Сравнительный анализ антенных устройств: вибраторные, щелевые, волноводно-рупорные, поверхностных волн, спиральные, линзовые, зеркальные. Расчет волноводно-щелевой приемной антенны для системы спутникового непосредственного телевизионного вещания.
Аннотация к работе
Исходные данные для расчета Сравнительный анализ антенных устройств Выбор типа антенны Выбор конструкции антенны Расчет конструкции антенны.
Список литературы
Исходные данные для расчета
Орбита спутникового ретранслятора (СР) - геостационарная (ее высота над экватором Земли 35875 км)
Эквивалентная изотропно излучаемая мощность - 44,7 КВТ
Средняя частота излучения СР - 16,4 ГГЦ
Ширина спектра излучения СР - 18 МГЦ
Поляризация излучения СР - линейная
Угол места СР - 21°
Мощность сигнала на выходе антенны - 0,3 ПВТ
Сравнительный анализ антенных устройств
1) Вибраторные антенны (наиболее просты в изготовлении, вследствие чего наиболее распространены, особенно на частотах метрового и дециметрового диапазонов. Вследствие низкого КНД используются в основном как приемные. Легко может быть реализована как линейная, так и круговая поляризация (турникетные антенны). При использовании специальной конструкции могут быть достаточно широкополосные (диполь Надеенко) - полоса до 50%. Входные сопротивления могут изменятся в большом диапазоне значений в зависимости от конструкции): а) Полуволновой вибратор: Форма ДН - тороидальная
Ширина ДН -
Достижимый КНД - 1,64
Диапазон волн - МВ, ДМВ, СМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,3…1,5
Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации б) Петлевой вибратор Пистолькорса: Форма ДН - тороидальная
Ширина ДН -
Достижимый КНД - 1,64
Диапазон волн - МВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - 2…2,5
Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации в) Волновой вибратор: Форма ДН - тороидальная
Ширина ДН -
Достижимый КНД - 2,5
Диапазон волн - МВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,35
Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации г) Вибратор с линейным пассивным рефлектором: Форма ДН - приблизительно кардиоида вращения
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - не менее -15 ДБ
Достижимый КНД - 4…6
Диапазон волн - МВ, ДМВ, СМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,35
Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации д) Вибратор с плоским рефлектором: Форма ДН - приблизительно кардиоида вращения
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - не менее -16,5…-9 ДБ
Достижимый КНД - до 7
Диапазон волн - МВ, ДМВ, СМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,3…1,5
Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации е) Директорная антенна: Форма ДН - игольчатая, без учета влияния Земли
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - -15…-10,5 ДБ
Достижимый КНД - 40
Диапазон волн - МВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,1…1,35
Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации ж) Многовибраторная синфазная антенна с пассивным рефлектором: Форма ДН - игольчатая или веерная
Ширина ДН - до
Уровень боковых (задних) лепестков - -15…-9 ДБ
Достижимый КНД - ограничивается лишь конструктивными особенностями
Диапазон волн - МВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,15…1,35
Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации
2) Щелевые антенны (ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата; распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателя с волноводом; имеет сравнительно простое возбуждающее устройство; проста в эксплуатации; имеет ограниченный диапазон свойств): а) Одиночная односторонняя щель в плоском экране бесконечных размеров: Форма ДН - широкий однонаправленный лепесток
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - четко выраженных боковых лепестков нет
Достижимый КНД - 3…3,5
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,1
Поляризация - линейная б) Кольцевая щель: Форма ДН - воронкообразная
Ширина ДН - ненаправленная в плоскости щели
Уровень боковых (задних) лепестков - четко выраженных боковых лепестков нет
Достижимый КНД - несколько единиц
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,5
Поляризация - линейная в) V-образная щель
Форма ДН - воронкообразная
Ширина ДН - ненаправленная в плоскости щели
Уровень боковых (задних) лепестков - четко выраженных боковых лепестков нет
Достижимый КНД - несколько единиц
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,4
Поляризация - линейная г) Крестообразная щель: Форма ДН - широкий однонаправленный осесимметричный лепесток
Ширина ДН - по ?-му компоненту и по j-му
Уровень боковых (задних) лепестков - четко выраженных боковых лепестков нет
Достижимый КНД - 3,5…4
