Московский государственный университет пищевых производств
Курсовая работа по дисциплине
«Устройства СВЧ и Антенны»
Выполнил:
Студент группы 11-ОА-14
Ларин Иван
Принял:
Преподаватель кафедры 406
Шмачилин Павел Александрович
Москва 2012
Содержание
- Краткая теория. 3
1.1 Антенна типа "волновой канал". 3
1.1.1 Общие сведения об антенне. 3
1.1.2 Определение токов в вибраторе без рефлектора. 5
1.1.3 Определение токов в вибраторе с рефлекторов. 6
1.1.4 Входное сопротивление. 6
1.1.5 Диаграмма направленности. 6
1.1.6 Коэффициент направленного действия. 7
1.1.7 Расчет длины вибратора. 7
1.1.8 Согласование. 8
1.1.9 Электрическая схема. 8
1.2 Коаксиальная линия передачи. 8
1.2.1 Волновое сопротивление. 8
1.2.2 Коэффициент затухания. 9
1.2.3 Максимальная мощность. 9
1.3 Симметрирующее устройство. 9
- Аналитический расчет. 10
2.1 Антенна. 10
2.1.1 Определение исходных данных. 10
2.1.2 Расчет токов без рефлектора. 10
2.1.3 Расчет токов c рефлектором.. 11
2.1.4 Диаграмма направленности. 12
2.1.5 Входное сопротивление. 14
2.1.6 Коэффициент направленного действия. 14
2.1.7 Расчет размеров. 15
2.1.7 Согласование. 15
2.2 Линия передачи (коаксиальная линия) 16
- Итоги работы.. 17
- Литература. 18
1. Краткая теория
1.1 Антенна типа "волновой канал"
1.1.1 Общие сведения об антенне
Антенна типа волновой канал, иначе называемая директорной антенной, относится к классу антенн бегущей волны. Бегущая волна, распространяющаяся вдоль оси Z антенны (рис. 1), формируется системой симметричных пассивных вибраторов-директаров (1, 2, 3, 4), образующих линию с замедленной волной, замедление которой близко к единице. Бегущая волна возбуждается в линии с помощью возбудителя, состоящего, из симметричного активного вибратора 0, к которому подводится питание от генератора, и пассивного симметричного вибратора-рефлектора (-1), отражающего волну в сторону директоров. Все вибраторы параллельны друг другу и расположены в одной плоскости симметрично относительно продольной оси Z, вдоль которой распространяется волна. Как и во всякой антенне бегущей волны, ширина диаграммы направленности слабо зависит от длины антенны, т. е. от числа директоров. Поэтому число директоров, как правило, бывает не больше десяти. Для отражения волны в сторону директоров достаточно одного рефлектора. Для формирования бегущей волны требуется определенная настройка всех вибраторов антенны в зависимости от длины волны и расстояния между вибраторами. Поэтому антенна типа волновой канала является сравнительно узкополосной. Ее полоса пропускания составляет несколько процентов.
Длина вибраторов в антенне близка к половине длины волны, что определяет ее рабочий диапазон волн - границу метрового и дециметрового диапазонов. Назначением антенны типа «волновой канал» является формирование диаграммы направленности шириной в обеих плоскостях не менее 15 - 20°. У этих антенн, как у всех антенн бегущей волны, диаграмма направленности в осевом направлении формируется продольным, а не поперечным размером, что определяет их области применения. Антенны тина «волновой канал» нашли широкое применение в качестве приемных телевизионных антенн и антенн радиолокационных станций, где они используются как в качестве самостоятельных антенн, так и элементов решеток и облучателей зеркальных антенн.
Отличительной особенностью антенн типа «волновой канал» является небольшое активное входное сопротивление активного вибратора, уменьшенное за счет влияния пассивных вибраторов до 20-30 Ом, в то время как одиночный полуволновый вибратор имеет активное сопротивление около 73 Ом. Это вызывает известные трудности в согласовании антенны со стандартными фидерными линиями.
