Федеральноеагентство по образованию РФ
Рязанскийгосударственный радиотехнический университет
Кафедра РУС
Курсовойпроект по дисциплине
Антенны иустройства СВЧ
на тему:
Коллинеарнаяантенная решетка с параллельным возбуждением
Выполнила:
ст гр 416
Брыкова Е.В.
Рязань 2007
Введение
Антенные решетки – наиболееэффективные и перспективные антенные системы, позволяющие осуществлять быстрыйобзор пространства, многофункциональный режим работы, комплексированиерадиосредств, адаптацию к конкретной радио обстановки, предварительнуюобработку сверхвысокочастотных сигналов, обеспечение электромагнитнойсовместимости и т.д. Антенная решетка, обеспечивающая излучение и приемрадиоволн,- неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Требования ктехническим характеристикам антенн вытекают из назначения радиосистемы, условийразмещения, режима работы, допустимых затрат и т.д. Реализуемость необходимыхнаправленных свойств, помехозащищенности, частотных, энергетических и другиххарактеристик антенн во многом зависит от рабочего диапазона волн.
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 усилителей высокочастотнойэнергии. Помехозащищенность радиосистемы зависит от уровня боковых лепестковантенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке.Антенная решетка является необходимым звеном для создания такого динамического пространственно-временногофильтра или просто для уменьшения уровня боковых лепестков.
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.
Основныетеоретические требования
Вибраторы широкоприменяются как в качестве самостоятельных антенн, так и в сложных антенныхсистемах; являются, например, элементами антенных решеток или облучателямизеркальных и линзовых антенн. В последних случаях для полученияоднонаправленного излучения они используются вместе с рефлектором. Наибольшеераспространение вибраторные антенны получили в KB и УКВ диапазонах. Распределение тока, эффективная длина
Вследствие того, чтопостоянная ЭДС приложена вдоль оси вибратора между его внутренними торцами ивибратор предполагается тонким, электрический ток имеет только однусоставляющую Iz (z). При теоретическом анализе в цилиндрической системекоординат р, />, z сначала решают внутреннюю задачу теории антенн, т.е. находятраспределение тока на вибраторе. Это распределение в пространстве создаетэлектромагнитное поле, которое можно описать одной продольной составляющейэлектрического потенциала
/> (1.1)
где I(z’) — эквивалентный ток, распределенный вдоль оси вибратора,
/>, /> - координата на поверхности />=a.
Выразив Ez через /> по известной из электродинамикеформуле и подставив в граничные условия на поверхности вибратора, дляэквивалентного тока получим интегральное уравнение
/>/> (1.2)
где U=/>d-ЭДС, d-ширина зазора; А и В- постоянные, определяемые из условияобращения распределения тока в ноль на концах вибратора. Точное решениеуравнения (1.2) в аналитическом виде не находится. Его приближенное решение длясимметричного вибратора имеет довольно простой вид:
/>(1.3)
где I/>=const-амплитудатока в точке питания (Z=0);верхний знак берется для z0.
Распределения тока изаряда для тонкого симметричного вибратора приведены на рисунке 1. При 21/>распределениеявляется синфазным, а при 21 > /> — переменно-фазным.
Наиболее распространенныйтип вибратора — полуволновой с />. Его важной особенностью являетсято, что функция распределения тока не зависит от положения точки возбуждения. Увибраторов другой длины эта функция зависит от положения точки возбуждения. Вовсех случаях распределение тока на тонком вибраторе близко к синусоидальному.Подобные законы распределения тока будут и у криволинейных вибраторов, толькороль координаты z будет игратькоордината вдоль оси криволинейного вибратора. Токи на одинаковых расстоянияхот центра симметричного вибратора имеют одинаковые амплитуды и фазы, т.е.Iz(z)=Iz(-z). Несмотря на приближенный характерсинусоидального распределения (1.3), оно дает хорошие результаты при расчетехарактеристик излучения симметричного вибратора. Это объясняется тем, что онипо отношению к распределению тока являются интегральными характеристиками.Эффективная длина симметричного вибратора находится интегрированиемраспределения тока (1.3) по длине вибратора. Относительно входа имеем
/>(1.4)
/>
Рисунок 1 — Распределения тока и заряда вэлектрическом вибраторе
Для тонкого полуволновоговибратора с синусоидальным распределением тока находим 1эф/> 0,637*2l Для электрически короткого вибратора(k/>) с треугольным распределением токаполучаем 1эф = 0,5*2l, т.е.эффективная длина электрически короткого вибратора равна половине егогеометрической длины. Диаграмма направленности и КНД
Совместим центрсимметричного вибратора с началом сферической системы координат. Векторныйпотенциал в дальней зоне описывается выражением
/>(1.5)
Единственную составляющуюнапряженности электрического поля в этом случае можно записать так
/> (1.6)
/> (1.7)
где Iвх — амплитуда тока на входе; w — волновоесопротивление среды.
