Введение

1. Расчет геометрических параметров антенны

2. Расчет электрических параметров антенны

3. Система питания проволочной ЛПА Заключение Библиографический список Приложение, А (Диаграммы направленности проволочной ЛПА) Приложение Б Приложение В (Замечания руководителя)

ВВЕДЕНИЕ

Логопериодические антенны (ЛПА) относятся к классу широкополосных антенн, сохраняющих при изменении частоты как форму ДН, так и входное сопротивление. Их конструкция основана на принципе электродинамического подобия. ЛПА представляют собой в самом общем случае набор щелевых и вибраторных излучателей увеличивающихся размеров. [1]

Каждый излучатель интенсивно возбуждается в определенной полосе частот, близкой к его резонансной частоте. Если размеры излучателя выбраны так, что в этой полосе его ДН и входное сопротивление меняются незначительно, а периодичность изменения размеров излучателей такова, что рабочие полосы примыкают друг к другу, то антенна будет сохранять свои характеристики в весьма широкой полосе частот. Так как свойства излучателей изменяются в зависимости от относительного изменения частоты, то электрические свойства антенны оказываются периодической функцией логарифма частоты. Отсюда и происходит название рассматриваемого класса антенн: логопериодические антенны.

На рисунке 1 изображена двугранная логопериодическая антенна с плоскостными трапецеидальными выступами.

Рисунок 1 — ЛПА с плоскостными трапецеидальными выступами

Если плоскости, в которых расположены оба полотна плоской ЛПА, повернуть к друг другу около штрих-пунктирной линии, так, чтобы они образовали двугранный угол величиной ?, то образуется двугранная ЛПА.

Размеры излучающих элементов ЛПА пропорциональны их расстоянию от вершины структуры (точки возбуждения). Поэтому в соответствии с рисунком 1 для двугранных ЛПА основными параметрами являются: углы ?,? и ?;? — отношение расстояний от вершины до одноимённых краёв двух соседних трапецеидальных (или другой формы) выступов;? — отношение расстояний от вершины до внутреннего и внешнего края одного выступа.

Параметр называется периодом структуры ЛПА. Он определяет ее конструктивные размеры и частотные свойства.

Двугранные ЛПА из плоскостных элементов имеют более стабильные характеристики в диапазоне частот и наибольшую диапазонность при заданных габаритах. Но их конструкция сложнее, они имеют заметный вес и парусность, поэтому удобно реализуемы в сантиметровом и коротковолновой части дециметрового диапазона. В коротковолновом, метровом и дециметровом диапазонах более подходящими являются ЛПА с проволочными структурами, с трапецеидальными или треугольными зубцами. Длина треугольных зубцов должна быть примерно на 20% больше, чем длина трапецеидальных зубцов.

Логопериодические антенны широко применяются как самостоятельные широкополосные антенны в УКВ и КВ диапазонах. Для увеличения направленности из ЛПА часто формируют линейные и плоские антенные решетки. Двугранные ЛПА с плоскостными трапецеидальными элементами рекомендуются как облучатели зеркальных и линзовых антенн.

1. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ

Исходя из поставленного задания для проектирования двухгранной ЛПА, приведенного в таблице 1 (вариант 02), произведем расчет геометрических параметров.

Т, а б л и ц, а 1 — Параметры для синтеза плоскостных и проволочных двугранных ЛПА

Рассчитаем диапазон длин волн, м, и, м, по формуле:

, (1)

.

Коэффициент перекрытия будет равен:

.

Определяем максимальную и минимальную длины вибраторов lmax, м, и lmin, м по формуле:

, (2)

.

Руководствуясь полученными данными выберем тип конструкции. Опираясь на расчетные размеры, отдадим предпочтение проволочной двугранной ЛПА, поскольку плоскостная двугранная ЛПА при таких габаритах будет иметь большую парусность.

Сопоставив задание и данные таблицы 2, выберем подходящие геометрические параметры (таблица 3).

Т а б л и ц, а 2 — Параметры двугранных проволочных ЛПА для? ? 0,7

Т а б л и ц, а 3 — Параметры двугранных проволочных ЛПА для? ? 0,7

Выбор типа конструкции двугранной ЛПА произведём по таблице 4:

Т а б л и ц, а 4 — Усредненные характеристики ЛПА

Примем период структуры равным .

