Проектирование спиральной антенны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

спиральный излучатель антенна

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Общие сведения о спиральных излучателях

1.2 Свойства спиральных антенн

1.2.1 Спиральные антенны и виды волн в них

1.2.2 Широкополосность антенн

1.2.3 Моделирование антенн

1.3 Антенные решетки

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Расчет геометрических параметров

2.2Антенный фидер

2.2.1 Расчет затухания фидера

2.3 Расчет КНД антенны

2.4 Расчет характеристики направленности отдельной спирали

2.5 Расчет характеристики направленности антенной решетки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Антенна является одним из самых важных элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением и приёмом радиоволн. К таким системам относят системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиоуправления, радиолокации, радиорелейной связи, радиоастрономии, радионавигации.

Стремительное развитие систем телекоммуникаций вызвало практическую потребность в антеннах, способных обеспечить излучение и приём поля с круговой или близкой к ней эллиптической поляризацией в широком диапазоне частот. Для создания поля с подобной поляризацией в диапазоне метровых и дециметровых волн широкое применение находят спиральные антенны, относящиеся к типу антенн бегущих волн. Спиральные антенны находят применение в качестве самостоятельных антенн или в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн. В настоящее время цилиндрические многовитковые спирали традиционно применяются для переносных нелинейных радиолокаторов. Широкое распространение антенны данного типа получили в устройствах личной связи: значительная часть сотовых телефонов и мобильных станций содержат в своей конструкции спиральные антенны, работающие в режиме осевого излучения. Наиболее популярным представителем этого класса антенн являются цилиндрические спиральные антенны.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Общие сведения о спиральных излучателях

Спиральная антенна отличается от других антенн, обладающих направленным излучением, в первую очередь тем, что ее поле излучения имеет круговую поляризацию. В случае применения такой антенны необходимо, чтобы как передающая, так и приемная антенны имели круговую поляризацию излучения.

Спиральные антенны (СА) широко используются в качестве самостоятельных излучателей или в составе небольших антенных решеток как широкополосные излучатели круговой поляризации, работающие в режиме осевого излучения. Чаще всего СА представляет собой спиральный проводник ограниченной длины (несколько длин волн), намотанный на диэлектрический каркас, один конец проводника СА подсоединен к внутренней жиле возбуждающего коаксиального кабеля, другой оставлен свободным. Внешняя оплетка кабеля присоединяется к проводящему экрану (основанию), который препятствует проникновению тока, текущего по внутренней поверхности кабеля на его наружную поверхность. Кроме того, диск играет роль рефлектора, уменьшая излучение антенны в заднее полупространство.

Наиболее распространен режим работы цилиндрической СА, при котором диаметр цилиндра равен одной трети длины волны, при этом периметр витка спирали около одной длины волны. Именно в этом случае имеет место режим осевого излучения с круговой поляризацией. Различают цилиндрические и конические спирали, последние характеризуются большей полосой частот.

Цилиндрическая спиральнаяантенна представляет собой намотанную из провода цилиндрическую спираль, один конец которой свободен, а другой - присоединяется к внутренней жиле коаксиального кабеля питания (рис. 1).

Экран служит для ослабления задних лепестков антенны и устранения токов на поверхности фидера. Диск может быть сплошным или изготавливаться из металлической сетки.

Основными геометрическими параметрами цилиндрической спирали являются: радиус намотки а, шаг намотки S, длина одного витка /, число витков N, угол подъема провода а.

Рисунок 1.1 - Конструкция спиральной антенны при возбуждении ее коаксиальной линией

Конические спиральные антенны(рис.1.2) обладают лучшими диапазонными свойствами, чем цилиндрические спиральные антенны. Осевое излучение таких антенн формируется не всей антенной, а лишь активной областью, т.е. витками, длина которых близка к л. С изменением частоты активная область перемещается вдоль оси антенны. При питании с вершины конуса(рис.1.2,б) достигается большая широкополосность, чем при питании антенн с основания(рис.1.2,а).



