РУБРИКИ

Проектирование решетки диэлектрических стержневых антенн

   РЕКЛАМА

Главная

Бухгалтерский учет и аудит

Военное дело

География

Геология гидрология и геодезия

Государство и право

Ботаника и сельское хоз-во

Биржевое дело

Биология

Безопасность жизнедеятельности

Банковское дело

Журналистика издательское дело

Иностранные языки и языкознание

История и исторические личности

Связь, приборы, радиоэлектроника

Краеведение и этнография

Кулинария и продукты питания

Культура и искусство

ПОДПИСАТЬСЯ

Рассылка E-mail

ПОИСК

Проектирование решетки диэлектрических стержневых антенн

Проектирование решетки диэлектрических стержневых антенн

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА РАДИОУПРАВЛЕНИЯ И СВЯЗИ

курсовой проект

по дисциплине «Антенны и устройства СВЧ»

Выполнил: студент гр. 315 Климцов П.В.

Руководитель: ст. преподаватель Рендакова В.Я.

Рязань 2006

Содержание

  • Задание на курсовой проект
  • Введение
  • 1.Теоретическая часть(диелектрическая стержневая антенна)
  • 2. Расчетная часть
  • 2.1 Расчет одиночного излучателя
  • 2.2 Расчет антенной решетки
  • 2.3 Расчет конструкции
  • Заключение
  • Библиографический список
  • ВВЕДЕНИЕ
  • Антенно-фидерное устройство, обеспечивающее излучение и прием, является неотъемлемой частью любой радиотехнической системы.
  • В настоящее время существует большое многообразие различных антенн, в данной курсовой работе требуется спроектировать решетку диэлектрических антенн, которая собрана из стержневых диэлектрических антенн.
  • 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
  • Диэлектрические стержневые антенны относятся к антеннам бегущей волны с замедленной фазовой скоростью().
  • Основными элементами стержневых диэлектрических антенн являются волновод 1, обойма 2, диэлектрический стержень 3(рис.1). 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.
  • Из-за 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.
  • 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. вследствие 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.
  • 2.РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
  • 2.1 РАСЧЕТ ОДНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ
  • Выбор волновода:
  • Рабочая длина волны определяется формулой
  • ,
  • где м/с - скорость света в вакууме, Гц - рабочая частота
  • Волна с такой частотой может распространяться в круглом волноводе типа С-120, внутренним диаметром 1,745 см.
  • 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 полистирол ().
  • Расчет геометрии стержня:
  • Так как техническим заданием определен коэффициент усиления антенны, то он будет определять геометрические размеры.
  • По определению коэффициент усиления антенны равен произведению КПД на КНД:
  • Для простоты расчета КПД принимается равным 100%, т.е.:
  • Неидеальность диэлектрика будет учтена далее.
  • Зависимость КНД антенны от её длины определяется следующим соотношением:
  • откуда
  • ,
  • где [разы].
  • раза
  • см
  • Для определения диаметра стержня необходимо найти коэффициент замедления - отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости:
  • Из приведенного на рисунке 2 графика следует, что для данного коэффициента замедления отношение т.е.
  • .
  • см.
  • По определению
  • , где dmax - диаметр возбудителя. Откуда
  • см.
  • Расчет ДН излучателя:
  • При расчете ДН антенны предполагают, что волна, отраженная от конца стержня пренебрежимо мала, а также волна, распространяющаяся вдоль стержня, является волной с замедленной фазовой скоростью, которая не изменяется по длине стержня.
  • Выражение для ДН с учетом сказанного имеет вид:
  • ,
  • где - угол между направлением в точку наблюдения и осью стержня,
  • - лямбда функция.
  • Это выражение состоит из трёх множителей.
  • Первый множитель характеризует влияние на ДН одиночного элемента тока. Второй множитель - влияние поперечного размера стержня. Последний множитель описывает влияние продольного размера стержня.
  • Множитель на ДН в плоскости Е не оказывает малое влияние на ее форму. В плоскости Н этот множитель отсутствует, поэтому в ДН несколько выше уровень боковых лепестков чем в плоскости Е. Множитель при можно не учитывать.
  • Множитель оказывает определяющее влияние на ДН. Поскольку излучение антенны связано с потерей энергии в стержне, следует предположить затухание волны, которое можно выразить комплексным коэффициентом распространения , где - коэффициент фазы, - коэффициент затухания.
  • Коэффициент затухания, характеризующий убывание поля вдоль стержня из-за этих потерь, определяется выражением:
  • ,
  • где R - фактор затухания, зависящий от типа волны, , и диаметра стержня. Зависимость фактора затухания для волны Н11 от относительного диаметра стержня приведена на рис.3.
