Xreferat.com » Рефераты по коммуникации и связи » Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой

Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой

Министерство образования РФ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ


«Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой»

пояснительная записка к курсовой работе по курсу:

«Антенны и устройства СВЧ»


Выполнил: студент гр.05РР2

Серегин Д.А.

Проверил преподаватель:

Маркелов М.К.


Пенза 2008 г.

Содержание


Основные термины

Исходные данные

Реферат

Введение.

1.Условия оптимальности диаграммы направленности.

2.Особенности антенн бегущей волны

3.Антены поверхностных волн.

4.Возбуждение антенны

5.Расчёт возбуждающего устройства.

Расчетная часть.

1.Выбор и расчет геометрических размеров антенны

2.Расчет ребристой замедляющей структуры

3.Расчет возбуждающего устройства

4.Выбор размеров рупора

5.Расчет коэффициента отражения

7.Расчет диаграммы направленности

8.Расчёт мощности, требуемой от генератора СВЧ

9.Функциональная схема

Список используемой литературы


Основные термины


Антенны – устройство, служащее связующим звеном между аппаратной частью радиолинии и свободным пространством.

Фидер – устройство предназначенное для передачи энергии электромагнитных волн по определённому адресу.

Антенная решётка – дискретная система идентичных излучателей, которые возбуждаются от общего генератора или от отдельных фазируемых генераторов.

Диаграмма направленности антенны – это графическое представление амплитудной функции направленности.

Ширина главного лепестка ДН – угол, заключённый между двумя лучами лепестка, вдоль которых угловая плотность мощность S от максимальной (S – 0, 0,1, 0,1).

Коэффициент направленного действия – это число, показывающее, во сколько раз необходимо увеличить мощность излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной при сохранении одинаковой напряжённости поля в месте приёма.

КПД приёмной антенны – это отношение мощности, отдаваемой антенной в нагрузку, к мощности, которую она отдавала бы в ту же нагрузку, если бы не имела потерь.

Фазовая функция направленности – зависимость фазы поля от углов в пространстве при фиксированном расстоянии от начала координат.

Волновое сопротивление – это отношение поперечных составляющих электрических и магнитных волн падающей волны.

Коэффициент отражения – отношение поперечных составляющих отражённой и падающей волны для волны электрического и магнитного типа.

Сопротивление вибратора – сопротивление излучения, которое характеризует уровень мощности вибратора и реактивное сопротивление, которое оценивает степень согласования вибратора с нагрузкой.

Оптимальная антенна – антенна, имеющая наименьшую ширину главного лепестка при заданной амплитуде боковых лепестков или имеющая наименьшую амплитуду боковых лепестков при заданной ширине главного лепестка.

Поляризационная характеристика – характеристика, описывающая изменения положения вектора напряжённости электрического поля в каждой точке пространства с течением времени.

Устройства СВЧ – это радиотехнические устройства, ограничивающие свободное распространение радиоволн и предназначенные для направленной передачи электромагнитной энергии.


Исходные данные


Средняя длина волны Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой,см = 3.5;

Ширина диаграммы направленности:

Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой,град. = 30

Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой, град. = 27

Мощность излучаемая антенноц Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой,Вт = 15

Длина фидера Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой,м = 4

КСВ = 1,15

Реферат


Число страниц: 25 ; Число рис.: 10 ; Листов формата А1: 1; Число источников: 5;

АНТЕННА ПОВЕРХНОСНОЙ ВОЛНЫ, РУПОР, КСВ, ДИАГРАММА НАПРАВЛЕНОСТИ, КПД, ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ, КОЭФФИЦИЕНТ ОТРАЖЕНИЯ, ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СТРУКТУРА, ВОЗБУЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО,ФИДЕР.

Цель работы — рассчитать основные параметры антенны поверхностной волны и линии ее питания, а также разработка эскиза антенны и линии её питания в масштабе с указанием основных геометрических размеров и графики нормированных диаграмм направленности антенны.

В ходе расчета заданной антенны были получены ее геометрические размеры, теоретические электрические параметры, также был проведен расчет мощности подводимой СВЧ генератором.

