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 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.