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,1
Поляризация - эллиптическая д) Двухщелевой облучатель: Форма ДН - широкий однонаправленный осесимметричный лепесток
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - четко выраженных боковых лепестков нет
Поляризация - линейная или эллиптическая ж) Плоская решетка: Форма ДН - игольчатая
Ширина ДН - до
Уровень боковых (задних) лепестков - более -25 ДБ
Достижимый КНД - 3500…4500
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,1
Поляризация - линейная или эллиптическая
3) Волноводно-рупорные антенны (наиболее простые антенны, являющиеся частью питающего волновода. Имеют высокий КПД порядка 100%, являются широкополосными устройствами, однако для достижения высокого КНД необходимо увеличивать ширину раскрыва рупора. При этом ухудшается его согласование с волноводом, так что нужно увеличивать длину рупора пропорционально квадрату увеличения его поперечных размеров. Для обеспечения круговой поляризации необходимо вводить дополнительные элементы в раствор рупора, либо применять пару рупоров с взаимным смещением фаз 900): а) Открытый конец волновода: Форма ДН - однонаправленный широкий лепесток
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - четко выраженных боковых лепестков нет
Достижимый КНД - 2…5
Диапазон волн - СМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - 2,6…2,9
Поляризация - линейная (нетрудно получить круговую) б) Секториальные плоскостные оптимальные рупоры: Форма ДН - веерная
Ширина ДН - в плоскости расширения
Уровень боковых (задних) лепестков - -14…-9 ДБ (уровень бокового излучения взят для направления, соответствующего первому боковому лепестку)
Достижимый КНД - 6…50
Диапазон волн - СМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - 2,6…2,9
Поляризация - линейная в) Коробчатый рупор: Форма ДН - веерная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков -
Достижимый КНД - 2…40
Диапазон волн - СМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - 2,6…2,9
Поляризация - линейная г) Пирамидальный и конический оптимальные рупоры: Форма ДН - однонаправленный узкий лепесток
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - (уровень бокового излучения взят для направления, соответствующего первому боковому лепестку)
Достижимый КНД - 10…400
Диапазон волн - СМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - 2,6…2,9
Поляризация - линейная (нетрудно получить круговую)
4) Антенны поверхностных волн (обладают малыми поперечными размерами, хорошими диапазонными свойствами по диаграмме направленности и входному сопротивлению. Технология их изготовления достаточно проста. Однако у данного типа антенн уровень боковых лепестков по сравнению с другими типами антенн большой, КПД - низкий (за счет поглощения в диэлектрике или переотражения от металлических ребер)): а) Стержневые диэлектрические антенны: Форма ДН - осесимметричная коническая
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 ДБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 ДБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры
Достижимый КНД - 20…120
Диапазон волн - (0,5…30) см
Коэффициент перекрытия диапазона - до 2
Поляризация - линейная или эллиптическая б) Стержневые ребристые антенны: Форма ДН - осесимметричная коническая
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 ДБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 ДБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры
Достижимый КНД - 20…120
Диапазон волн - (3…300) см
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,3…1,5
Поляризация - линейная или эллиптическая в) Стержневые модулированные антенны: Форма ДН - коническая
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 ДБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 ДБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры
Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 ДБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 ДБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры
Достижимый КНД - 25…30
Диапазон волн - (0,5…30) см
Коэффициент перекрытия диапазона - до 2
Поляризация - линейная или эллиптическая з) Дисковые ребристые антенны: Форма ДН - коническая
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 ДБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 ДБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры
Достижимый КНД - 20…30
Диапазон волн - (3…30) см
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,3…1,5
Поляризация - линейная вертикальная
5) Спиральные и логопериодические антенны (основное преимущество - легкость обеспечения поляризации ЭМВ, близкой к круговой без введения дополнительных элементов, простота конструкции. Однако для получения высоконаправленной антенны ее длина должна быть недопустимо большой (не выполняется условие механической прочности)): а) Цилиндрические спиральные антенны: Форма ДН - с увеличением частоты, ДН сужается
