Курсовой проект

Расчет диэлектрической антенны

 

Содержание

 

 Введение……………………………………………………………………..…..5

1. Анализ существующих образцов диэлектрических антенн……………...….7
2. Принцип действия диэлектрической антенны……………………………..10
3. Расчет антенны……………………………………………………………..…13

   3.1 Электрический расчет антенны ……………………………………….....13

   3.2 Расчет параметров антенны……………………………………………….14

   3.3 Выбор подводящего коаксиального кабеля ……………………….……16

   3.4 Расчет диаграммы направленности…………………………………...….17

   3.5 Расчет характеристик антенны…………………………………………....21

Заключение……………………………………………………….…………….24

Список использованных источников………………………………………..…25

Приложение А  ….…………....………………………………...…………......26

Приложеине Б…………………………………………………….….…........…..27

 

Введение

 

Совершенствование и развитие антенн и устройств СВЧ в настоящий период оказались тесно связанными со следующими ключевыми событиями: выходом человека в космическое пространство, немыслимым без соответствующего радиотехнического обеспечения; бурным прогрессом вычислительной техники на основе достижений интегральной технологии; быстрым освоением области миллиметровых волн и волн оптического диапазона; созданием технологии полосковых, микрополосковых и волоконно-оптических линий передачи, что привело к миниатюризации и улучшению качественных показателей трактов СВЧ и соответствующих антенн.

Для эффективного функционирования радиосистемы входящие в нее антенны должны удовлетворять определенным требованиям.

Антенна должна распределять электромагнитную энергию в пространстве или реагировать на приходящее электромагнитное поле по определенному закону, т.е. иметь заданную характеристику направленности.

Процесс излучения или приема электромагнитных волн не должен сопровождаться бесполезным расходом высокочастотной энергии на нагрев внутри антенны.

В диапазоне СВЧ широко применяются антенны, возбуждаемые поверхностными волнами. Достоинством антенн поверхностных волн (АПВ) является их диапазонность, простота конструкции, небольшие размеры.

Хорошие аэродинамические качества АПВ позволяют использовать их в качестве маловыступающих антенн для подвижных объектов. АПВ состоит из двух частей: возбудителя электромагнитных волн (ЭМВ) и излучающей поверхности. Излучающая часть антенны представляет замедляющую структуру, что способствует увеличению направленности излучения по сравнению с первичным полем возбудителя. В зависимости от типа направляющей поверхности различают плоские, стержневые и дисковые АПВ.

Наибольшее распространение получили стержневые АПВ из диэлектрика, а также в виде металлических стержней с диэлектрической оболочкой.

Диэлектрические стержневые антенны относятся к антеннам бегущей волны с замедленной фазовой скоростью (υ_ф < с). Они применяются на границе сантиметрового и дециметрового диапазонов волн в полосе частот от 2 до 10 ГГц.

 

1. Анализ существующих образцов диэлектрических антенн

 

Диэлектрические антенны, подобно щелевым и рупорным, состоят из трех элементов. Этими элементами являются (рис. 1.1):

• диэлектрический стержень Д,
• металлический патрон П, надеваемый на один концов стержня и являющийся отрезком волновода, заполненного диэлектриком;
• первичный источник электромагнитного излучения S, вставляемый в экранированную патроном часть стержня (рис. 1.1,в) или возбуждающий полый волновод (рис 1.1,г).

Диэлектрические стержни бывают двух видов – сплошные (рис 1.1,а) и полые (рис 1.1,б). Полые стержни называются также диэлектрическими трубами.

             

Рисунок 1.1 Простые диэлектрические антенны:

а) сплошная, б) полая, в) питание антенны с помощью коаксиального кабеля, г) возбуждение антенны посредством волновода.

Толщина стенок последних обычно делается по длине одинаковой. Форма поперечного сечения стержней, как сплошных, так и полых может быть различной: круглой, квадратной, прямоугольной. Форма поперечного сечения стержней характеризуется боковой их проекцией, показанной на рис. 1.1 слева от соответствующего им всем одинакового продольного сечения. Сплошные стержни часто делаются сужающимися к концу. Диэлектрические трубы, как правило, бывают постоянного поперечного сечения.

