Стержневая диэлектрическая антенна

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННО-СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КУРСОВАЯ РАБОТА (ПРОЕКТ)

ЗАЩИЩЕНА С ОЦЕНКОЙ

РУКОВОДИТЕЛЬ

Курсовой проект

Стержневая диэлектрическая антенна

Федорова Л. А.

должность, уч. степень, звание

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ

СТУДЕНТ ГР. 2115

Насимов В. С.

Санкт-Петербург 2014



Содержание

Введение

1. Структурная и принципиальная схемы антенно-фидерного тракта

2. Выбор типа линии передачи

3. Расчет геометрических размеров облучателя и решетки

4. Расчет ДН облучателя в главных плоскостях

5. Расчет ДН решетки в главных плоскостях и КУ

6. Расчет элементов фидерного тракта

7. Схема питания

8. Конструкция излучателя

Заключение



Введение

Антенны применяются как для излучения, так и для приема электромагнитных волн.

Предающая антенна - это элемент предающей радиостанции, который преобразует энергию токов высокой частоты в энергию электромагнитных волн и излучает их в заданных направлениях.

Приемная антенна выполняет обратную функцию: она преобразует энергию электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты, обеспечивая при этом выделение волн, приходящих с заданных направлений.

В настоящее время существует большое многообразие различных антенн, в данной курсовой работе требуется спроектировать линейную решетку стержневых диэлектрических антенн, которая собрана из стержневых диэлектрических антенн.

Основными элементами стержневых диэлектрических антенн являются диэлектрический стержень 1(рис.1), металлическая обойма 2 и фидерная линия 3. Применяются стержни прямоугольного и круглого сечения. наряду со стержнями применяются диэлектрические трубки.

фидерный геометрический облучатель тракт



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 в полосе частот от 2 до 10 ГГц.

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. в следствии 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/



1. Структурная и принципиальная схемы антенно-фидерного тракта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.1 - Структурная схема радиотехнической системы.

АУ - антенное устройство. Преобразование направляемых ЭМ волн, движущихся от генератора по фидерной линии ко входу антенны, в расходящиеся ЭМ волны свободного пространства (для передающей антенны). Преобразование падающих свободных волн в направляемые волны фидера, подводящих принятую мощность ко входу приемника (для приемной) [3]

ВС по УМ - вращающееся сочленение по углу места. Осуществляет вращение АУ по углу места.

ВС по азимуту - вращающееся сочленение по азимуту. Осуществляет вращение АУ по азимуту.

АП - антенный переключатель. Переводит АУ в режим передачи/приема.

Передатчик - источник сигнала, модулятор,

Приемник - приемник сообщения (сигнала).

На рисунке 2.2 показана принципиальная схема антенно-фидерного тракта. ЭМ колебания СВЧ от генератора поступают в коаксиальный кабель. Для поворота волноводного тракта используются поворотные секции. Для обеспечения вращения АУ, устраиваются переходные устройства от коаксиального кабеля к круглому волноводу и вращающееся сочленение.



Рис. 2 Пример схемы волноводного тракта антенны радиолокационной станции

1-элемент связи, 2-прямоугольный волновод, 3-поршень, 4-фланцы, 5-антенный переключатель, 8-изогнутые секции, 7-переходные устройства, 8-вращающееся сочленение, 9-соглосование отдельных участков волноводного тракта, 10-стержневой или плоский

2. Выбор типа линии передачи

В аппаратуре сантиметровых и миллиметровых волн в качестве линий передачи наибольшее применение находят волноводы круглого сечения с использованием поля основного типа Н_11.

Благодаря отсутствию изоляторов внутри волноводов, отсутствуют потери и отражения, связанные с этими изоляторами. В связи с меньшей концентрацией токов на внутренних поверхностях стенок волноводы обеспечивают передачи энергии с меньшими потерями. Благодаря большим размерам поперечного сечения , чем в кабелях, волноводы обладают значительно большей электрической прочностью и позволяют передавать большие мощности. Металлические волноводы отличаются сравнительной простотой изготовления, как следствие, дешевизной.

От генератора до волновода в качестве линии передач будет использоваться коаксиальный кабель для уменьшения веса и упрощения конструкции. В линии передач так же будут использоваться сплиттеры для разделения мощности в равной степени на каждую стержневую антенну.



3. Расчет геометрических размеров облучателя и решетки

В качестве облучателя диэлектрических стержней используется система синфазных волноводов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга.

Длинна стержня выбрана равной двум длинам волн. Для удовлетворения условию широкой диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Исходя из уравнения - максимальный диаметр стержня 4,607 см. расстояние между стержнями меньше длинны волны, в нашем случае 8 см. Уравнение показало что в горизонтальной плоскости количество стержней 22, а в вертикальной 6 ().

В результате полученных данных - максимальные размеры антенной решётки в горизонтальной плоскости 2м 77,354 см. в вертикальной 77,642 см.



4. Расчет ДН облучателя в главных плоскостях

Диаграмма направленности системы синфазных излучателей в общем случае определяется следующей формулой:

, (5.1)

где - ДН одиночного излучателя (щели), -функция направленности системы из n ненаправленных излучателей, расположенных на расстоянии d друг от друга, она определяется следующим выражением:

, (5.2)

где ш - сдвиг фаз между точками соседних излучателей (в случае синфазной системы излучателей ш=0)

Используя выражение (5.1), можно рассчитать ДН линейного облучателя в плоскости, совпадающей с продольной осью облучателя и нормально к излучающему раскрыву линзы.