Обычно? принимают, при этом отношение ширины выступа к ширине паза с обеих сторон от оси каждого полотна ЛПА оказывается одинаковым.

Отсюда:

0,7

Исходя из значения периода структуры находим требуемое число вибраторов ЛПА по формуле (5):

(5)

где n — число вибраторов,

отсюда:

.

Примем число вибраторов равным n = 3.

Длину одной плоскости антенны L, м, получим из формулы [2]:

(6)

.

Определяем расстояния от вершины до краёв выступов антенны из формул:

где:

Расстояния от вершины до краёв выступов антенны представлены в таблице 5:

Т, а б л и ц а 5 - Расcтояния R

Расстояния от вершины до краёв выступов антенны представлены в таблице 6:

Т, а б л и ц а 6 - Расстояния r

На рисунке 2 изображен эскиз одной грани логопериодической проволочной антенны.

Рисунок 2 — Эскиз одной грани логопериодической проволочной антенны.

Эскиз одной грани логопериодической проволочной антенны с полученными параметрами приведён в приложении Б - рисунок Б.1.

2. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ

Получим электрические параметры антенны путем моделирования на ПЭВМ в программеMMANA . Для этого введем координаты вибраторов антенны, источник питания и частоту на которой будут произведены расчеты.

В качестве исходных данных для расчета ДН проволочной ЛПА будем использовать геометрические параметры представленные ниже:

- углы ,;

— - отношение расстояний от вершины до одноимённых краёв двух соседних трапецеидальных выступов;

— - отношение расстояний от вершины до внутреннего и внешнего края одного выступа.

Вид смоделированной антенны представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 — Вид смоделированной ЛПА

Проведем расчеты на средней частоте рабочего диапазона — 500 МГц.

Полученные ДН для плоскостей Е и Н приводятся в приложении А. Рабочее окно программы MMANA приводятся в приложении Б - рисунок Б.2.

Ширина луча рассчитанной диаграммы направленности на уровне половинной мощности (уровень минус 3 дБ) для H - плоскости равна, для Е - плоскости равна, что удовлетворяет условиям. В таблице 7 приведены расчётные значения координат вибраторов.

Т, а б л и ц, а 7 — Расчетные значения координат вибраторов

Расчёт значения координат вибраторов были получены путём моделирования в программе MMANA.

КНД, дБ антенны D равен 7,03 на частоте 500 МГц. На рисунке 4 показаны полученные зависимости КНД (кривая 1, ось GA, дБ) и отношение излучения вперед — назад (кривая 2, ось FB, дБ) от частоты.

Рисунок 4 — Графики зависимости КНД и уровня излучения вперед — назад от частоты

3. СИСТЕМА ПИТАНИЯ проволочной ЛПА

Важную роль в работе антенного устройства играет линия питания (фидерный тракт), которая передает (канализирует) электромагнитную энергию от генератора к антенне (или от антенны к приемнику). Фидер не должен излучать электромагнитные волны и должен иметь минимальные потери. Его необходимо согласовать с выходной цепью передатчика (или с входной цепью приемника) и с входным сопротивлением антенны, т. е. в фидере должен существовать режим бегущей волны или близкий к нему.

В качестве линии питания используем коаксиальный кабель с волновым сопротивлением Ом.

Для симметрирования несимметричного коаксиального кабеля с входом антенны используем мостиковое симметрирующе устройство, представленное на рисунке 5.

Рисунок 5 — Мостиковое симметрирующе устройство

логопериодический антенна питание проволочный

Устройство представляет собой две трубки с закорачивающим мостиком, которые присоединяются к вибратору, образуя четвертьволновой металлический изолятор. Через одну трубку пропускается коаксиальный кабель, внешний проводник которого соединяется с ней в точке, а внутренний проводник соединяется с другой трубкой в точке. Это устраняет возбуждение внешней поверхности кабеля и обеспечивает симметричное питание обеих половин вибратора. Для устранения паразитного излучения и защиты от внешних воздействий симметрирующий шлейф может помещаться в дополнительный экран. Симметрирующий мостик не нарушает согласования, так как его входное сопротивление очень велико во всей полосе частот и не шунтирует антенну.

Представим общее входное сопротивление, антенны, в виде эквивалентной схемы.