         Внутренняя поверхность патрона имеет ту же форму что и наружная поверхность стержня, потому металлический патрон надевается на диэлектрический стержень вплотную без зазоров.

         Источник S (рис. 1.1,а и б) в виде перпендикулярного к оси стержня симметричного (в случае труб) или несимметричного (в виде сплошных стержней) вибратора возбуждает в патроне волну типа H(TE).

         На рис. 1.1,в показано питание сплошных диэлектрических антенн с помощью коаксиального кабеля. Свободный конец внутреннего провода кабеля проходит в поперечном направлении сквозь тело стержня внутри патрона, причем выступающий по другую сторону конец провода входит в настраивающуюся полость, которая служит для обеспечения требуемого возбуждения стержня. При волноводном питании волна возбуждается сначала в полом волноводе, а затем переходит в патрон. При отсутствии диэлектрического стержня волна вышла бы с его открытого конца во внешнее пространство. Наличие же стержня заставляет волну распространятся по диэлектрику как по волноводу.  

         Наряду с описанными тут простыми диэлектрическими антеннами применяются сложные диэлектрические антенны, состоящие из нескольких простых, первичные источники которых соединены между собой общей фидерной системой.

Преимуществом диэлектрических антенн является простота конструкции и малые поперечные размеры. Как и у всех антенн типа бегущей волны с замедленной фазовой скоростью, их особенностью  является то, что сужение диаграммы направленности происходит за счет увеличения не поперечных размеров антенны, а продольных размеров при малом поперечном. Эта особенность определяет их применение, в частности, в авиационных радиоустройствах.

Недостатком  диэлектрических  стержневых  антенн  является  сравнительно малая пропускаемая мощность и малая направленность излучения.

2. Принцип действия диэлектрической антенны

 

Принцип действия диэлектрической антенны основан на явлении полного внутреннего отражения электромагнитных волн от границы раздела диэлектрических сред.

Известно, что при падении плоской электромагнитной волны на безгранично протяженную поверхность раздела двух диэлектриков образуется поверхностная волна при выполнении двух условий:

- волна падает из диэлектрика с большей относительной диэлектрической проницаемостью  на поверхность диэлектрика с меньшей относительной проницаемостью  (обычно вторым диэлектриком выступает воздух );

- угол падения волны больше угла полного внутреннего отражения (критического угла) или равен ему.

Поверхностная волна, которая образуется в оптически менее плотном диэлектрике (воздухе) как бы “прилипает” к поверхности раздела двух диэлектриков и характеризуется следующими свойствами:

- амплитуда напряженности поля этой волны в воздухе быстро убывает по экспоненциальному закону по нормали к поверхности раздела;

- поверхностная волна направлена по оси антенны, причем фазовая скорость этой волны v меньше скорости света  и больше фазовой скорости волны в безграничной среде с параметром  (т.е. величины );

- имеются продольные составляющие векторов поля  и .

Диэлектрический стержень антенны можно рассматривать как отрезок диэлектрического волновода. Из теории диэлектрических волноводов известно, что в них могут распространяться как симметричные, так и несимметричные волны. Волны симметричного типа, как правило, не используются в диэлектрических стержневых антеннах, так как из-за осевой симметрии они не излучают вдоль оси стержня. Несимметричные волны  и  ( , ) в диэлектрическом волноводе не разделяются, а существуют совместно, т.е. являются вырожденными. Основной волной среди этих волн является гибридная волна .

Распределение поля волны  показано на рис.2.1. В отличие от волны  в круглом металлическом волноводе, касательные составляющие электрического поля волны к границе диэлектрика отличны от нуля из-за существования поля вне диэлектрического стержня. Следствием этого является наличие продольной составляющей электрического поля волны , объясняющее одновременное существование в диэлектрическом волноводе несимметричных волн класса  и .

