Министерствообразования Российской Федерации.
Рязанскаягосударственная радиотехническая академия.
Кафедра РУС
Курсовая работа по дисциплине «Распространение радиоволн и АФУ ССПО» потеме: «Коллинеарная антенная решетка с последовательным возбуждением»
Рязань 2005 г.
Введение
В данной курсовой работе необходиморассчитать коллинеарную антенную решетку с последовательным возбуждением, дляэтого мы будем использовать модель антенной решетки Маркони-Франклина. Вкачестве излучателей будем использовать полуволновые вибраторы, т.к. у нихдовольно высокий КПД.
Вибраторные излучателишироко используются как элементы антенных решеток в метровом, дециметровом исантиметровом диапазонах волн. Широкое применение вибраторных антенных решетокобусловлено рядом их достоинств: относительно малой массой, устойчивостью катмосферным внешним воздействиям, возможностями складывания и быстрогоразворачивания в мобильных радиотехнических системах, получения произвольнойполяризации и управления поляризационной характеристикой излученного поля,управления диаграммой направленности отдельных излучателей благодаря включениюуправляемых нагрузок.
Вибраторные излучателиприменяются также в качестве облучателей зеркальных антенн и каксамостоятельные слабонаправленные антенны.
Конструктивнолинейный симметричный вибратор представляет собой проводник длиной 2l, возбуждаемый в середине источникомЭДС высокой частоты (рис.2.1). Размер поперечного сечения проводника 2a значительно меньше длины плечавибратора l. Линейный симметричный вибратор не излучаетвдоль оси при любой своей длине.[1]
/>
Применение антенныхрешеток обусловлено следующими причинами. Решетка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз КНД (и соответственно усиление)антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышенияточности определения угловых координат источника излучения в навигации,радиолокации и других радиосистемах. С помощью решетки удается поднятьэлектрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой)мощности путем размещения в каналах решетки независимых усилителейвысокочастотной энергии. Помехозащищенность радиосистемы зависит от уровнябоковых лепестков (УБЛ) антенны и возможности подстройки (адаптации) его попомеховой обстановке. Антенная решетка является необходимым звеном для созданиятакого динамического пространственно-временного фильтра или просто дляуменьшения УБЛ.
Коллинеарные антенны имеют относительнобольшое усиление. Строятся они таким образом, чтобы, несмотря на большую длинуантенны, исключить участки ее с токами противоположного направления.
1. Краткий теоретический материал по проектируемому типуантенн 1.1Характеристики направленности антенных решеток
Подлинейной решеткой понимают систему идентичных излучателей, фазовые центрыкоторых расположены на одной прямой, называемой осью решетки. На рис.1.1изображена линейная решетка из продольно ориентиров энных симметричныхвибраторов. Относительное расстояние d/l между фазовыми центрами излучателейназывается шагом решетки. По характеру распределения излучателей различаютэквидистантные решетки, у которых все излучатели располагаются с постояннымшагом. Применяют также неэквидистантные решетки, шаг которых меняется по всейрешетке, либо на ее отдельных участках.
/>
рис.1.1
Дляэквидистантной линейной решетки, состоящей из n продольно расположенных симметричных вибраторов при ихсинфазном и равно амплитудном возбуждении напряженность поля в дальней зоне,имеет вид:
коллинеарная антенная решетка
/>
где y(q) — фазовая характеристика системы. Угол q в этом случае отсчитывается от перпендикуляра к оси решетки.
Выражение
/>
представляетсобой амплитудную характеристику направленности линейного симметричноговибратора.
Другойсомножитель называют множителем системы:
/>
Внаправлении нормали к оси решетки q = 0 поля всех вибраторов должны складываться синфазно, таккак разности хода волн для них в этом направлении равны нулю. После подстановкиq = 0 легко убедиться, что fc(q = 0 ) = n. Этобудет соблюдаться при d
Анализмножителя системы показывает, что он имеет многолепестковую структуру, видкоторой в зависимости от нормированной координаты b=(kd)/l*sin(q) представлен на рис.1.2. Ширина основного лепестка множителясистемы определяется выражением:
2D0»2l ¤ nd
Этаформула отражает фундаментальное положение теории антенн о том, что повышениенаправленности излучения антенн возможно путем увеличения ее относительныхразмеров. Так при длине решетки nd= 5l имеем 2D0= 23°, а при nd = 10l 2D0= 11,5°.Для получения основного лепестка шириной около 3° требуется решеткапротяженностью примерно 40l.
Уровнибоковых лепестков не зависят от размеров решетки и определяются по порядковомуномеру лепестка i выражением:
/>
/>
рис.1.2
Общееколичество боковых лепестков линейной антенной решетки зависит от количестваэлементов и шага между ними.
Полнаяхарактеристика направленности решетки определяется произведением fc(q) и f(q). При ориентации симметричныхвибраторов вдоль оси решетки основную роль в формировании направленных свойствиграет множитель системы. Это справедливо при nd »l .
1.2Коэффициент направленного действия
Дляполного представления направленных свойств систем излучателей необходимооценить КНД. В соответствии с общей формулой КНД определяется зависимостью:
/>
где f(q,f) — нормированная характеристика направленности антенны.
Вомногих практических случаях можно не учитывать собственные направленныесвойства элемента решетки и положить f1(q,f) =l, т.е. решетка будет состоять из изотропных излучателей. Либо предположить, что онасостоит из элементарных вибраторов, т. е. f1(q,f) = sin(q).
Соответствующийвывод формул для КНД линейных синфазных равноамплитудных решеток из изотропныхизлучателей и элементарных вибраторов широко представлен в литературе поантенной технике. На рис.1.3 приведены характерные графики изменения КНД линейныхрешеток из продольных элементарных вибраторов от n и d.