Рисунок 1.2 - Коническая спиральная антенна

Широкое применение находят плоские спиральные антенны, в том числе антенны в виде архимедовой спирали(рис.1.3). Двухзаходная спиральная антенна может выполнятся печатным способом и возбуждается либо двухпроводной линией, либо коаксиальным кабелем, проложенным вдоль одного из плеч (вдоль другого плеча прокладывается для сохранения симметрии холостой кабель, рис.1.3,б). Антенну можно рассматривать как свернутую в спираль двухпроводную линию, причем в начальной части антенны токи в соседних витках находятся в противофазе и соответственно не излучают. С удалением от точек питания фазовый сдвиг между точками в соседних витках уменьшается за счет разности хода. Действительно, элементы 1 и 2, расположенные по обе стороны от окружности радиусом на разных заходах спирали, имеют разность хода, равную половине длины этой окружности, т.е. . С учетом противофазного возбуждения разность фаз элементов 1 и 2 равна . При величина , т.е. соседние витки возбуждаются синфазно в режиме бегущей волы. Эти витки и формируют поле излучения с круговой поляризацией в направлении оси антенны, которое сохраняется в широкой полосе частот. Нижняя частота определяется внешним диаметром спирали, а верхняя - точностью выполнения антенны вблизи точек питания. Диаграмма направленности состоит из двух широких лепестков, ориентированных нормально плоскости спирали. Можно также получить одностороннее излучение спирали, если позади неё поместить экран (обычно на расстоянии л₀/4, где л₀ - длина волны на средней частоте диапазона), однако наличие экрана сужает рабочую полосу частот.

Описанные типы спиральных антенн кроме самостоятельного применения используются как облучатели зеркальных или линзовых антенн и как элементы фазированных антенных решеток.

Рисунок 1.3 - Спиральная антенна в виде архимедовой спирали

1.2 Свойства спиральных антенн

1.2.1 Спиральные антенны и виды волн в них

Спиральные антенны являются слабо - и средненаправленными широкополосными антеннами эллиптической и управляемой поляризации. Они применяются в качестве самостоятельных антенн, облучателей зеркальных и линзовых антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн эллиптической и управляемой поляризации, элементов антенных решеток.

Спиральные антенны - это антенны поверхностных волн. По виду спирали ''направителя" (замедляющей системы) и способу обеспечения работы в широком диапазоне частот их можно разделить на:

а) цилиндрические регулярные, у которых геометрические параметры (шаг, радиус, диаметр провода) постоянны по всей длине и широкополосность обусловлена наличием дисперсии фазовой скорости;

б) эквиугольные или частотно-независимые (конические, плоские);

в) нерегулярные, у которых параметры есть функции координаты вдоль длинны спирали.

Спиральная антенна - это антенна бегущей волы. Волна тока, распространяясь от места возбуждения вдоль провода спирали, доходит до его свободного конца и отражается в обратном направлении. Подбором геометрии спирали и частоты питающего напряжения можно добиться быстрого спада как падающей, так и отраженной волн тока. Эти волны интерферируют друг с другом.

В этом случае на большей части провода спирали амплитуда тока будет почти постоянной, а фаза будет изменяться почти по линейному закону т.е. мы можем считать, что на большей части провода спирали имеет место бегущая волна тока. Отсутствие заметной отраженной волны тока в некотором интервале частот обеспечивает достаточно хорошее постоянство входного сопротивления и характеристик направленности в этом интервале.

Но указанными свойствами спиральная антенна обладает только при определенных условиях.

Распространяющаяся вдоль провода спирали бегущая волна тока не может вызвать внутри спирали электромагнитных волн типа H или E, так как это имеет место в волноводе со сплошными проводящими стенками. Благодаря более сложным анизотропным граничным условиям на образующей поверхности спирали указанная волна тока возбуждает внутри спирали электромагнитные волны более сложной структуры. Эти волны принято обозначать символом - Tn где n - число длин волн тока, укладывающихся на окружности витка цилиндра, поверхность которого является образующей спирали.

Характеристики направленности спиральной антенны существенным образом зависят от возбужденного в спирали типа волны.

Это можно наглядно показать, рассмотрев работу спирали с малым углом намотки. Если в спирали имеет место волна T₀, то можно считать, что на протяжении одного витка спирали амплитуда, и фаза тока изменяются столь незначительно, что их можно считать постоянными. Поля, созданные на оси спирали симметричными элементами витка, как это видно на рис.1.4, взаимно компенсируют друг друга. Излучение вдоль оси спирали отсутствует. Основной составляющей поля в этом случае является, осевая составляющая.