Для успешного формирования бегущей волны и диаграммы направленности амплитуды токов во всех вибраторах антенны должны быть примерно одинаковы. Токи в директорах по мере удаления от активного вибратора должны запаздывать по фазе на все большую величину по сравнению с фазой тока в активном вибраторе, в соответствии с запаздыванием фазы волны, бегущей вдоль антенны. Для этого входное сопротивление директоров, должно носить емкостный характер, а длина их должна быть меньше половины длины волны. Для ослабления поля, излученного антенной в направлении, противоположном бегущей волне, ток в рефлекторе должен опережать по фазе ток в активном вибраторе. Поэтому входное сопротивление рефлектора должно носить индуктивный характер, а длина рефлектора должна быть больше половины длины волны. Подбор расстояния между директорами, которое обычно составляет (0,15-0,25) , расстояния между рефлекторов и активным вибратором, составляющего (0,1-0,35) , и соответствующая настройка вибраторов подбором их длины позволяет удовлетворить изложенные выше требования.
Второй отличительной особенностью «волнового канала», вытекающей из принципа его действия, является значительная сложность настройки антенны, так как настройка одного из элементов влияет на работу всех других, связанных с ним. Сложность настройки возрастает с увеличением числа элементов. Соответственно сложным является и теоретический расчет характеристик антенны, в первую очередь токов в вибраторах.
1.1.2 Определение токов в вибраторе без рефлектора
Система уравнений, определяющая токи в вибраторах антенны без рефлектора, имеет вид
- комплексное наведенное сопротивление со стороны m-ого вибратора на n-й. Величина может быть определена с помощью таблиц.
- собственное сопротивление вибратора.
- э. д. с. питания n-ого вибратора (равна единице только для активного вибратора).
- ток в m-ом вибраторе.
В общем виде запишем систему уравнений:
Далее необходимо определить взаимные сопротивления и решить систему уравнений.
1.1.3 Определение токов в вибраторе с рефлекторов
Для определения тока в вибраторах с рефлектором необходимо рассчитать токи без рефлектора из пункта 1.2
Для пересчета токов необходимо определить ток в рефлекторе:
Т.к расчет будет проводиться для 1 директорной антенны, то определим только и :
1.1.4 Входное сопротивление
Входное сопротивление антенны определяется формулой:
Так же для получения высокого КБВ рекомендуется, чтобы . Для этого необходимо укорачивание активного вибратора.
1.1.5 Диаграмма направленности
При определении диаграммы направленности участвуют 3 множителя: множитель вибратора, множитель антенны и множитель земли.
- a) Множитель антенны для полуволнового вибратора:
б) Множитель земли производит суммирование токов для каждого вибратора с учетом фазовых составляющих:
г) Множитель земли примем за 1, т.к диаграмму направленности будем рассматривать только в плоскости, пересекающей диаграмму вдоль антенны.
1.1.6 Коэффициент направленного действия
Коэффициент направленного действия для антенны типа волновой канал, без учета влияния экрана, определяется:
- длина от рефлектора до последнего директора.
- специальный коэффициент, зависящий от Его определим с помощью графика из Л1.
1.1.7 Расчет длины вибратора
Для вибраторов, длина которых близка к , можно принять, что собственное сопротивление определяется формулой:
- радиус поперечного сечения. Много меньше длины волны (пусть ).
- укорочение/удлинение относительно
1.1.8 Согласование
Т.к антенна типа волновой канал малоомная, а коаксиальный кабель имеет волновое сопротивление в 75 Ом, значит необходимо согласование. Для этого коаксиал подключается не в пучность тока, а к точке вибратора с входным сопротивлением, соотвествующим выполнению условия согласования:
- входное сопротивление вибратора.
- волновое сопротивление фидера.
- волновое сопротивление вибратора.
1.1.9 Электрическая схема
|
Генератор |
1.2 Коаксиальная линия передачи
1.2.1 Волновое сопротивление
|
D |
|
d
|
1.2.2 Коэффициент затухания
– тангенс угла диэлектрических потерь.
– диэлектрическая постоянная.
– поверхностное сопротивление проводника.
1.2.3 Максимальная мощность
– величина, характеризующая пробой в диэлектрике.
1.3 Симметрирующее устройство
Симметрирующее устройсво применяется при питании антенн несимметричной линией передач. Для симметричного распеделения токов в вибраторе применим U-колено:
Длина U-колена равна половине длины волны.