Приувеличении шага d/l КНД сначала растет вследствиесужения главного лепестка диаграммы направленности. При некоторых оптимальныхзначениях d/l, КНД достигает максимума и
/>
Рис.1.3
при дальнейшемувеличении d/l начинает падать в связи с увеличением уровня боковыхлепестков, следующие:
• длярешетки изотропных излучателей 0,5;
• длярешетки из продольных вибраторов 1.
АнализКНД проведенный для линейных решеток, состоящих из элементарных вибраторов,вполне пригоден также для решеток, состоящих из симметричных вибраторов, длинаплеч которых не превышает полуволны. Это объясняется тем, что диаграммынаправленности таких вибраторов незначительно отличаются от диаграммнаправленности элементарных вибраторов. 1.3Коллинеарная антенна
Однимиз эффективных путей реализации антенны вертикальной поляризации с высокойнаправленностью состоит в том, чтобы сформировать линейную антенную решетку, вкоторой комбинируется несколько синфазных коллинеарных излучающих элементов.
Внекоторых видах антенн между полуволновыми излучающими элементами дляобеспечения синфазного питания включены катушки индуктивности. Этот тип антенныназывается нагруженной антенной и часто используется как автомобильная антенна.
Антенны,более известные как коаксиальные коллинеарные антенны. Эти антенны используютсякак автомобильные антенны, так и антенны базовых станций. Синфазность питанияэтих антенн зависит от длины излучающих элементов и расстояния между ними,поэтому эти антенны узкополосные.
2. Исходные данные и их краткий анализ
Исходные данные:
f0=370МГц
Df =5%
P=100 Вт
КУ=6 дБ
В данном курсовом проекте необходиморассчитать коллинеарную антенную решетку с последовательным возбуждением, этотребует выполнение ряда условий. Во-первых, нашу антенну необходимо питать уоснования, т.е. на отражающем экране. Во-вторых, необходимо использовать междуполуволновыми излучающими элементами четвертьволновых шлейфов. Это необходимодля того, чтобы можно было использовать для расчета нашей антенны модельМаркони-Франклина, т.е. что токи в антенне, на излучающих элементах,распределяются синфазно. Т.к. используется последовательное возбуждение, то мыне можем использовать очень большое количество элементов решетки, потому чтоток к концу антенны спадает. Поэтому в качестве излучающих элементов выбираемполуволновый вибратор, т.к. у него наиболее высокий КНД, и это позволит намсократить количество элементов решетки, для обеспечения необходимого КУ.
Полоса частот Df =5% требуетширокополосного согласования, т.к. входное сопротивление антенны будет сильноменяться, с изменением частоты.
3. Расчет ДН антенной решетки 3.1Расчет ДН одного излучающего элемента
В качестве излучающего элемента будемиспользовать полуволновый вибратор. Рассчитаем его характеристики
/>
/>
3.2 Расчет ДН одного всей антенны
/>
/>
/>[2]
Сопротивление полуволнового вибратораравно
Z=73.1+j42.5 Ом
4. Проверка расчета антенны с помощьюпрограммы «SAR32» 4.1Исходные данные для расчета4.1.1Геометрические размеры в абсолютных единицах l
/>4.1.2Входы и питание антенны
/>
4.1.3 Подобласти
/>
4.1.4Частоты/экран
/>
4.2 Результатырасчета 4.2.1 Входныехарактеристики Zвх
/>4.2.2Входные характеристики КБВ/Г
/>4.2.3ДН меридиональная плоскость декартова система координат
/>
4.2.4 ДНмеридиональная плоскость полярная система координат
/>4.2.5ДН азимутальная плоскость полярная система координат
/>4.2.6ДН азимутальная плоскость декартова система координат
/>
4.2.7КНД и КУ
/>4.2.8Токи на излучающих элементах
1-ый
/>
2-ой
/>
3-ий
/>
4-ый
/>
Рассчитаем согласующее устройство вданном случае это Шлейф Татаринова.
/>
После согласования входное сопротивлениеантенны стало 74 Ом, что подходит под использования коаксиального кабеля ссопротивлением 75 Ом.
5. Эскиз конструкции антенны
/>
l/2
Су/> /> /> /> /> /> />
/>/>/>Ll/2ZA
Lдо.шл
/>/>Lшл
/>
/>l/2
/>l/4l/4
Коаксиальный кабель
В качестве излучателей используютсяполуволновые вибраторы, соединенные между собой четвертьволновыми шлейфами. Всяэта конструкция крепиться на диэлектрической мачте длинной L=1.622м.
В качестве согласующего устройстваиспользуется короткозамкнутый шлейф Татаринова Lшл=7.2см, Lдо.шл=14.4 см.
Конструкция излучателя
/>
Вывод
В данном курсовом проекте была рассчитанаколлинеарная антенная решетка, полученные результаты были оценены с помощьюпрограммы «SAR32», которая производит расчет реальнойантенны без приближений.
Величина КУ рассчитанного по программе,оказалась сопоставимой с требуемой по заданию. Также была рассчитана ширина ДНна уровне половинной мощности и на нулевом уровне, она оказалась такой же как ипри предварительном расчете.
/>Список литературы:
1. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., КисловА.Г. Антенно-фидерные устройства» М. 1974г.
2. Айзенберг Г.З. «Антенны УКВ» часть1.М.1977г.
3. Методические указания клабораторным работам «Антенны и устройства СВЧ», часть 1 Рязань 1999г.
4. Курс лекций по предмету «АФУ иРРВ», лектор Маторин А.В.
5. Сазонов Д.М. «Антенны и устройства СВЧ» М1988г.