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 d_max - 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 N_общ=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.