мощность и малая направленность излучения.
1. Расчет антенны
Расчет характеристик диэлектрической стержневой антенны основан на следующих предположениях, типичных для расчета антенн бегущей волны: 1. Распределение поля в цилиндрическом стержне совпадает с распределением поля в неограниченном диэлектрическом волноводе того же диаметра.
2. Волна, распространяющаяся вдоль цилиндрического стержня, является волной с замедленной фазовой скоростью, которая не изменяется по длине стержня.
3. Фазовая скорость распространения волны вдоль конического стержня остается постоянной и совпадает с фазовой скоростью волны в эквивалентном цилиндрическом стержне среднего диаметра.
4. Волной, отраженной от конца стержня, пренебрегают.
Перечисленные предположения упрощают картину явлений, происходящих в диэлектрических стержневых антеннах, и позволяют определить распределение поля в диэлектрическом стержне. В действительности, отражения, возникающие при распространении волны в стержне, искажают это распределение. Однако эти искажения при правильном выборе размеров стержня невелики.
1.1 Расчет размеров диэлектрического стержня
В качестве материала диэлектрического стержня выберем полистирол. Его относительная диэлектрическая проницаемость в среднем равна 2,5.
Форму стержня выберем конической. Расчет диэлектрической антенны с коническим стержнем ничем не отличается от расчета антенны с цилиндрическим стержнем. В качестве диаметра стержня выбирается средний диаметр конуса.
На рис. 2 приведены основные размеры, необходимые при расчете антенны.
Рис 2. Размеры антенны
По отношению среднего диаметра стержня к рабочей длине волны и диэлектрической проницаемости материала стержня находим относительную фазовую скорость волны в диэлектрическом стержне из рис. 3: ? ~ 0,9.
Рис. 3. Зависимость относительной фазовой скорости от относительного диаметра стержня для несимметричной волны
При выборе длины стержня учитываются следующие соображения. Из теории антенн бегущей волны известно, что максимальный коэффициент направленного действия антенны достигается при длине стержня, равной
1.2 Выбор подводящего коаксиального кабеля
Волновое сопротивление коаксиального кабеля определяется диаметрами внешнего и внутреннего проводников, а также диэлектрической проницаемостью заполняющего материала.
Выберем тип питающей линии коаксиальной, с волновым сопротивлением 50 Ом.
Таким сопротивлением будет обладать кабель со следующими параметрами: В качестве заполняющего диэлектрика выбираем полистирол.
1.3 Расчет размеров волновода и возбудителя
1.3.1 Волновод
Волновод выбирается таким образом, чтобы в нем было возможно возбуждение волны H11 на рабочей частоте. Также важно, чтобы диаметр волновода был запредельным для волн высших типов, так как на их возбуждение расходуется энергия источника.
Основываясь на изложенных соображениях, был выбран круглый волновод с внутренним диаметром 8 см.
Следовательно, в волноводе будет возбуждаться только основная волна H11, а для ближайшего высшего типа E10 размер волновода запределен (рис 4 и 5).
Длина волновода L1 (см. рис. 2) от вибратора до раскрыва круглого волновода выбирается так, чтобы высшие типы волн не искажали распределение поля основной волны в раскрыве волновода. Рассчитаем ослабление амплитуд ?mn , ближайших к основной волне высших типов волн.
Величины ослабления vmn (см. рис. 6 и 7) должны быть больше 40 ДБ.
1.3.2 Возбудитель
Эффективность возбуждения антенны характеризуется отношением величины мощности, переносимой волной НЕ11 в стержне к полной мощности, подводимой к антенне. Эффективность возбуждения во многом зависит от выбора типа возбудителя. Исследования показывают, что наиболее эффективными возбудителями волны НЕ11 в диэлектрическом стержне являются штыревой вибратор и линейная щель, прорезанная в торцевой стенке круглого волновода. Для щели характерна зависимость эффективности возбуждения от замедления волны в стержне. Этого недостатка лишен штыревой вибратор, который обеспечивает более устойчивое возбуждение.
При длине волны ? > 8 см распространение получила схема возбуждения (рис. 2), при которой штыревой вибратор возбуждения возбуждает диэлектрический стержень, заполняющий круглый волновод. Вибратор является продолжением внутреннего проводника коаксиальной линии, питающей антенну. Размеры и положение вибратора в круглом волноводе выбираются так, чтобы отражения, вызываемые его входным сопротивлением Zвх в питающей коаксиальной линии в рабочем диапазоне частот, были достаточно малыми. Это обеспечивает минимальные потери в коаксиальной линии, увеличивает ее электрическую прочность и облегчает согласование антенны с генератором или приемником.
Согласование Zвх с питающей коаксиальной линией осуществляется изменением длины вибратора L0 при Z1 = ?H11/4. Изменение положения вибратора в круглом волноводе нерационально, так как ведет к значительному искажению поля основной волны и появлению интенсивных волн высших типов, ухудшающих диапазонные свойства волноводно-коаксиального перехода. Поэтому для компенсации реактивной составляющей входного сопротивления Хвх в коаксиальной линии используются согласующие элементы в виде шайб, четвертьволновых трансформаторов или шлейфов с подвижными замыкателями.
В соответствии с изложенными рекомендациями выбираем расположение штыря:
Зная длину стержня возможно вычислить значения коэффициента направленного действия (КНД) и усиления антенны.
Эта формула характерна для КНД антенны бегущей волны с равномерным непрерывным распределением элементарных диполей по оси антенны, которая является приближенной моделью диэлектрической стержневой антенны.
2. Результаты моделирования
Для проектирования антенны воспользуемся системой автоматизированного проектирования (САПР) сверхвысоких частот CST Mcirowave Studio.
Программный пакет CST Microwave Studio - представляет собой обобщенный результат многолетних исследований и разработок в области эффективного и строгого численного моделирования трехмерных электродинамических структур. Это инструмент для быстрого и точного моделирования сверхвысокочастотных устройств, а также анализа проблем целостности сигналов и электромагнитной совместимости во временной и частотной областях с использованием прямоугольной или тетраэдральной сеток разбиения.
Ниже представлены результаты моделирования рассчитанной выше антенны.
Вывод
В рамках курсового проектирования разработана и спроектирована стержневая диэлектрическая антенна с заданными параметрами. Рассчитаны ее характеристики; выполнена оптимизация (не до конца) с целью улучшения согласования и уменьшения размеров.
В процессе работы изучено много информации о методах проектирования антенн, пройдены основные этапы проектирования (за исключением реализации в железе), получены навыки моделирования, расчета и оптимизации в САПР CTS Microwave Studio.
С первого взгляда может показаться, что размер антенны очень велик. Но, учитывая заданную рабочую частоту, такие размеры оправданны. Вообще, как было сказано выше, стержневые диэлектрические антенны применяются в диапазоне от 2 до 10 ГГЦ. Центральная частота для спроектированной антенны 2,45 ГГЦ, что очень близко к нижней границе диапазона. Естественно, эффективность такой антенны невелика.
Также необходимо отметить, что основное время разработки ушло отнюдь не на априорные расчеты или моделирование антенны, а на оптимизацию. Первоначально спроектированная по расчетам антенна уже обладала неплохими характеристиками. Однако, подгонка параметров антенны до оптимальных (КУ, КСВ) оказалась очень времязатратной.