Линейная решетка стержневых диэлектрических антенн

Министерство образования Российской Федерации Рязанская государственная радиотехническая академия.

кафедра РУС

Пояснительная записка

к курсовой работе на тему:

Линейная решетка стержневых диэлектрических антенн Рязань 2004 г.

Задание

Расчет одиночного излучателя

Расчет антенной решетки стержневых диэлектрических антенн

Схема питания

Полоса пропускания

Конструкция излучателя

Заключение

1. Введение

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.

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 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.

2. Расчет одиночного излучателя:

2.1Выбор волновода:

Рабочая частота

.

Волна с такой частотой может распространяться в круглом волноводе типа С-120 с параметрами:

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:

рис.4

находим фактор затухания R,,. Коэффициент затухания обусловленный потерями в диэлектрике:

КПД ,

%.

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:, гдеколичество 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.

7. Заключение

В данной курсовой работе спроектирована антенная решетка диэлектрических стержневых антенн, удовлетворяющая заданным в техническом задании параметрам.

8. 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.