В плоскости, перпендикулярной продольной оси линейки излучателей, ДН облучателей будет определяться первыми двумя сомножителями выражения (5.1), т.е. зависеть только от выбранного типа одиночного излучателя и его ДН в соответствующей плоскости.

В данной работе в качестве одиночных излучателей выбраны щели.[2]

ДН одиночных излучателей в E- и H- плоскостях имеют вид:

В Е-плоскости:

(5.3)



Рисунок 5.1 - Диаграмма направленности одиночного излучателя в горизонтальной плоскости

В H-плоскости



Рисунок 5.2 - Диаграмма направленности одиночного излучателя в вертикальной плоскости

Облучатель создает ДН всей антенны в Н- плоскости.(вертикальной)

ДН линейной системы синфазных излучателей, и, как следствие, ДН всей антенной системы в Н-плоскости определяется формулой.

Таким образом определяется множителем решетки (5.2), который в нашем случае при ш=0 примет вид

Рисунок 5.3 - ДН облучателя



Выполним проверку на соответствие полученной ДН в Н- плоскости с техническим заданием

При ц=1,5 значение ДН f_n

Fn(1.5)=0.68

Из этого следует, что полученная ДН в Н-плоскости полностью соответствует техническому заданию.

5. Расчет ДН решетки в главных плоскостях и КУ

ДН решетки рассчитывается по формуле:

(7.1)

По формуле (7.1 ) построим диаграмму направленности решетки в горизонтальной плоскости.



В вертикальной:

Уровень бокового лепестка не превышает -20дБ

6. Расчет элементов фидерного тракта

Источники излучения изготавливаются из отдельных сборочных единиц, которые стыкуются с помощью SMA-коннекторов с коаксиальным кабелем, это обеспечивает удобство монтажа и ремонта.

SMA-коннектор (Sub-Miniature version A) служит для подключения коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом. Разработан в 1960-х годах. Используется в СВЧ-устройствах. Разъём обладает повышенной надежностью и прочностью. Имеет резьбовое соединение 1/4"-36 (примерно М6x0,75). Вилка (разъем типа «папа») имеет 0,312-дюймовую (7,925 мм) шестигранную гайку, внутреннюю резьбу и выступающий контакт. В SMA разъемах используется политетрафторэтиленовый диэлектрик.

SMA-разъёмы рассчитаны на 500 циклов подключения-отключения, но для достижения этого необходимо правильно закручивать разъем при подключении. Для этого требуется, чтобы 5/16-дюймовый динамометрический ключ был установлен на 0,3 до 0,6 Н*м для медных и 0,8-1,1 Н*м для стальных разъёмов.

Разъёмы SMA рассчитаны на работу от постоянного тока до 18 ГГц, но некоторые версии рассчитаны на 26,5 ГГц. Для других частот используются SMA-подобные разъемы. Это 3,5-мм разъемы, рассчитаные на ток до 34 ГГц и 2,92 мм (также известный как 2,9 мм, или К-типа), подходят до 46 ГГц. Они сохранили ту же наружную резьбу, как у SMA, поэтому все они могут быть связаны, но SMA-подобные разъёмы используют воздух как диэлектрик. Тем не менее время службы разъемов сократится при соединении разъемов с низкокачественными разъемами SMA.

Сплиттер с генератором соединяется по средствам FME-коннектора.

FME-коннектор служит для подключения коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом. Предназначены для работы на частотах до 2 ГГц включительно. Используются для соединения оконечных устройств систем подвижной связи, радиоудлинителей, сотовых терминалов и т.п. с мобильными антеннами и адаптированы к интерфейсам UHF, Mini UHF, TNC, BNC и N. Конструктив гнездовой части коннектора (rotating nipple) позволяет ей вращаться на 360° с последующей фиксацией соединения накидной гайкой, что обеспечивает гибкость при подключении мобильной аппаратуры связи.

7. Схема питания

Самый распространенный способ создания антенных решеток позволяющих производить сканирование это фазированные антенные решетки -ФАР. Существуют активные и пассивные ФАР. В активных ФАР каждый элемент решетки возбуждается от отдельного фазируемого генератора. В пассивных ФАР все излучатели возбуждаются от одного генератора, энергия которого с помощью распределительных фазируемых устройств разделяется между элементами решетки.

Выберем параллельную схему питания, т.к она имеет следующие преимущества:

1) Такая схема позволяет использовать сравнительно маломощные фазовращатели.

2) Сигнал приходит на каждый элемент решетки с одинаковым ослаблением.

3) Отсутствует накопление фазовых ошибок вдоль раскрыва.

На рис. 13 приведена схема питания:



Сплиттер распределяет энергию, поступающую от генератора, между излучателями. далее энергия поступает на фазовращатели, которые обеспечивают требуемый сдвиг фазы между соседними излучателями, затем, через плавный переход от прямоугольного волновода к круглому волноводу, энергия поступает непосредственно к элементам решетки - диэлектрическим антеннам.

8. Конструкция излучателя

Излучатель представляет собой диэлектрический стержень, вставленный в круглый волновод. В круглом волноводе возбуждается волна с помощью плавного перехода от прямоугольного волновода к круглому.

Чертеж излучателя приведен на рис.14:



Заключение

В данной курсовой работе спроектирована антенная решетка диэлектрических стержневых антенн, удовлетворяющая заданным в техническом задании параметрам.

Размещено на Allbest.ru