Данная антенна удобна для использования в качестве невыступающей или маловыступающей антенны устанавливаемых на объектах с малым аэродинамическим сопротивлением.

Введение


1.Условия оптимальности диаграммы направленности


Оптимальными диаграммами принято называть диаграммы, наилучшим образом удовлетворяющие различным практическим требованиям. В частности, к антеннам с оптимальной диаграммой направленности относятся антенны, диаграммы направленности которых имеют наименьший уровень боковых лепестков при заданной ширине главного максимума и, наоборот, наименьшую ширину главного максимума при заданном уровне боковых лепестков.

Оптимальные антенны позволяют получить высокую направленность при низком, наперёд заданном уровне боковых лепестков. Соответственно областью применения таких антенн являются системы, в которых предъявляются жёсткие требования к уровню бокового излучения. Как правило это приёмные антенны. Примером может служить антенна системы, работающей в условиях большого уровня помех, отстройка от которых производится пространственной селекцией.

Антенна с оптимальной диаграммой направленности представляет собой линейную или двумерную решётку излучателей, размещённых на одинаковом расстоянии друг от друга со специальным амплитудным распределением тока вдоль антенны. Если все излучатели возбуждаются в фазе, то луч направлен по нормали к антенне. Если задать постоянный сдвиг фаз между излучателями, то луч можно отклонить на необходимый угол.


2.Особенности антенн бегущей волны


Антенны бегущей волны представляют собой антенны, токи которых, форми-рующие поле излучения, могут быть представлены одной или несколькими бегущими волнами, распространяющимися вдоль какой-либо направляющей структуры. Последние по длине составляют обычно несколько длин волн. Антенны бегущей волны относятся к продольным излучателям, обеспечивающим излучение вдоль оси структуры или в направлении, близком к ней.

Представителями антенн бегущей волны являются антенны с замедленной фазовой скоростью. Расчет излучения этих антенн основывается на характеристиках бегущих волн с замедленной фазовой скоростью (Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой), направляемых, замедляющей структурой. Антенны тако- го вида различают, в основном, по замедляющей структуре. Существует большое разнообразие замедляющих структур, которые могут поддерживать либо волны Е, либо волны Н, либо те и другие, отличающихся конструктивным выполнением и формой поверхности. Антенны с плоскими и_цилиндрическими непрерывными замедляющими структурами называют антеннами поверхностных волн.

Примерами антенн с замедленной фазовой скоростью являются: диэлектрические стержневые антенны, спиральные антенны, антенны «волновой канал», различные виды антенн поверхностных волн и т. д. Они находят применение как в качестве самостоятельных антенн, так и в качестве элементов антенных решеток.

Распространение бегущей_ волны вдоль замедляющей структуры предполагает её достаточную электрическую длину. Это условие наиболее просто выполняется в диапазоне сверхвысоких частот. Поэтому антенны бегущей волны с замедленной фазовой скоростью, как правило, используются в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Отличительным признаком волны с Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуройявляется убывание амплитуды поля волны при удалении от замедляющей структуры по экспоненциальному закону, причем скорость убывания тем быстрее, чем больше замедление волны. Поэтому характерной особенностью антенн поверхностных волн являются их малые поперечные размеры, они удобны при использовании в качестве не выступающих или маловыступающих антенн, устанавливаемых на объектах с малым аэродинамическим сопротивлением.

Ширина диаграммы направленности рассматриваемых антенн прямо пропорциональна корню квадратному из отношения рабочей длины волны к длине замедляющей структуры, т. е. зависит от этого соотношения значительно слабее, чем в антеннах с поперечным излучением.

Приводимый ниже расчет антенн бегущей волны с замедленной фазовой скоростью основан на следующих предположениях:

1) распределение поля бегущей волны Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой, распространяющейся вдоль замедляющей структуры антенны, совпадает с полем бегущей волны над регулярной структурой с тем же замедлением;

2) отражение бегущей волны от конца замедляющей структуры пренебрежимо мало;

3) излучение возбудителя антенны достаточно мало и им можно пренебречь.