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - до 30%
Достижимый КНД - 5…25
Коэффициент перекрытия диапазона - 10…20
Поляризация - эллиптическая или управляемая б) Частотно-независимые эквиугольные спиральные антенны: Форма ДН - ДН является периодической функцией логарифма рабочей частоты
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - до 20%
Достижимый КНД - 2…10
Коэффициент перекрытия диапазона - 10…20
Поляризация - эллиптическая или управляемая в) Частотно-независимые логопериодические антенны: Форма ДН - ДН является периодической функцией логарифма рабочей частоты
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - до 10%
Достижимый КНД - 4…15
Коэффициент перекрытия диапазона - 10…20
Поляризация - линейная (может быть получена эллиптическая и управляемая с помощью двух крестообразно расположенных логопериодических антенн) г) Квазичастотно-независимые плоские архимедовы спиральные антенны: Форма ДН - зависит от закона изменения угла намотки по длине антенны
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - почти отсутствует
Достижимый КНД - 3…6
Коэффициент перекрытия диапазона - до 5
Поляризация - эллиптическая или управляемая д) Квазичастотно-независимые спиральные антенны на телах вращения: Форма ДН - зависит от закона изменения угла намотки по длине антенны
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - до 30%
Достижимый КНД - 2…15
Коэффициент перекрытия диапазона - 2,5…5
Поляризация - эллиптическая или управляемая
6) Линзовые антенны (обеспечивают высокую направленность излучения/приема, однако по сравнению с зеркальными менее требовательны к точности изготовления поверхности, имеют 3 степени свободы (2 поверхности преломления и закон распределения коэффициента преломления) для придания антенне дополнительных свойств (широкоугольное качание диаграммы направленности, требуемое распределения амплитуды и фазы поля по раскрыву). Также отсутствует затенение раскрыва облучателем. Существенными недостатками являются большая масса, узкополосность и потери в веществе линзы): а) Замедляющие линзы - сплошной диэлектрик: Форма ДН - различная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - -20 ДБ
Достижимый КНД - 100…1000
Диапазон волн - (0,1…10) см
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,8
Поляризация - линейная и круговая б) Замедляющие линзы - искусственный диэлектрик: Форма ДН - различная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - -20 ДБ
Достижимый КНД - 1000…10000
Диапазон волн - (3…20) см
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,8
Поляризация - линейная и круговая в) Ускоряющие линзы: Форма ДН - различная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - -20 ДБ
Достижимый КНД - 100…1000
Диапазон волн - (1…10) см
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,8
Поляризация - линейная г) Геодезические линзы: Форма ДН - различная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - -20 ДБ
Достижимый КНД - 1000…10000
Диапазон волн - (1…10) см
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,8
Поляризация - линейная д) Линзы с переменным коэффициентом преломления: Форма ДН - различная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков - -20 ДБ
Достижимый КНД - 100…10000
Диапазон волн - (1…10) см
Коэффициент перекрытия диапазона - 1,8
Поляризация - линейная и круговая
7) Зеркальные антенны (легко обеспечивают высокую направленность, широкополосны, имеют сравнительно простую конструкцию. При высоких частотах требования к точности изготовления очень жесткие (отклонения порядка ). Круговая поляризация обеспечивается конструкцией облучателя или введением дополнительных элементов, что усложнит и утяжелит конструкцию.): А) Однозеркальные антенны: а) Парабола - параболоид вращения осесимметрический: Форма ДН - различная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков -
Достижимый КНД - до 1000000
Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8
Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот) б) Парабола - параболоид вращения усеченный: Форма ДН - различная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков -
Достижимый КНД - до 1000000
Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8
Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот) в) Парабола - круглая или квадратная внеосевая несимметричная вырезка из параболоида вращения: Форма ДН - различная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков -
Достижимый КНД - до 1000000
Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8
Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот) г) Парабола - параболический симметричный цилиндр: Форма ДН - различная
Ширина ДН - (в плоскости профиля)
Уровень боковых (задних) лепестков - (в плоскости профиля)
Достижимый КНД - до 1000000
Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8
Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот) д) Профиль - окружность, зеркало - сферическое: Форма ДН - различная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков -
Достижимый КНД - до 1000000
Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8
Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот) е) Профиль - окружность, зеркало - круглоцилиндрическое: Форма ДН - различная
Ширина ДН - (в плоскости профиля)
Уровень боковых (задних) лепестков - (в плоскости профиля)
Достижимый КНД - до 1000000
Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8
Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)
Б) Двухзеркальные антенны: а) Большое зеркало - параболоид, малое зеркало - гиперболоид: Форма ДН - различная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков -
Достижимый КНД - до 100000000
Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8
Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот) б) Двухзеркальная апланатическая система: Форма ДН - различная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков -
Достижимый КНД - до 100000000
Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8
Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот) в) Большое зеркало - сферическое, малое зеркало - специального профиля: Форма ДН - различная
Ширина ДН -
Уровень боковых (задних) лепестков -
Достижимый КНД - до 100000000
Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ
Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8
Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)
Выбор типа антенны
Нужно спроектировать антенну для системы спутникового непосредственного телевизионного вещания. Вследствие этого к ней должны предъявляться такие требования: · Надежность
· Устойчивость к агрессивному влиянию внешней среды
· Дешевизна
· Простота эксплуатации
· Возможно меньшие габариты и масса
Перечисленному списку хорошо удовлетворяет волноводно-щелевая антенна.
Т.к. эта антенна состоит из металлических волноводов, то чтобы ее повредить требуется большое усилие. В свою очередь ее конструкция проста, что означает маловероятную поломку. Отсюда следует вывод о большой надежности антенны.
При покрытии волноводов антикоррозийными материалами или их изготовлении из коррозостойких металлов предотвращает разрушение антенны изза атмосферных осадков. Ветер, падение деревьев и т.п. должны иметь большую разрушительную силу, чтобы повредить антенну. Т.е второй пункт также выполняется.
Простота конструкции и деталей, дешевизна материалов, простота изготовления - все это приводит к небольшой стоимости антенны по сравнению, например, с зеркальными.
Обслуживание антенны не требует значительных усилий.
Т.к. антенна, в основном, состоит из металлических частей, то она имеет довольно большую массу при сравнительно небольших габаритах.
Как видим, выбранный тип антенны удовлетворяет большинству требований, предъявленных выше.
В свою очередь она реализовывает оптимальную ДН, что приводит к хорошим усилительным свойствам антенны.
По условию проектируемая антенна узкополосная - это исключает такой недостаток волноводно-щелевой антенны как отклонение луча в пространстве от заданного направления при изменении частоты.
Исходя из приведенных доводов, волноводно-щелевую антенну можно применять для систем спутникового телевидения и использовать при предложенных исходных данных.
Выбор конструкции антенны волноводная антенна щелевая спутниковое вещание
Принцип антенны вращающейся поляризации в виде комбинации двух антенн линейной поляризации используется во многих типах антенн, таких как: турникетные антенны, рупорные антенны, диэлектрические стержневые антенны и другие.
Наиболее распространенными являются рупорные антенны. Они представляют собой совмещенную комбинацию двух антенн с перпендикулярными линейными поляризациями. При этом амплитуды полей в раскрыве одинаковы, а фазы сдвинуты между собой на . Это обеспечивается поляризатором, что усложняет конструкцию и расчет антенны. Эти антенны широкополосные, имеют малые потери, большую пропускную мощность (из недостатков - большие габариты). Применяются, в основном, в СМ диапазоне и части ММ диапазона. Используются как в качестве одиночного излучателя, так и в качестве решетки рупоров. Могут выступать в качестве облучателей других антенн (например, зеркальных или линзовых). Применяются и для наземной, и для спутниковой связи, но в основном для наземной связи.
В данной курсовой работе необходимо рассчитать волноводно-щелевую антенну для частоты ГГЦ.
Для проектирования необходимой антенны рассчитаем сначала некоторые параметры, которые будут влиять на размеры и конструкцию антенны.
Определим общую длину трассы луча и длину трассы в пределах слоя тропосферы.
Расположение спутника и Земли:
По теореме косинусов запишем:
Для расчета затухания в атмосфере воспользуемся той же формулой, но вместо h подставим высоты расположения дождя, водяных паров и кислорода.
Известно, что дождевые облака не поднимаются выше 6 - 8 км, водяные пары и кислород находятся в тропосфере не выше 15 км. Примем:
Тогда:
Решив эти уравнения, получим:
Множитель ослабления определим по формуле: (ДБ), где , , - погонные поглощения в парах воды, кислороде и осадках.
На частоте 16,4 ГГЦ эти параметры имеют следующие значения:
- для умеренного дождя.
Выберем
Получаем:
Переведя в разы, получим:
раза
Определим вектор Пойнтинга - плотность потока мощности, которую создает в точке приема спутниковый ретранслятор:
где - эквивалентная изотропно-излучаемая мощность СР.
С помощью вектора Пойнтинга рассчитаем коэффициент усиления антенны: , где - коэффициент направленного действия антенны
- коэффициент полезного действия антенны
, где эффективная площадь антенны
, где - длина волны
Тогда:
Подставив численные значения величин, получим:
Определим КНД антенны: , где GA - коэффициент усиления антенны
HA - коэффициент полезного действия антенны
Коэффициент полезного действия волноводно-щелевых антенн с поглощающей нагрузкой на конце при большом количестве щелей довольно высок и имеет значение близкое к единице. Возьмем . Тогда:
Из того, что мы знаем найдем количество щелей, которые смогут обеспечить прием заданной мощности: , где n - количество щелей
Необходимо, чтобы габариты антенны были минимальными - это ведет к снижению массы антенны. Поэтому оптимальным вариантом будет плоскостная решетка, состоящая из волноводов с прорезанными в них щелями, где количество щелей по длине и ширине будет удовлетворять: Следовательно: мы рассчитываем плоскостную решетку волноводно-щелевых антенн.
Расчет конструкции антенны
Расчет конструкции антенны ведется по следующему алгоритму: 1. Расчет волновода
2. Расчет элемента антенной решетки
1) Расчет волновода
Для расчета данного вида волноводно-щелевой антенны используется прямоугольный волновод с воздушным заполнением. Требуется, чтобы по волноводу распространялся только основной тип волны - .
Так как рассчитывается резонансная антенна
, то все вычисления будем проводить для средней частоты: отклонения для минимальной и максимальной частоты будут незначительны.
Критическая длина волны для любого типа волны равна: ,
где - тип волны, распространяющейся по волноводу а - ширина волновода b - длина волновода
В частности для волны :
Оптимальным для волны считается волновод, если Тогда:
Исходя из полученного a выбираем ближайший стандартный волновод с внутренними размерами: a =15,8 мм b = 7,9 мм
Затухание в волноводе обусловлено в основном электрическими потерями в металле. Значит необходимо выбрать металл с хорошей удельной проводимостью. Возьмем алюминий - относительно дешевый и легкий материал с хорошей проводимостью. Тогда:
- удельная проводимость алюминия.
Вычислим длину волны в волноводе:
2) Расчет элемента антенной решетки
Рассчитываемая антенна является резонансной. Поэтому, согласно [1, стр.119] ее длина равна . В свою очередь ширина щели зависит от ее длины и может быть определена так: ,
где P - подводимая к антенне мощность
N - количество излучателей
- внешняя проводимость щели
Исходя из этого выражения предельная ширина щели очень мала и мы можем брать нужную конструктивных соображений. Возьмем ширину щели равную .
Следующим этапом расчета элемента есть определение его смещения относительно продольной оси волновода. Максимальное возбуждение продольных щелей волновода имеет место при смещении .