  • рис. 3
  • По графику находим, что для отношения и для R=0.65.
  • Тогда коэффициент затухания равен:
  • Коэффициент фазы определяется соотношением . .
  • Для малого затухания можно считать, что
  • ,
  • где .
  • Так как , то мнимой частью данного выражения можно пренебречь.
  • Окончательно выражение для ДН имеет вид:
  • для плоскости Е
  • ;
  • для плоскости Н
  • .
  • Диаграммы направленности (в декартовой системе координат) изображены на рис. 4(плоск.Е) и рис.5(плоск.Н).
  • рис.4
  • рис.5
  • ДН в полярной системе координат:
  • рис.6
  • рис.7
  • Ширина ДН на нулевом уровне определяется соотношением:
  • Ширина ДН на уровне половинной мощности определяется выражением:
  • 2.2 РАСЧЕТ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
  • 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 антенную решетку, которая представляет собой антенную решетку, которая схематически изображена на рис.8:
  • Здесь N1 - число элементов в строке, N2 - число элементов в столбце, d1 - расстояние между элементами (излучателями) в строке, d2 - расстояние между элементами в столбце.
  • Так как согласно заданию решетка синфазная, то расстояние между элементами следует выбирать оптимальным, т.к. в случае если это расстояние окажется больше, т.к. начнут появляться дифракционные лепестки.
  • ДН в плоскости Н согласно технического задания должна быть в 4 раза шире ДН в плоскости Е. Эту проблему можно было бы решить расположив элементы в пропорции 4N1=N2.Однако общее число излучателей, равное Nобщ=N1N2=50, также задано и накладывает дополнительные ограничения. Чтобы найти число излучателей в строках и столбцах нужно решить систему уравнений:
  • Решив ее получим не целочисленные значения, поэтому соотношение ДН в разных плоскостях можно соблюсти изменяя расстояние между излучателям в плоскости Н(расстояние между излучателями в плоскости Е - оптимальное).
  • Учитывая вышесказанное, принимается N1=5, N2 =10.
  • Оптимальное расстояние между излучателями определяется формулой:
  • Подставив в нее значения, получим:
  • см.
  • Ширина ДН решетки в плоскости Е определяется выражением
  • Соответственно для ширины ДН в плоскости Е получим:
  • Расстояние между излучателями в плоскости Н найдем из системы уравнений:
  • Выразив отсюда d1 получим:
  • см.
  • Множитель решетки при синфазном питании элементов имеет вид:
  • ,
  • где .
  • Тогда для плоскости Н он запишется так:
  • Для плоскости Е:
  • Как было сказано ранее, ДН антенны является произведением ДН одного излучателя на ДН множителя решетки.
  • Соответственно ДН антенны в плоскости Н:
  • В плоскости Е
  • рис.9
  • Уровень боковых лепестков для решетки с оптимальным расстоянием между излучателями характеризуется следующим соотношением:
  • Для числа излучателей >10 КНД определяется по формуле:
  • ,
  • где D1 - КНД одного излучателя.
  • раз
  • .
  • Коэффициент усиления по определению - произведение КНД на КПД:
  • КПД определяется следующим выражением:
  • Коэффициент усиления с учетом потерь в диэлектрике:
  • раз
  • .
  • 2.3 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ
  • Схема питания строки излучателей представлена на рис. 10
  • Направленный ответвитель распределяет энергию, поступающую от генератора, между излучателями в соответствии с выбранным соотношением мощности затем, через Н - тройники и плавные переходы от прямоугольного волновода к круглому, энергия поступает непосредственно к элементам решетки - диэлектрическим антеннам. Соединив таким образом излучатели в строке получим столбец из 5 волноводов, схема питания которого изображена на рис. 11.
  • рис.11
  • Излучатель представляет собой диэлектрический стержень, вставленный в круглый волновод. В круглом волноводе возбуждается волна с помощью плавного перехода от прямоугольного волновода к круглому. Длину перехода круглого волновода в волновод заполненный диэлектриком стержня выберем . Чертеж излучателя приведен на рис.12:
  • Для волны длиной 2.5 см используется прямоугольный волновод марки R120. Размеры волновода , . Чтобы от перехода прямоугольный - круглый волновод не было отражения длина его должна быть не меньше длины волны. Конструкция перехода приведена на рис.13.
  • ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  • В данной курсовой работе спроектирована антенная решетка диэлектрических стержневых антенн, удовлетворяющая заданным в техническом задании параметрам.
  • БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
  • 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) Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устойств. - М.: Энергия, 1966.


© 2007
Полное или частичном использовании материалов
запрещено.