2. Аналитический расчет
2.1 Антенна
2.1.1 Определение исходных данных
|
Название |
Обозначения |
Значения |
|
Количество директоров |
N |
1 |
|
Расстояние от рефлектора до активного вибратора |
||
|
Расстояние от активного до пассивного вибратора |
||
|
Радиус поперечного сечения вибратора |
|
Определим взаимные сопротивления вибраторов по таблицам из Л3.
|
n/m |
-1 |
0 |
1 |
|
-1 |
58.8-j9.8 |
15.2-j37.7 |
|
|
0 |
58.8-j9.8 |
51.4-j19.2 |
|
|
1 |
15.2-j37.7 |
51.4-j19.2 |
2.1.2 Расчет токов без рефлектора
На основе найденных взаимных сопротивлений и системы уравнений из пункта 1.1.2 запишем уравнения, определяющие токи на вибраторах:
Пусть собственное сопротивление директора , тогда:
2.1.3 Расчет токов c рефлектором
Примем, что сопротивление рефлектора:
Для расчетов тока с рефлектором необходимо определить ток на рефлекторе с помощью формул из 1.1.3. Для этого рассчитаем коэффициенты и ( :
Значения определяются для антенны без рефлектора.
Далее определим ток рефлектора:
Пересчитаем токи с учетов рефлектора:
2.1.4 Диаграмма направленности
Определим диаграмму направленности, так как это указанно 1.1.5
Диаграмма (в разах):
В полярных координатах:
Диаграмма (в Дб):
В полярных координатах:
2.1.5 Входное сопротивление
Входное сопротивление определяется формулой из пункта 1.1.4:
Собственное сопротивление активного вибратора было подобранно так чтобы обеспечить чисто актиное входное сопротивление. Это означает, что реактивную часть согласовывать не надо.
2.1.6 Коэффициент направленного действия
Т.к антенна состоит из 3 элементов, то суммарная длина ее равна:
С помощью таблицы из Л1 определим коэффициент K (=10) и рассчитаем коэффициент направленного действия:
2.1.7 Расчет размеров
Применим формулы из пункта 1.1.7 и выразим
- мнимые части собственных сопротивлений.
- радиус поперечного сечения ( ).
Длина рефлектора равна полуволне.
2.1.7 Согласование
Для согласования подключим коаксиальный кабель не в начала плеч, а на расстроянии . Воспользуемся формулами из 1.1.8:
2.2 Линия передачи (коаксиальная линия)
Для расчета переметров линии подберем необходимые материалы:
В качестве материала проводника выберем медь, а диэлектрика - полистирол.
Подберем необходимые значения размеров d и D:
d = 2.15 мм; D = 5 мм;
С помощью формул из пункта 1.2 рассчитаем параметры линии:
- Волновое сопротивление
- Коэффициент затухания
- Допустимая мощность
Зная коэффициент затухания, вычислим потери:
- длина линии [Из задания].
- выходная мощность генератора [Из задания].
3. Итоги работы
В результате работы были рассчитаны параметры антенны типа "волновой канал" и коаксиального кабеля. Представленная антенна будет состоять из 3 элементов : рефлектора (75 см), активного вибратора (64 см) и директора (62.8 см), а входное сопротивление имеет чисто активных характер и составляет около 10 Ом. Так же антенна обеспечивает коэффициент направленного действия равный 5.5 Дб, что больше необходимого.
Необходимые требования к коаксиальному кабелю выполнены: пропускаемая мощность больше 800 Вт (а именно 1.2 кВт). Потери составляют 3.8 Вт. Согласование антенны с 75 Ом-ой линией выполняется путем подключения кабеля не в пучности тока, а т.к линия несимметрична используется симметрирующее устройство (U-колено).
4. Литература
- Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток): Учебн. пособие для вузов. Д.И. Воскресенский, Р. А. Грановская, Н. С. Давыдова и др. / Под ред. Д. И. Воскресенского. — М.: Радио и связь, 1981
- Устройство СВЧ и антенны. Ученик для вузов. Д. И. Воскресенский, В. Л. Гостюхин, В. М. Максимов, Л. И. Пономарёв. / Под ред. Д. И. Воскресенского. — М.: Радиотехника, 2006
- Расчет и конструирование антенно-фидерных устройств. А.П. Дорохов. Издательство Харьковского университета, 1960
- Конструирование СВЧ-устройств. В.В. Попов, М.: МАИ-ПРИНТ, 2009
- Антенны и устройства СВЧ. Д.М. Сазонов, М.: Высшая школа, 1988
Скачать: