Параметрический синтез антенны базовой станции по заданным требованиям к диаграмме направленности

[Введите текст]

Поволжский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики Кафедра «Электродинамики и антенн»

Контрольная работа по теме:

«Параметрический синтез антенны базовой станции по заданным требованиям к диаграмме направленности»

Самара 2013г

Введение

Теоретические сведения об антенных решетках Аналитический расчет параметров антенной решетки Моделирование антенной решетки Анализ полученного результата Заключение Литература

Антенной называется радиотехническое устройство, предназначенное для изучения или приема электромагнитных волн. Антенна является одним из важнейших элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемом радиоволн. К таким системам относят: системы радиосвязи, радиовещания, радиоуправления и др.

Форма, размеры и конструкция антенн разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения антенны.

Антенны могут изготавливаться из проводящих, или диэлектрических материалов. Излучающие структуры могут быть изготовлены путём напыления проводящих материалов на диэлектрические подложки.

Направленность действия простейшей антенны — симметричного вибратора — невысокая. Для увеличения направленности действия уже на первых этапах развития антенной техники стали применять систему вибраторов — антенные решётки. В настоящее время антенные решётки — наиболее распространённый класс антенн, элементами в которых могут быть как слабонаправленные излучатели (металлические и щелевые вибраторы, волноводы, диэлектрические стержни, спирали и др.), так и узконаправленные излучатели.

Теоретические сведения об антенных решетках

Антенная решётка (АР) — сложная направленная антенна, состоящая из совокупности отдельных слабонаправленных антенн (излучающих элементов), расположенных в пространстве особым образом. Антенные решётки применяются для повышения усиления всей системы в сравнении с отдельным антенным элементом, а также получения возможности управления формой.

Фазированная решётка — направленная антенна с управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование) позволяет: формировать необходимую диаграмму направленности ФАР (например, остронаправленную — луч), изменять направление луча неподвижной ФАР и осуществлять быстрое сканирование — качание луча, управлять в определённых пределах формой диаграммы направленности — изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т. п. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов (более 103), входят в состав различных авиационных и космических радиоустройств, зенитных комплексов. ФАР применяется в бортовой РЛС на ЛА различных типов, в первую очередь на истребителях-перехватчиках. Различают пассивную и активную ФАР. В пассивных ФАР используются общие для всех элементов антенны приёмник и передатчик. В активной ФАР каждый элемент является передающим или приёмно-передающим модулем. Основным элементом ФАР являются электронно-управляемые фазовращатели, формирующие диаграмму направленности антенны. Однако, современные ЛА требуют, как правило, больших зон обзора, что приводит к необходимости использования нескольких антенных решёток. Основным недостатком ФАР, ограничивающим их применение на ЛА, является большая масса, превосходящая в 2 раза массу зеркальных антенн. Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения. Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы, часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов, щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны.

В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов:

* вдоль линии (прямой или дуги);

* по поверхности (например, плоской — в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической)

* в заданном объёме (объёмные ФАР).

антенный решетка диаграмма направленность

Аналитический расчет параметров антенной решетки

По заданию рабочая частота равна 330 МГц.

Формула для расчета длины волны:

где cскорость света (с = м/с) ѓ - рабочая частота Тогда,

м

Моделирование антенной решетки

1. В программе MMANA строим антенную решетку, для начала нужно подобрать координаты расположения антенны в пространстве таким образом, что бы соответствовало техническим требованиям данным преподавателем.

Ширина главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости: 65є

Ширина главного лепестка ДН в вертикальной плоскости: 20є

Создадим три вибратора длиной 0,5л. Начальное расстояние между вибраторами примем равным 0,25л.

Рис. 1 — Таблица значений х, у, z для первого этажа антенны Диаграмма направленности имеет вид:

Рис. 2 — Диаграмма направленности антенны Из рисунка 2 видно, что ширина главного лепестка в вертикальной плоскости не соответствует техническим требованиям. Необходимо увеличить количество этажей антенны, т.к. они определяют ширину ДН в вертикальной плоскости и расстояние между вибраторами.

Рис. 3

Диаграмма направленности имеет вид:

Рис. 4

Ширина главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости соответствует заданным требованиям, а ширина главного лепестка ДН в вертикальной плоскости нет. Чтобы добиться нужного результата в вертикальной плоскости, увеличиваем горизонтальное расстояние между вибраторами.

Рис. 5 — Таблица значений х, у, z для трёх этажей антенны Диаграмма направленности имеет следующий вид:

Рис. 6

Антенная решетка соответствует заданным требованиям.

Рис. 7 — Трехмерное изображение моделируемой антенны

2. Строим рефлектор, располагая его за антенной решеткой на расстоянии 0,25л.

Рис. 8

Рис. 9 — Трехмерное изображение антенной решетки с рефлектором После построения рефлектора ДН в горизонтальной плоскости немного сузилась, поэтому необходимо немного увеличить расстояние между вибраторами.

Рис. 10

Антенная решетка соответствует заданным требованиям.

В итоге получаем:

Рис. 11

Рис. 12

Уровень бокового излучения: не более -10дБ Уровень заднего излучения: не более -24дБ, что соответствует заданию.

3. Подбираем фазу, чтобы угол наклона главного лепестка ДН в вертикальной плоскости был равен 2є.

Рис. 13

Рис. 14

Угол наклона соответствует заданным требованиям.

3D ДН с необходимым углом наклона главного лепестка в вертикальной плоскости.

Рис. 15 Рис. 16

Анализ полученного результата

Ширина главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости равна 65є, что соответствует заданию.

Ширина главного лепестка ДН в вертикальной плоскости получилась 20є, соответствующая заданию.

Угол наклона главного лепестка ДН в вертикальной плоскости соответствует техническому заданию и равен 2є.

Уровень бокового излучения получился равным не более -10 дБ, что соответствует заданию.

Уровень заднего излучения получился так же удовлетворяющий техническому заданию, равен не более -24 дБ.

Заключение

В данной индивидуальной работе был произведен параметрический синтез антенны базовой станции, представляющую из себя эквидистантную фазированную антенную решетку вертикальной поляризации, который заключался в 3 этапах. На первом этапе произвели построение симметричного четвертьволнового вибратора. Задавшись полученными расчетными данными смоделировали антенну, удовлетворяющую требованиям. На втором этапе, достроили рефлектор и также добились необходимых результатов. Третий этап завершил параметрический анализ. В нем, изменяя угол наклона главного лепестка ДН в вертикальной плоскости, добились последнего нужного параметра.

1. Методическая разработка к лабораторному практикуму по курсу «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства». Авторы-составители: к.т.н., доцент Маслов М. Ю., доцент, к.т.н. Ружников В. А., ассистент Скачков Д.В.