В направлении, перпендикулярном оси, поля от указанных элементов витка не будут уничтожать друг друга благодаря разности расстояния от точки наблюдения до каждого из симметричных элементов витка. Но так как эта разность расстояний значительно меньше длины волны, то поле в этом направлении будет слабым, хотя и наибольшим по сравнению с полями в любом другом направлении. Характеристика направленности будет иметь вид, показанный на рис.1.5. Спираль, работающая в таком режиме, применятся в качестве элементов антенны, так же как замедляющая структура в ЛБВ, и кроме того в качестве приемопередаточной антенны сотовых аппаратов.

Рис.1.4., Рис.1.5.

Если в спирали имеет место волна типа T₁, то на каждом витке её тока, оставаясь постоянным по амплитуде, дважды меняет своё направление. Из рисунка 1.6 видно, что в этом случае токи в симметричных элементах витка равны по величине и одинаковы по направлению. Поля от таких элементов в точках, лежащих на оси спирали, будут складываться. Основными составляющими поля спирали становятся поперечные составляющие. Осевая составляющая поля становится незначительной. Излучение в направлении оси будет наибольшим.

Рис.1.6., Рис.1.7.

Характеристика направленности примет вид, изображенный на рисунке 1.7. она состоит из одного почти симметричного относительно оси спирали главного лепестка и нескольких боковых лепестков, уровень которых значительно ниже уровня главного лепестка. Такая форма характеристики направленности обусловлена тем, что спираль в этом режиме представляет собой как бы решетку излучателей, поля которых синфазно складываются в направлении оси.

Подобная форма характеристики направленности сохраняется в широком диапазоне частот. Это объясняется тем, что изменение фазовой скорости волны тока в этом диапазоне происходит так, что поля всех витков по-прежнему складываются синфазно в направлении оси спирали. Такой режим работы спирали называется режимом осевого излучения. Ширина главного лепестка характеристики направленности и величина боковых лепестков зависят от числа витков спирали. Главный лепесток тем уже, чем больше число витков.

Если в спирали имеет место волна типа Т₂, то на каждом витке спирали ток, оставаясь постоянным по амплитуде, будет менять своё направление четыре раза, как это показано на рисунке 1.8.

Рис.1.8

Токи в симметричных элементах витка равны по величине и противоположны по направлению. Поперечные составляющие поля на оси спирали будут равны нулю. Излучение вдоль оси спирали отсутствует. Характеристика направленности примет вид, показанный на рисунке 1.9.

Рис.1.9

Спираль, работающая в таком режиме, широкого применения в качестве антенны пока не нашла.

Аналогичным образом, рассмотрев режимы высших типов волн T₃, T₄ …, придем к выводу, что характеристики направленности, соответствующие этим режимам, также имеют вид, изображенный на рис.1.8. Спирали, работающие в режимах волн высших типов, применения в качестве антенн также пока не нашли.

Из приведенных рассуждений следует, что наиболее приемлемой характеристикой направленности в случае, когда нужно получить максимальный КНД, обладает спираль, работающая в режиме волны Т₁.

Нетрудно показать, что спиральная антенна, работающая в режиме Т₁, создает в направлении своей оси излучение круговой поляризации. Физически можно считать, что две ортогональные составляющие поля на оси спирали создаются двумя парами диаметрально противоположных элементов витка спирали. Но так как каждый виток спирали обтекается бегущей волной тока, то токи в этих элементах равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 90°; следовательно, ортогональные поперечные составляющие поля на оси спирали, созданные этими токами, также будут равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 90°, т.е. образуют поле круговой поляризации.

По мере увеличения отраженной волны от открытого конца спирали круговая поляризация излучения вдоль оси переходит в эллиптическую.

Из геометрических соображений видно, что спираль, создающая вдоль оси излучение круговой поляризации, в других направлениях создает излучение эллиптической поляризации, переходящее по мере удаления от оси в изучение линейной поляризации.

Во всем интервале существования режима Т₁, амплитуда волны тока отражённой от открытого конца спирали, остается малой и изменяется незначительно. Это обусловливает относительное постоянство как активной, так и реактивной частей входного сопротивления спиральной антенны, работающей в этом режиме.

Незначительность амплитуды отраженной волны тока от открытого конца спирали, работающей в режиме T₁, приводит к тому, что излучение спирали в направлении к ее входу оказывается настолько слабым, что в ряде случаев им можно пренебречь. На металлический экран, расположенный в плоскости входа антенны, падает слабое поле, и его влияние на поле, созданное спиралью в переднем полупространстве, весьма незначительно.

Опыт показывает, что спираль, работающая в режиме Т₁ сохраняет относительное постоянство своих характеристик и параметров в более широком интервале частот, чем при работе в других режимах. Регулярная спираль, работающая в таком режиме, нашла наибольшее применение в антенной технике.

1.2.2 Широкополосность антенн

Как известно, одной из важных характеристик антенны является ее полоса пропускания, т. е. полоса частот, в пределах которой обеспечивается передача (прием) без существенных искажений всего спектра частот передаваемого (принимаемого) сигнала.

В основном ширина полосы пропускания антенны определяется зависимостью ее входного сопротивления от частоты. Эта зависимость приводит к изменению величины относительной амплитуды и фазы напряженности излучаемого поля на различных частотах спектра сигнала, что при приеме вызывает искажения последнего. При питании антенны фидером изменение ее входного сопротивления вызывает рассогласование, т.е. появление отраженных волн в фидере, что приводит к нелинейности фазовой характеристики фидера и к искажению формы передаваемого или принимаемого сигнала. Особенно существенны искажения широкополосных сигналов (телевидение, многоканальная радиорелейная телефонная связь).

В идеальном случае в требуемой полосе частот активная составляющая входного сопротивления- R_вх постоянна и реактивная составляющая - X_вх равна нулю. Добиться этого в достаточно широкой полосе частот принципиально невозможно, поэтому устанавливают определенные допуски на изменение R_вх и X_вх зависящие от характера передаваемого или принимаемого сигнала.

Зависимость направленных свойств антенны от частоты также влияет наотносительную величину напряженности поля в точке приема на различных частотах спектра передаваемого сигнала, что также может вызвать искажение этого сигнала. Однако, обычно, в пределах требуемой полосы пропускания направленные свойства антенны изменяются мало.

Диапазоном использования - (рабочим диапазоном) антенны будем называть диапазон частот, в пределах которого антенна удовлетворяет определенным техническим требованиям.

Ширина рабочего диапазона, а также требования, предъявляемые в нем к антенне, могут быть различными. Например, в случае длинноволновых и средневолновых антенн КПД их в рабочем диапазоне не должен быть ниже определенной величины, должна быть обеспечена возможность передачи заданной мощности, на различных рабочих волнах заданного диапазона должна быть обеспечена необходимая полоса пропускания. В случае коротковолновых антенн направленные свойства во всем рабочем диапазоне должны оставаться приемлемыми, входное сопротивление должно изменяться в допустимых пределах, чтобы можно было переходить с одной рабочей волны на другую без перестройки антенны и т. д.

Допустимые изменения входного сопротивления антенны в заданном диапазоне волн в основном определяются необходимостью обеспечения нормальных условий работы генератора, приемлемого кпд фидера и отсутствия перенапряжений в фидере. Уменьшение зависимости входного сопротивления от частоты одновременно приводит к расширению рабочего диапазона антенны и к расширению её полосы пропускания. В заданном рабочем диапазоне требование к направленным свойствам антенны могут быть различными. В некоторых случаях основным может являться постоянство направления максимального излучения, в других - уровень боковых лепестков, в третьих - ширина главного лепестка др.

С точки зрения рабочего диапазона современные антенны можно разбить на:

а) узкополосные (настроенные), основные параметры, которых (входное сопротивление, ширина диаграммы направленности, КНД и др.) сильно зависят от частоты, вследствие чего эти антенны могут работать без перестройки только в узкой полосе частот (относительная полоса частот составляет менее 10%);

б) широкодиапазонные, работающие без перестройки в широком диапазоне частот (от десяти процентов и выше), причем их основные параметры зависят от частоты, но значительно слабее, чем у настроенных антенн;

в) частотнонезависимые, основные параметры, которых теоретически не зависят от частоты.

Построение частотнонезависимых антенн основано на принципе электродинамического подобия, утверждающего, что при одновременном изменении длины волны и всех геометрических размеров антенны в одинаковом отношении (величина этого отношения называется масштабным множителем) характеристики антенны (диаграмма направленности, входное сопротивление и др.) остаются неизменными.

Во всех частотнонезависимых антеннах на данной длине волны в излучении участвует только часть антенны (активная область). При изменении длины волны эта область без изменения своих относительных размеров (размеров в долях волны) перемещается вдоль антенны.

Спиральные антенны относятся к широкодиапазонным и даже к частотно-независимым антеннам (квазичастотно-независимым).

1.2.3 Моделирование антенн

Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Спиральные антенны формируют диаграмму направленности, состоящую из двух лепестков, расположенных вдоль оси спирали по разные стороны от нее. На практике обычно требуется одностороннее излучение, которое получают, помещая спираль перед экраном или в отражающей полости. Существуют цилиндрические, конические и плоские спиральные антенны. Вид спиральной антенны может быть выбран по заданному диапазону волн. Если ширина диапазона не превышает 50%, то берется цилиндрическая спираль, коническая спираль обеспечивает диапазон в два раза шире, чем цилиндрическая. Плоские спиральные антенны обладают двадцатикратным перекрытием по рабочему диапазону. В радиолюбительской практике, в диапазоне УКВ, наибольший интерес представляет собой цилиндрическая спиральная антенна с круговой поляризацией и большим коэффициентом усиления. Если мы принимаем сигнал с линейной поляризацией (вертикальной или горизонтальной) на антенну с круговой поляризацией, теряется три децибела, но при этом намного уменьшается глубина замираний. При переотражении сигнала на длинных трассах, мы не знаем с какой поляризацией (или с каким наклоном) приходит сигнал в точку приема, для антенны с круговой поляризацией это не будет иметь никакого значения. Вообще можно отметить, что изготовление в домашних условиях антенн с большим коэффициентом усиления, типа ”волновой канал”, сопряжено с рядом трудностей. Необходимо строго выдерживать линейные размеры. При настройке обычно корректируют не более двух - трех элементов, расположенных рядом с активным вибратором. Расчет и настройка антенн типа “волновой канал” прост только для малого количества элементов. Параметры антенны могут значительно изменяться при небольшом изменении размеров элементов и их взаимного расположения. С ростом числа элементов, количество операций при настройке растет в геометрической прогрессии. Большое количество элементов сужает полосу пропускания антенны, уменьшает входное сопротивление. Увеличение реактивного сопротивления директоров по мере увеличения их числа приводит к уменьшению амплитуд токов в них. При этом особенно сильно уменьшаются токи в директорах, отстоящих далеко от активного вибратора. Поэтому сужение диаграммы направленности директорной антенны с увеличением ее длины происходит значительно медленнее, чем у антенны бегущей волны, элементы которой возбуждаются с одинаковой интенсивностью. По сравнению с директорными антеннами у спиральных антенн размеры являются менее критичными. Не критичность спиральных антенн к точности изготовления - большое их преимущество. При одном и том же усилении, спиральная антенна имеет меньшие размеры, чем антенна волновой канал. Так как полоса пропускания спиральной антенны, намного больше, чем любой любительский диапазон, нет необходимости даже измерять резонансную частоту антенны, достаточно измерить только входное сопротивление и рассчитать под него согласующее устройство, для оптимального согласования антенны с фидером питания.

D-диаметр спирали, S-шаг спирали

Рис.1.10 - Цилиндрическая спиральная антенна

Следует иметь в виду, что спиральные антенны имеют излучение с вращающейся поляризацией. При работе на передачу спиральная антенна излучает поле с вращающейся поляризацией, право или лево поляризованное, в зависимости от направления намотки спирали. При работе на прием она принимает либо поле вращающейся поляризации с направлением вращения, как и при передаче, либо поле любой линейной поляризации. При расчете КНД антенны следует делать поправку на круговую поляризацию и от результата отнимать 3 dВ.

Для приема излучения с линейной поляризацией, чтобы не терять 3 dВ, можно применять антенну, состоящую из двух близко расположенных параллельных спиралей, намотанных в противоположные стороны. Если антенна предназначена для работы только на одном радиолюбительском диапазоне, например, 430 / 435 МГц, желательно заузить полосу пропускания антенны при помощи четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа, выполненного из медного провода диаметром 2-3 мм или медной шинки, соединяющей разъем и экран (Рис.1.11).

Рисунок 1.11

Если спирали расположить в горизонтальной плоскости, то возможен прием волн с горизонтальной поляризацией, а при вертикальном расположении - с вертикальной поляризацией. Антенна из двух параллельно расположенных спиралей дает возможность при соединении спиралей параллельно получать входное сопротивление R_вх = (65-80) Ом, что удобно при питании ее обычным коаксиальным кабелем без согласующих устройств.

Для создания антенны с управляемой поляризацией, совмещают две противоположно направленные обмотки (рисунок 1.12). То есть делается двухзаходная спираль на одном каркасе с противоположным направлением намотки витков.

Спирали с противоположным направлением намотки развязаны относительно друг друга на 40 dВ, меняя сдвиг по фазе между токами в обеих обмотках можно управлять направлением поляризации.

В диапазонах 1200 мГц и выше антенну следует помещать не над экраном, а в коническом рупоре, что увеличивает в четыре раза коэффициент направленного действия такой антенны по сравнению с обычной спиралью такой же длины, а уровень боковых лепестков становится на 15 - 20 dВ ниже (рисунок 1.13).

Цилиндрическая спиральная антенна состоит из следующих основных частей: проволочной спирали, сплошного или сетчатого экрана, согласующего устройства. В конструкцию антенны могут входить так же диэлектрический каркас, на который наматывается спираль и диэлектрические растяжки, придающие антенне жесткость.

Если спираль крепится на сплошном каркасе из диэлектрика, то ее расчетные размеры должны быть уменьшены в 1/v раз. Спираль наматывается из проволоки, трубки либо плоской ленты. Как витки, так и экран необязательно делать круглыми, их можно делать квадратными или многоугольными. Длина витка спирали принимается равной средней длине волны заданного диапазона L=л_cp.

Рис.1.12 - Двухзаходная спиральная антенна



Рис.1.13 - Конический рупор с противоположным направлением со спиральным возбудителем намотки витков

Шаг спирали находится из условия S=0,22, если необходимо получить круговую поляризацию поля, или из условия

Если необходимо получить от антенны максимальный КНД L - длина витка, S - шаг спирали. Входное сопротивление почти чисто активное.

Расстояние начала спирали от экрана выбирают равным 0,13. Диаметр диска экрана принимается равным (0,9..1,1); диаметр провода спирали берется порядка (0,03..0,05)л_cp.

1.3 Антенные решетки

Антенная решётка (АР) - сложная направленная антенна, состоящая из совокупности отдельных слабонаправленных антенн (излучающих элементов), расположенных в пространстве особым образом. Антенные решётки применяются для повышения усиления всей системы в сравнении с отдельным антенным элементом, а также получения возможности управления формой диаграммы направленности.

В качестве элементарных излучателей в АР могут использоваться различные антенны как малой, так и большой направленности. Например, в простейших решётках в качестве элементарной антенны могут быть установлены симметричные и несимметричные вибраторы, волноводные щели, печатные излучатели и т.п. В радиоастрономии используются системы из нескольких больших зеркальных антенн с узкой диаграммой направленности сориентированных в одном направлении. Это позволяет увеличить в N раз коэффициент усиления системы и принимать сигнал из пространства на малых отношениях сигнал/шум.

Антенные элементы в АР могут быть расположены различным способом. Если фазовые центры излучателей расположены в одной оси, то решётка называется линейной, если в плоскости - плоской. Существуют и более сложные варианты размещений антенных элементов в пространстве. Зачастую такие системы называют конформными, потому что они повторяют форму поверхности, на которой размещены излучатели. На пример это может быть поверхность летательного аппарата, спутника земли, либо сложный рельеф местности. Наиболее распространены антенные решётки, излучающие элементы которых расположены в одной плоскости.

Под линейной решеткой понимается система идентичных излучателей, центры излучения которых расположены на прямой, называемой осью решетки. Диаграмма направленности линейной антенной решетки в горизонтальной плоскости зависит от числа излучателей, расстояния между ними и формы амплитудного распределения поля по раскрыву. Для расчета антенную решетку заменяют непрерывным излучающим раскрывом.



Рисунок 1.14 - Нормированная ДН линейной антенной решетки в горизонтальной плоскости

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Антенна выполнена в виде синфазной эквидистантной антенной решётки (рис. 2.1) из цилиндрических спиралей и должна обеспечить на входе приёмного устройства мощность сигнала Р2 при заданном значении напряженности поля в точке приёма Е. Антенным фидером служит коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом.

Рисунок 2.1 - Эскиз антенной решетки из двух спиральных излучателей

Питание излучателей антенной решетки производится по схеме типа «ёлочка» (рис.2.2).