Согласно [1, рис 5.2], чтобы продольная щель имела резонансную длину близкую к смещение х не должно превышать . Тогда:
Расстояние между центрами двух щелей равно , причем расположены они в шахматном порядке:
Таким образом, мы получаем плоскую решетку из щелевых излучателей размерами 43 щели 43 щели. Длина волновода вычисляется с учетом количества щелей и короткозамкнутого четвертьволнового отрезка волновода:
где n - количество щелей плоскостной решетки
Ширина антенной решетки:
Здесь а - внешняя стенка волновода (а = 16,3 мм)
Толщина антенной решетки определяется внешней толщиной волновода: b = 8,4 мм
Расчет параметров и характеристик антенны
Определим добротность антенны: , где GA - коэффициент усиления антенны
ТА - шумовая температура антенны
В рассчитываемом диапазоне влияние внешних источников (внешних шумов) пренебрежимо мало. Поэтому ТА определяется тепловым движением электронов в самой антенне:
Также учитывается шумовая температура, обусловленная атмосферой и тепловым излучением Земли:
Тогда:
Подставляя численные значения в формулу для определения добротности, получаем:
Рассчитаем теперь общее затухание спроектированной антенны: , где - количество щелей плоскостной решетки
- длина одного волновода
- затухание в одном волноводе
Подставляя численные значения, получаем:
Рассчитаем теперь диаграмму направленности плоскостной антенной решетки, т.е. рассмотрим эквидистантную дискретную систему излучателей, образующих плоскостную антенную решетку.
Диаграмму направленности в продольной плоскости для продольной щели можно определить с помощью выражения:
Распределение по раскрыву дискретной линейной решетки излучателей экспоненциальное. Тогда:
Здесь - величина, характеризующая неравномерность амплитудного распределения по раскрыву d - постоянная затухания
- длина волновода
- обобщенная координата
- отклонение главного максимума ДН от нормали к линии расположения излучателей
Тогда:
Нормированная ДН линейной решетки имеет вид: , Следовательно:
(Рисунки после списка литературы)
Ширина ДН по мощности при экспоненциальном распределении:
Выбор схемы и конструкция устройства питания антенны
Принятую антенной мощность необходимо отводить от антенны. Для этого используется устройство питания.
Сложность в том, что рассчитываемая антенна состоит из большого количества волноводов.
Реализовать суммирование мощности с помощью волноводных мостов нерационально, т.к. приведет к громоздкости и большой массе конструкции. Поэтому суммирование будет проводиться с помощью змеевидного волновода.
Питающий волновод имеет форму змеевика, изгибаясь по узким стенкам. В его широкой стенке прорезаются круглые отверстия согласно топологии решетки.
При изготовлении устройства питания необходим изгиб питающего волновода под углом в 90° для компенсации отражений. Для этого применим простой уголок с компенсацией. Подбором расстояния d всегда можно добиться компенсации отражений.
Таким образом, схема и конструкция устройства питания были выбраны с учетом требований минимизации массы и габаритов, простоты реализации и относительной дешевизны.
Выводы
В данной курсовой работе была спроектирована волноводно-щелевая приемная антенна для системы спутникового непосредственного телевизионного вещания. Эта антенна обладает такими параметрами и характеристиками: - коэффициент усиления антенны
- коэффициент направленного действия
- коэффициент полезного действия
- ширина ДН по половине мощности
- добротность
- размеры антенной решетки
- количество элементов 1740
- смещение элемента относительно продольной оси волновода 4,5 мм
- внутренние размеры прямоугольного волновода
- материал волновода: алюминий
Спроектированная антенна полностью удовлетворяет исходным данным.
Для этой антенны наилучшим применением является использование в авиационных радиоустройствах, где необходима обтекаемость. Это и есть одним из основных достоинств этой антенны, а также небольшие потери изза почти полной согласованности щелей.
Волноводно-щелевая антенна проста в эксплуатации, имеет сравнительно простое питающее устройство.
Следует заметить, что все применяемые в антенне и питающем устройстве волноводы имеют одинаковые внутренние размеры, что позволяет идеально согласовать питающее устройство с антенной.