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
2.1РАСЧЕТ 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.