Рисунок 2.2 - Схема питания типа «ёлочка» для антенной решетки из восьми спиральных излучателей (1 - коаксиальный фидер, 2 - коаксиальные тройники, 3 - спиральный излучатель)

2.1 Расчет геометрических параметров

Определение числа спиралей и расчет их конструктивных размеров.

Длина витка спирали L и шаг витка S ориентировочно равны:

где л - длина волны, равная:

м.

Следовательно:

L=0,6 м,

S=0,132 м.

Зададимся числом витков в спирали (не более 10):

Число витков в спирали n=5.

Осевая длина спирали рассчитывается по формуле:

Диаметр витка спирали найдем исходя из формулы:

Отсюда выразим d:

Диаметр экрана равен:

D=(0,9..1,1)л

Входное сопротивление спирали рассчитывается по формуле:

2.2Антенный фидер

Выбор типа фидера производится исходя из данного волнового сопротивления 75 Ом в соответствии с приложением 1. Для расчета выберем фидер РК-75-4-15 (РК-1).

2.2.1 Расчет затухания фидера

Расчет погонного ослабления в фидере производится по формуле:

где d - диаметр внутреннего проводника,

D - диаметр внешнего проводника,

- удельная проводимость меди,

- относительная диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля.

2.3 Расчет КНД антенны

Для расчета КНД по известным значениям мощности на входе приемного устройства Р₂ и напряженности электрического поля Е в месте расположения приемной антенны воспользуемся следующей формулой:



где G2 - коэффициент усиления приемной антенны;

з2 - КПД фидера приемной антенны

Первоначально условно принимаем значение з₂ =1 и D ? G.

Поскольку в коаксиальном фидере длиной l_ф возникают потери б, равные:

б=1,587 дБ.

где б₁- погонное ослабление в фидере, дБ/м, то эти потери необходимо компенсировать увеличением значения КНД от D до D_A:

В разах:

Значение коэффициента направленного действия одной спирали можно определить по формуле:

Зная КНД спирали и КНД антенной решетки возможно определить количество излучателей:

N=8.

С учетом определенного числа излучателей, в синфазных эквидистантных антенных решетках поперечного излучения:

где N - количество излучателей,

D_сп - КНД одного излучателя.

2.4 Расчет характеристики направленности отдельной спирали

Характеристику направленности отдельной спирали можно вычислить по формуле:



С полученными данными диаграмма направленности имеет вид(рис.2.3):

Рисунок 2.3 - Диаграмма направленности отдельной спирали в полярной системе координат

Определим ширину главного лепестка диаграммы направленности отдельной спирали:

по нулевому излучению:

по половинной мощности:



2.5 Расчет характеристики направленности антенной решетки

Расстояние между излучателями синфазной эквидистантной антенной решетки предлагается выбрать равным:

Характеристику направленности антенной решетки вычисляем по формуле:

По полученным данным диаграмма направленности будет иметь вид(рис.2.4):

Рисунок 2.4 - Нормированная диаграмма направленности антенной решетки в прямоугольной системе координат



Рисунок 2.5 - Диаграмма направленности антенной решетки в полярной системе координат

Ширина главного лепестка синфазной эквидистантной антенной решетки поперечного излучения приближенно определяется по формулам:

по нулевому излучению:

по половинной мощности:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта спроектирована антенная решетка из спиральных излучателей. Выбран тип фидера РК-75-4-15(РК-1), и рассчитано его погонное ослабление б₁=0,159. Определено число спиралейn=5 и рассчитаны их конструктивные размеры. Вычислено количество излучателейN=8.

Построены диаграммы направленности для отдельной спирали, а также для антенной решётки. Рассчитаны КНД одного излучателя и КНД антенной решетки с учетом затухания в фидере. КНД одного излучателя составил 16,5 дБ, а антенной решетки - 132 дБ. Рассчитанное значение КНД антенны больше значения D_А на 3,05%, что соответствует требованию задания.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства / Г.Н.Кочержевский - М.: Связь, 1981. - 280 с.

2 Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства - М.: Радио и связь, 1989.

3 Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ / Д.И. Воскресенский - М.: Сов. радио, 1972. - 432 с.

4 Жук М.С., Молочков Ю.Б.Проектирование антенно-фидерных устройств. - М. - Л., изд-во «Энергия», 648 стр., с илл.

5 Марков Г.Т. Антенны / Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов - М.: Энергия, 1975. - 528 с.

Размещено на Allbest.ru