Формула полученаподстановкой (1.3) в (1.5). Для вибраторов вместо Iвх часто вводят значение тока в максимуме Imax=Iвх/sin.kl, которое никогда в нуль необращается. После вычисления интегралов получим
/> (1.8)
где l — длина плеча.
Отсюда можно сделатьвыводы:
• поле имеет характер сферических волнс центром в начале координат, т.е. фазовый центр вибратора совпадает с егогеометрическим центром;
• от координаты (/>поле не зависит и ДН вазимутальной плоскости имеет вид окружности;
• в направлении оси (/>) поле излучения равнонулю, т.е. вдольоси вибратор не излучает. Это следует из (1.7) после раскрытиянеопределенности;
• форма ДН в меридианной плоскостизависит от электрической длинывибратора. При 2/
(/>)
В азимутальной плоскости/>. При 2l>1,25/>необходимо сначала определить направление /> а затем произвести нормировку.Для очень коротких вибраторов (kl />1) имеем /> что совпадает с ДНдиполя Герца. Для полуволнового вибратора ( kl = />/2 ) получаем
/> (1.9)
Диаграммы направленностисимметричного вибратора для ряда значенийего волновых размеров приведены нарисунке 2.
/>
Рисунок 2 — Диаграммынаправленности симметричного вибратора
Для КНД в направлении максимумаизлучения (/>)при />/>имеем
/> (1.10)
Дляполуволнового вибратора D0/>1,64. Сопротивление излучения и входное сопротивление
Сопротивление излучениясимметричного вибратора при 2l />/>/2 принято относить к току вмаксимуме
/>(1.11)
Подставивпод знак интеграла значение />из формулы (1.7), получм
/>(1.12)
Итеграл в явном виде неберется. График зависимости /> имеет характерные точки:
• для полуволнового (21 =0,5//>)вибратора />/>73,1Ом
• для волнового (2l = />) вибратора />/> 200 Ом
При 2l/2, когда максимум функциираспределения тока в пределах вибратора не достигается, сопротивление излученияотносят к току на его входе. Для пересчета сопротивления излучения из одногосечения в другое используется связь /> и условие баланса/>мощностей />. Тогда
/>(1.13)
Комплексное входноесопротивление или входной импеданс определяют как />. От его значения зависит возможность согласованияантенны с питающей линией. Определить /> из приближенного решения (1.3) интегральногоуравнения (1.2) нельзя, поскольку для этого необходимо, по крайней мере, учестьгеометрию области возбуждения. В инженерной практике широко применяется методэквивалентных схем. Для симметричного вибратора схема замещения будет в видеотрезка разомкнутой на конце двухпроводной линии с потерями, длина которойравна длине плеча вибратора l.Предполагают, что мощность потерь в линии на всех частотах равна мощностиизлучения вибратора. Параметры схемы: Wв-волновоесопротивление линии, k=/>i/> — комплексная постоянная распространения, l -длина линии. Для расчета волновогосопротивления берут формулы:
/>/>-формула С. Щелкунова (1.14)
/> — формула В.Н.Кессениха(1.15)
а — радиус проводника, w — волновое сопротивление среды.
Для полуволновоговибратора эти формулы полностью совпадают. При небольших тепловых потерях, чтообычно имеет место, из квивалентной схемы можно получить
/>(1.16)
Если построить график(см. рисунок 3), то у тонких вибраторов при 2l/2, m=1,2,3,..., наблюдаются резонансы, когда Rвx резко возрастает, а Хвх = 0. При переходе черезноль знак у Хвх меняется на
/>
Рисунок 3 — Входной импеданс электрическоговибратора противоположный. На самомделе резонансы наступают не строго при 2l=m/>/2, а несколько раньше из-за такназываемого эффекта укорочения вибратора. Для полуволнового вибратораукорочение равно
/>(1.17)
Несколько конкретныхзначений />
•для ненастроенногополуволнового вибратора
/>(1.18)
•для электрическикоротких вибраторов с kl/>1
/>(1.19)
• для резонансныхвибраторов длиной 2l= />, m=1,2,3,.--, без учета эффектаукорочения
/>(1.20)
Настройку вибраторов врезонанс можно осуществлять посредством включения реактивных элементов. Нанизких частотах — это удлиняющая индуктивность и укорачивающая емкость. На СВЧ- это последовательные и параллельные шлейфы. Необходимо знать, что элементынастройки не влияют на вид распределения тока, поэтому характеристики излученияостаются неизменными. Существенное влияние на распределение тока ихарактеристики излучения оказывает место включения в антенну нагрузки(генератора или приемника), исключая случай полуволнового вибратора. Конструкция симметричных вибраторных антенн и способы ихвозбуждения
На УКВ и СВЧ вибраторывыполняются из трубок или стержней. Рассмотрим симметричный полуволновойвибратор, как наиболее распространенный. Самая простая схема его возбужденияпри помощи симметричной двухпроводной линии с противофазными токами впроводниках (рисунок 4). Из-за большой разницы между Rвх и wв в линии устанавливается режим с КСВ~5...7. Поэтому требуется согласование или настройка на режим бегущей волны.
