Коллинеарная антенная решетка с последовательным возбуждением

Министерство образования Российской Федерации.

Рязанская государственная радиотехническая академия.

Кафедра РУС

Курсовая работа по дисциплине «Распространение радиоволн и АФУ ССПО» по теме: «Коллинеарная антенная решетка с последовательным возбуждением»

Рязань 2005 г.

Введение

В данной курсовой работе необходимо рассчитать коллинеарную антенную решетку с последовательным возбуждением, для этого мы будем использовать модель антенной решетки Маркони-Франклина. В качестве излучателей будем использовать полуволновые вибраторы, т.к. у них довольно высокий КПД.

Вибраторные излучатели широко используются как элементы антенных решеток в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Широкое применение вибраторных антенных решеток обусловлено рядом их достоинств: относительно малой массой, устойчивостью к атмосферным внешним воздействиям, возможностями складывания и быстрого разворачивания в мобильных радиотехнических системах, получения произвольной поляризации и управления поляризационной характеристикой излученного поля, управления диаграммой направленности отдельных излучателей благодаря включению управляемых нагрузок.

Вибраторные излучатели применяются также в качестве облучателей зеркальных антенн и как самостоятельные слабонаправленные антенны.

Конструктивно линейный симметричный вибратор представляет собой проводник длиной 2l, возбуждаемый в середине источником ЭДС высокой частоты (рис.2.1). Размер поперечного сечения проводника 2a значительно меньше длины плеча вибратора l. Линейный симметричный вибратор не излучает вдоль оси при любой своей длине.[1]

Применение антенных решеток 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 повышения точности определения угловых координат источника излучения в навигации, радиолокации и других радиосистемах. С помощью решетки удается поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путем размещения в каналах решетки независимых усилителей высокочастотной энергии. Помехозащищенность радиосистемы зависит от уровня боковых лепестков (УБЛ) антенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке. Антенная решетка является необходимым звеном для создания такого динамического пространственно-временного фильтра или просто для уменьшения УБЛ.

Коллинеарные антенны имеют относительно большое усиление. Строятся они таким образом, чтобы, несмотря на большую длину антенны, исключить участки ее с токами противоположного направления.

1.Краткий теоретический материал по проектируемому типу антенн

1.1 Характеристики направленности антенных решеток

Под линейной решеткой понимают систему идентичных излучателей, фазовые центры которых расположены на одной прямой, называемой осью решетки. На рис.1.1 изображена линейная решетка из продольно ориентиров энных симметричных вибраторов. Относительное расстояние d/l между фазовыми центрами излучателей называется шагом решетки. По характеру распределения излучателей различают эквидистантные решетки, у которых все излучатели располагаются с постоянным шагом. Применяют также неэквидистантные решетки, шаг которых меняется по всей решетке, либо на ее отдельных участках.

рис.1.1

Для эквидистантной линейной решетки, состоящей из n продольно расположенных симметричных вибраторов при их синфазном 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

представляет собой амплитудную характеристику направленности линейного симметричного вибратора.

Другой сомножитель называют множителем системы:

В направлении нормали к оси решетки q = 0 поля всех вибраторов должны складываться синфазно, так как разности хода волн для них в этом направлении равны нулю. После подстановки q = 0 легко убедиться, что f_c(q = 0 ) = n. Это будет соблюдаться при d < l.

Анализ множителя системы показывает, что он имеет многолепестковую структуру, вид которой в зависимости от нормированной координаты b=(kd)/l*sin(q) представлен на рис.1.2. Ширина основного лепестка множителя системы определяется выражением:

2D₀»2l¤nd

Эта формула отражает фундаментальное положение теории антенн о том, что повышение направленности излучения антенн возможно путем увеличения ее относительных размеров. Так при длине решетки nd= 5l имеем 2D₀ = 23°, а при nd = 10l 2D₀= 11,5°. Для получения основного лепестка шириной около 3° требуется решетка протяженностью примерно 40l.

Уровни боковых лепестков не зависят от размеров решетки и определяются по порядковому номеру лепестка i выражением:

рис.1.2

Общее количество боковых лепестков линейной антенной решетки зависит от количества элементов и шага между ними.

Полная характеристика направленности решетки определяется произведением f_c(q) и f(q). При ориентации симметричных вибраторов вдоль оси решетки основную роль в формировании направленных свойств играет множитель системы. Это справедливо при nd »l .

1.2 Коэффициент направленного действия

Для полного представления направленных свойств систем излучателей необходимо оценить КНД. В соответствии с общей формулой КНД определяется зависимостью:

где f(q,f) - нормированная характеристика направленности антенны.

Во многих практических случаях можно не учитывать собственные направленные свойства элемента решетки и положить f₁(q,f) =l, т. е. решетка будет состоять из изотропных излучателей. Либо предположить, что она состоит из элементарных вибраторов, т. е. f₁(q,f) = sin(q).

Соответствующий вывод формул для КНД линейных синфазных равноамплитудных решеток из изотропных излучателей и элементарных вибраторов широко представлен в литературе по антенной технике. На рис.1.3 приведены характерные графики изменения КНД линейных решеток из продольных элементарных вибраторов от n и d.