 

Рисунок 2.1 Структура поля волны  в диэлектрическом стержне

 

Твердый диэлектрик обладает свойством более сильной концентрации поля в себе по сравнению с окружающим воздухом. Поэтому поперечный размер стержня значительно влияет на распределение энергии электромагнитного поля, распространяемого по стержню и в окружающем пространстве. Если диаметр стержня близок к длине волны большая часть энергии передается внутри него, а при уменьшении диаметра большая часть энергии направляется по внешней поверхности стержня.

Любая антенна поверхностной волны состоит из двух элементов: возбудителя электромагнитного поля и собственно антенны, представляющей собой замедляющую структуру, трансформирующую электромагнитное поле, созданное возбудителем, в поле поверхностной волны.

Направленные свойства антенн поверхностных волн можно анализировать с двух точек зрения:

- считая, что излученное электромагнитное поле создается синфазно возбужденной поверхностью. Этой поверхностью является часть плоского фронта поверхностной волны на конце антенны. Чем больше коэффициент замедления c/v, тем меньше эффективная излучаемая поверхность. Максимум излучения направлен перпендикулярно фронту волны, т.е. вдоль оси антенны;

- так как в диэлектрическом стержне с волной  линии вектора  в поперечном сечении стержня имеют одно преимущественное направление

(рис.2.1), перпендикулярное оси , поэтому диэлектрический стержень можно рассматривать как непрерывную систему вибраторов (рис.2.2), возбуждаемых токами смещения (поляризации), оси которых перпендикулярны оси стержня. Фазы этих токов изменяются прямо пропорционально расстоянию от начала антенны, а их амплитуды (пренебрегая потерями) – одинаковы.

Таким образом, диэлектрическую антенну можно представить в виде антенны бегущей волны с непрерывным распределением источников и пониженной фазовой скоростью.

 

3. Расчет антенны

 

 

3.1 Электрический расчет антенны

 

Исходные данные:

• ширина диаграммы направленности ;
• уровень первого бокового лепестка
• поляризация – линейная
• частота

Найдем длину волны  (3.1):

 м.                                                                 (3.1)

где  скорость света  .

Исходя из частоты, определяем волновод по справочнику [10]. Для данной частоты подходит волновод  С-104. Его размеры:

• внутренний диаметр 20.244 мм.
• внешний диаметр 22.784 мм.
• толщина стенок волновода: σ = 1.27 мм.

 

3.2 Расчет параметров антенны

 

В качестве материала диэлектрического стержня выберем полистирол. Его относительная диэлектрическая проницаемость в среднем равна 2,5.

Форму стержня выберем коническую. Расчет диэлектрической антенны с коническим стержнем ничем не отличается от расчета антенны с цилиндрическим стержнем. В качестве диаметра стержня выбирается средний диаметр конуса.

На рис. 3.1приведены основные размеры, необходимые при расчете антенны.

Рисунок 3.1 Размеры антенны

 

Определяем максимальный и минимальный диаметры конического стержня по формулам.

                                            (3.1)

                             (3.2)

Расчет фазовой скорости и параметров антенны проводиться по среднему диаметру, найденному по формуле:                     

                                             (3.3)                                                                                         (3.4)

 

 

По отношению среднего диаметра стержня к рабочей длине волны (3.4) и диэлектрической проницаемости материала стержня находим относительную фазовую скорость волны в диэлектрическом стержне и коэффициент замедления (рис. 3.2):  γ ≈ 1; ξ≈1.1

 

Рисунок 3.2 Зависимость относительной фазовой скорости от относительного диаметра стержня для несимметричной волны

                                                                 

При выборе длины стержня учитываются следующие соображения. Из теории  антенн  бегущей  волны  известно, что  максимальный  коэффициент направленного действия антенны достигается при длине стержня, равной

(3.5)

 

Находим оптимальную длину стержня по формуле (3.6):

                                          

                                           м                                    (3.6)

 

3.3 Выбор подводящего коаксиального кабеля

 

Волновое сопротивление коаксиального кабеля определяется диаметрами внешнего и внутреннего проводников, а также диэлектрической проницаемостью заполняющего материала.

Выберем тип питающей линии коаксиальной, с волновым сопротивлением 50 Ом.