Более широкополоснойявляется схема с шунтовым питанием (рисунок 5). Подбирая размеры L и l шунта удается в линии получить без дополнительных элементовнастройки режим, близкий к режиму бегущей волны. Преимущество такой схемы еще ив том, что в середине вибратора образуется узел напряжения, что даетвозможность крепить вибратор к опоре без изоляторов.
/>
Рисунок 4 — Полуволновойсимметричный вибратор
/>
Рисунок 5 — Вибратор с шунтовымпитанием
Расчетколлинеарной антенной решетки с параллельным возбуждениемРасчет излучателя решетки:
В качестве излучателявыбран симметричный полуволновый вибратор.
Расчет его параметров:
/>(м)
/> />/>
С ДН вида
/> Диаграмма направленности одного излучающего элемента.
В декартовой системекоординат:
/>
В полярной системекоординат:
/>
КНД и коэффициентусиления одного излучателя:
Из литературы [5] известно, что КНД полуволновоговибратора имеет значение:
/>
коэффициент усиления дляодного полуволнового вибратора
/>, поскольку />,т.е. согласовано.
/> />
Рассчитаем количествоэлементов необходимое для обеспечения заданного коэффициента усиления в 12дБ
/> />
Отсюда выбираем что количество элементов необходимое дляобеспечения коэффициента усиления />
Расчет ДН всей антенны.
Длина антенны:
/> />
Диаграмма направленностиантенной решетки имеет вид:
/>
антеннавибраторная коллинеарная решетка
В декартовой системекоординат:
/>
В полярной системекоординат:
/>Расчет ширины диаграммы направленности
на нулевом уровне:
/>/>
по уровню 0.5 мощностисоставляет:
/>.
Расчет результирующего КНД всей антенной решетки:
/>, поскольку />,т.е. согласовано.
/> так как />,получаем что коэффициент усиления антенной решетки равен: />
Отсюда:
/>
Эскизконструкции решетки
/>
Конструктивныетребования для коллинеарной антенной решетки с параллельным возбуждением:
Коллинеарная антеннаярешетка состоит из вертикальной оси, шести симметричных полуволновых вибраторовдлиной />(м),закрепленных непосредственно на самой оси, на расстоянии между центрами(местами крепления вибраторов к оси) которое принимается приблизительно равным /> />.
Симметрирующее-согласующееустройство в виде полуволновой петли, необходимое для подключения ксимметричному полуволновому вибратору
75-омного коаксиальногокабеля.
Схема распределения мощности для коллинеарнойантенной решетки с параллельным возбуждением:
/>
Заключение
Современные устройства сэлектронными приборами и электрически управляемыми средами позволяют не толькосоздать управляемое фазовое распределение в антенной решетке, но и произвестичастичную обработку поступающей информации (сложение полей, преобразованиечастоты, усиление сигнала и т.д.) непосредственно в СВЧ тракте антенны.
Дальнейшее улучшениехарактеристик РТС, таких как разрешающая способность, быстродействие,пропускная способность, дальность обнаружения, помехозащищенность, можнообеспечить, совершенствуя методы пространственно-временной обработки сигналов,излучаемых и принимаемых антенной. В зависимости от назначения системы итребований к ее характеристикам применяют антенны с различными методамиобработки. Антенные решетки это системы однотипных излучателей, расположенных впространстве по определенному закону и определенным образом возбуждаемых.Антенные решетки (АР) могут быть одномерными (или линейными) и двумерными (илиповерхностными). Из совокупности одномерных решеток можно составить двумернуюрешетку. Излучатели в решетках могут располагаться на плоских поверхностях илина поверхностях с криволинейной образующей. Важное место в классе антенныхрешеток занимают фазированные антенные решетки (ФАР) с независимой регулировкойамплитудно-фазовых распределений на элементах.
Списоклитературы
1. «Антенны и устройства СВЧ», СазоновД.М. ,1988г.
2. «Устройства СВЧ и антенны(проектирование ФАР)» ред. Воскресенский Д.М., 2003г.
3. «Антенно-фидерные устройства ираспространение радио волн», Ерохин Г.А., 2004г.
4. «УКВ антенны для радиосвязи сподвижными объектами, радиовещания и телевидения», Бузов А.Л.,1997г.
5. «Распространениерадио волн и антенно-фидерные устройства средств связи с подвижными объектами»,Маторин А.В., Шамеева Н.И., Бакулин А.И. 2000г.
6. «Антенно-фидерные устройства системсухопутной подвижной радиосвязи», Бузов А.Л., Казанский Л.С., 1997г.
7. «Антенны УКВ» т1 и 2, Айзенберг Г.З.1977г.
Размещено на www.