При увеличении шага d/l КНД сначала растет вследствие сужения главного лепестка диаграммы направленности. При некоторых оптимальных значениях d/l, КНД достигает максимума и

Рис.1.3

при дальнейшем увеличении d/l начинает падать в связи с увеличением уровня боковых лепестков, следующие:

• для решетки изотропных излучателей 0,5;

• для решетки из продольных вибраторов 1.

Анализ КНД проведенный для линейных решеток, состоящих из элементарных вибраторов, вполне пригоден также для решеток, состоящих из симметричных вибраторов, длина плеч которых не превышает полуволны. Это объясняется тем, что диаграммы направленности таких вибраторов незначительно отличаются от диаграмм направленности элементарных вибраторов.

1.3 Коллинеарная антенна

Одним из эффективных путей реализации антенны вертикальной поляризации с высокой направленностью состоит в том, чтобы сформировать линейную антенную решетку, в которой комбинируется несколько синфазных коллинеарных излучающих элементов.

В некоторых видах антенн между полуволновыми излучающими элементами для обеспечения синфазного питания включены катушки индуктивности. Этот тип антенны называется нагруженной антенной и часто используется как автомобильная антенна.

Антенны, более известные как коаксиальные коллинеарные антенны. Эти антенны используются как автомобильные антенны, так и антенны базовых станций. Синфазность питания этих антенн зависит от длины излучающих элементов и расстояния между ними, поэтому эти антенны узкополосные.

2.Исходные данные и их краткий анализ

Исходные данные:

f₀=370 МГц

Df =5%

P=100 Вт

КУ=6 дБ

В данном курсовом проекте необходимо рассчитать коллинеарную антенную решетку с последовательным возбуждением, это требует выполнение ряда условий. Во-первых, нашу антенну необходимо питать у основания, т.е. на отражающем экране. Во-вторых, необходимо использовать между полуволновыми излучающими элементами четвертьволновых шлейфов. Это необходимо для того, чтобы можно было использовать для расчета нашей антенны модель Маркони-Франклина, т.е. что токи в антенне, на излучающих элементах, распределяются синфазно. Т.к. используется последовательное возбуждение, то мы не можем использовать очень большое количество элементов решетки, потому что ток к концу антенны спадает. Поэтому в качестве излучающих элементов выбираем полуволновый вибратор, т.к. у него наиболее высокий КНД, и это позволит нам сократить количество элементов решетки, для обеспечения необходимого КУ.

Полоса частот Df =5% требует широкополосного согласования, т.к. входное сопротивление антенны будет сильно меняться, с изменением частоты.

3. Расчет ДН антенной решетки

3.1 Расчет ДН одного излучающего элемента

В качестве излучающего элемента будем использовать полуволновый вибратор. Рассчитаем его характеристики

3.2 Расчет ДН одного всей антенны

[2]

Сопротивление полуволнового вибратора равно

Z=73.1+j42.5 Ом

4. Проверка расчета антенны с помощью программы «SAR32»

4.1 Исходные данные для расчета

4.1.1 Геометрические размеры в абсолютных единицах l

4.1.2 Входы и питание антенны

4.1.3 Подобласти

4.1.4 Частоты/экран

4.2 Результаты расчета

4.2.1 Входные характеристики Zвх

4.2.2 Входные характеристики КБВ/Г

4.2.3 ДН меридиональная плоскость декартова система координат

4.2.4 ДН меридиональная плоскость полярная система координат

4.2.5 ДН азимутальная плоскость полярная система координат

4.2.6 ДН азимутальная плоскость декартова система координат

4.2.7 КНД и КУ

4.2.8 Токи на излучающих элементах

1-ый

2-ой

3-ий

4-ый

Рассчитаем согласующее устройство в данном случае это Шлейф Татаринова.

После согласования входное сопротивление антенны стало 74 Ом, что подходит под использования коаксиального кабеля с сопротивлением 75 Ом.

5. Эскиз конструкции антенны

l/2

Су

Ll/2Z_A

L_до.шл

L_шл

l/2

l/4l/4

Коаксиальный кабель

В качестве излучателей используются полуволновые вибраторы, соединенные между собой четвертьволновыми шлейфами. Вся эта конструкция крепиться на диэлектрической мачте длинной L=1.622 м.

В качестве согласующего устройства используется короткозамкнутый шлейф Татаринова L_шл=7.2 см, L_до.шл=14.4 см.

Конструкция излучателя

Вывод

В данном курсовом проекте была рассчитана коллинеарная антенная решетка, полученные результаты были оценены с помощью программы «SAR32», которая производит расчет реальной антенны без приближений.

Величина КУ рассчитанного по программе, оказалась сопоставимой с требуемой по заданию. Также была рассчитана ширина ДН на уровне половинной мощности и на нулевом уровне, она оказалась такой же как и при предварительном расчете.

Список литературы:

1. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства» М. 1974г.

2. Айзенберг Г.З. «Антенны УКВ» часть 1.М.1977г.

3. Методические указания к лабораторным работам «Антенны и устройства СВЧ», часть 1 Рязань 1999г.

4. Курс лекций по предмету «АФУ и РРВ», лектор Маторин А.В.

5. Сазонов Д.М. «Антенны и устройства СВЧ» М 1988г.