Рисунок 6 — Эквивалентная схема общего входного сопротивления, антенны

Откуда делаем вывод, что сопротивления Zлог, Ом, и Zш, Ом, соединены параллельно, и получаем формулу для нахождения, Ом.

(10)

где

Zлог — волновое сопротивление структуры.

Zш - сопротивление шлейфа.

Входное сопротивление ЛПА в рабочем диапазоне почти чисто активное и колеблется около значения волнового сопротивления структуры Zлог, Ом.

Волновое сопротивление для ЛПА из пластинчатых и проволочных структур определяется формулой[3]:

(11)

где

.

Сопротивление шлейфа определяется формулой[4]:

(12)

— электрическая длина отрезка линии передач [4],

— длина симметрирующего устройства,

Zвволновое сопротивление шлейфа.

Найдём длину симметрирующего устройства, м, по формуле:

(13)

.

Для нахождения Zв, введём параметры симметрирующего устройства и воспользуемся формулой[4]:

(14)

d— диаметр проводников, cм;

D— расстояния между центрами проводников, см;

— диэлектрическая проницаемость среды (для воздуха = 1)

d=1.2 cм; D=50 см;

Подставим в формулу (10) все полученные значения и найдём ZвхА, Ом.

В таблице 8 представлены значения общего входного сопротивления антенны

Т, а б л и ц а 8 — Общее входное сопротивление антенны.

Рассчитаем КСВ по формуле:

, (15)

где — коэффициент отражения, который находится по формуле:

, (16)

где

(17)

В таблице 9 представлены значения модуля коэффициента отражения

Т, а б л и ц а 9 — Модуль коэффициента отражения

Расчет КСВ произведем с помощью ЭВМ по формуле (15).

В таблице 10 приводятся расчетные значения КСВ.

Т, а б л и ц а 10 — Расчетные значения КСВ

Полученные значения КСВ удовлетворяют заданным требованиям.

График зависимости КСВ от частоты в диапазоне от 150 мГц до 900 мГц показан на рисунке 7.

Рисунок 7 — Зависимость КСВ от частоты в диапазоне от 150 мГц до 900 мГц

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения курсовой работы спроектирована проволочная двухгранная логопериодическая антенна с треугольными зубцами, которая удовлетворяет требованиям технического задания. Произведен расчет диаграммы направленности, подтверждающий соответствие рассчитанной антенны требованиям технического задания.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Кочержевский, Г. Н. Антенно-фидерные устройства [Текст]: Учебник для вузов/ Г. Н. Кочержевский, Г. А. Ерохин, Н. Д. Козырев. — М.: Радио и связь, 1989. — 352 с.: ил.

2. Жук, М. Е. Проектирование линзовых, сканирующих широкодиапазонных антенн и фидерных устройств [Текст] / М. Е. Жук, Ю. Б. Молочков. — М.: Энергия, 1973. — 440 с.

3. Окорочков, А. И. Устройства СВЧ и антенны [Текст]: учебно-методическое пособие для выполнения курсовой работы: В 4-х ч. Ч.2: Линейные излучающие системы./ А. И. Окорочков. — Шахты: ЮРГУЭС, 2006. — 46 с.

4. Сазонов, Д. М. Антенны и устройства СВЧ [Текст]: учебник для радиотехнич. спец. вузов /Д.М. Сазонов. — М.: Высш. шк., 1988. — 432 с.: ил.

5. СТО 01−09. Стандарт организации: Курсовые и дипломные проекты (работы). Основные требования к объёму и оформлению [Текст]. — Взамен СТП 01−01; Дата введ. 2009.04.01 / ЮРГУЭС. — Шахты: ЮРГУЭС, 2009. — 40 с.

6. Окорочков, А. И. Устройства СВЧ и антенны [Текст]: учебно-методическое пособие. Всё о программе MMANA ./ А. И. Окорочков. — Шахты: ЮРГУЭС, 2006. — 27 с.

Приложение, А Диаграммы направленности проволочной ЛПА

а)

б) Рисунок А.1 — Диаграммы направленности проволочной ЛПА для плоскостей Е (а) и H (б) на частоте 500МГц.

Приложение Б

Рисунок Б.1 — Эскиз одной грани ЛПА

Рисунок Б.2 — Рабочее окно в программе MMANA

ПРИЛОЖЕНИЕ В ЗАМЕЧАНИЯ РУКОВОДИТЕЛЯ