Таким сопротивлением будет обладать кабель со следующими параметрами:

 

отношение  диаметров  кабеля

диаметр  коаксиала  (внешний)

диаметр  коаксиала  (внутренний)

 

 

                                    (3.7)

                                                                            

  В качестве заполняющего диэлектрика выбираем полистирол.

 

3.4 Расчет диаграммы направленности

Расчет диаграммы направленности диэлектрической стержневой антенны основан на следующих предположениях, типичных для расчета антенн бегущей волны:

1. Распределение поля в цилиндрическом стержне совпадает с распределением поля в неограниченном диэлектрическом волноводе того же диаметра.
2. Волна, распространяющаяся вдоль цилиндрического стержня, является волной с замедленной фазовой скоростью, которая не изменяется по длине стержня.
3. Фазовая скорость распространения волны вдоль конического стержня остается постоянной и совпадает с фазовой скоростью волны в эквивалентном цилиндрическом стержне среднего диаметра.
4. Волной, отраженной от конца стержня, пренебрегают.

Диаграмма направленности  в плоскости E:

 

Рисунок 3.3 Диаграмма направленности в Е плоскости, в декартовой системе координат

 

 

Рисунок 3.4 Диаграмма направленности в E плоскости, в полярной системе координат

 

 

 

 

Диаграмма направленности в плоскости H (плоскость xz):

 

                         

Рисунок 3.5 Диаграмма направленности в Н плоскости, в декартовой системе координат

 

                                           

Рисунок 3.6 Диаграмма направленности в Н плоскости, в полярной системе координат

 

Рисунок 3.7 – Диаграмма направленности в плоскости H в логарифмической системе кординат

 

 

 

           3.5 Расчет характеристик антенны

Зная длину стержня, можно вычислить значения коэффициента направленного действия (КНД) и усиления антенны.

КНД диэлектрической стержневой антенны оптимальной длины в осевом направлении вычислим по формуле:

                            

Эта формула характерна для КНД антенны бегущей волны с равномерным непрерывным  распределением элементарных  диполей  по  оси антенны, которая является приближенной моделью диэлектрической стержневой антенны.

Коэффициент усиления антенны зависит от величины тепловых потерь в диэлектрическом стержне которые обычно пренебрежимо малы. Поэтому величину коэффициента усиления антенны можно считать равной величине КНД:

              

 

Заключение

 

В процессе выполнения данного курсового проекта были рассмотрены конструкции диэлектрических антенн, произведен расчет геометрических и электрических параметров конусной диэлектрической антенны осевого излучения, а также описан расчет и конструкция согласующего устройства.

В итоге проведенной работы была разработана коническая стержневая диэлектрическая антенна, удовлетворяющая заданным параметрам. Были построены диаграммы направленности диэлектрической антенны. И конструктивный чертеж проектируемой антенны.

 

 

Список использованных источников

 

1. Макаров Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. - М.: Энергия, 1975. – 528 с.
2. Проектирование полосковых устройств СВЧ: Учебное пособие. Ульяновск – 2001
3. Фельд Я. Н., Бененсон Л. С. Антенны сантиметровых и дециметровых волн. Изд. ВВИА им. Жуковского, 1955.- 284 с.
4. Баров А.А., Вальтер В.И., Гусев А.Н. Импульсная РЛС S диапазона: журнал СВЧ-техника №3, –2005, 56-67 с., ил.
5. Сканирующие антенны СВЧ. Тр. МАИ, вып. 159 / Под ред. Л. Н. Дерюгина. - М.: Машиностроение, 1964. – 156 с.
6. Воскресенский Д.И., Грановская Р. А. и др. Антенны и устройства СВЧ: Учебное пособие для вузов /Под ред. Д.И. Воскресенского, - М.: Радио и связь, 1981. – 432 с.
7. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. – М: Высшая школа,1970. – 440с.
8. Кочержевский Г. Н. Антенно-фидерные уст-ва. - М.: Связь,1972.- 312с.
9. Сазонов Д.И. Антенны и устройства СВЧ. М.:1998 – 432с., ил.
10. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р. Справочник по элементам волноводной техники. – М.: Советское радио. 1967. – 651с.

 

 Скачать: kursachchchchch.rar