Эти предположения упрощают картину явлений, происходящих в антеннах бегущей волны, и позволяют определить распределение тока (поля) антенны по ее длине. В действительности отражения, возникающие при распространении бегущей„волны вдоль замедляющей структуры конечной длины, и излучение возбудителя бегущей волны искажают это распределение. Однако эти искажения при правильном выборе размеров антенны невелики и ими можно пренебречь.

Приведенные предположения позволяют рассчитать диаграмму направленности антенны бегущей волны как диаграмму направленности антенны с непрерывным или дискретным распределением элементарных излучателей по длине антенны в зависимости от вида замедляющей структуры. Бегущая волна в этом случае выполняет роль линии питания элементарных излучателей.

В отдельных случаях при достаточно большой длине антенны ее излучение можно представить так же, как излучение эквивалентного раскрыва на конце антенны, образованного распределением поля волны с Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуройнад регулярной замедляющей структурой в плоскости ее поперечного сечения.

Оба представления излучения антенны носят приближенный характер. Однако первое из них получило наибольшее распространение при инженерном расчете антенн с замедленной фазовой скоростью


3.Антены поверхностных волн


Типичная схема антенны поверхностной волны приведена на рис.1. Антенна состоит из двух основных элементов: замедляющей структуры 1. по которой распространяется поверхностная волна, и возбудителя поверхностной волны 2.


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой

рис.1.


Антенны поверхностных волн различают по виду замедляющей структуры и по функциональным признакам. Существует большое разнообразие замедляющих структур, отличающихся конструктивным выполнением. Как следствие их большого разнообразия, антенны поверхностных волн находят широкое практическое применение в системах связи, радиолокации, телеметрии и т. д.

Антенны поверхностных волн используются в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Обычно они допускают работу в полосе частот, составляющей ±10-15%. В некоторых случаях с помощью специальных мер эта полоса может быть расширена.

К недостаткам антенн поверхностных волн следует отнести сравнительно малое реализуемое усиление и относительно высокий уровень боковых лепестков диаграммы направленности. Ширина основного лепестка диаграммы Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой составляет обычно 15—20°.Однако существуют способы, позволяющие улучшить направленные характеристики антенн, например использование модулированных замедляющих структур.

Различные части антенны поверхностной волны служат различным целям. От конструкции возбудителя зависит эффективность возбуждения поверхностной волны. Замедляющая структура направляет поверхностную волну и обеспечивает основное излучение антенны. Поле излучения, антенны поверхностной волны является результатом интерференции поля_и_излучения замедляющей структуры и поля излучаемого возбудителем. Последнее является вредным фактором, искажающим диаграмму направленности.


4.Возбуждение антенны


Возбуждающее устройство 2 антенны (см. рис.1) предназначено для трансформации энергии, подводимой к антенне по фидерной линии, в энергию поверхностной волны, которая направляется далее замедляющей структурой. Возбуждающее устройство характеризуется своей эффективностью, которая определяется либо коэффициентом возбуждения поверхностной волны, либо эквивалентными ему характеристиками, например эффективной зоной возбуждения поверхностной волны. Коэффициент возбуждения определяется отношением мощности, переносимой поверхностной волной, к полной мощности подводимой к антенне.

Непосредственное излучение возбудителя не только снижает его эффективность, но и приводит к искажению диаграммы направленности антенны за счет интерференции этого излучения с излучением, формируемым замедляющей структурой антенны.

Существуют различные схемы возбуждения поверхностных волн, которые можно разделить на две основные группы: возбуждение источниками, расположенными либо поперечном сечении поверхностной волны, либо вдоль нее. В первом случае для эффективного возбуждения распределение источников должно воспроизводить распределение поля поверхностной волны в поперечном сечении. Источники такого рода реализуются апертурными возбудителями в виде раскрыва рупора или волновода.

Наиболее широко используется возбуждение поверхностных волн раскрывом рупора рис. 1, .2.


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой

рис.2.


Замедляющая структура заходит внутрь рупора, для того чтобы обеспечить плавное преобразование волны в волноводе в поверхностную волну без появления высших типов волн и отражений. В зависимости от замедления поверхностной волны в раскрыве рупора его размер Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой должен быть таким, чтобы уменьшение амплитуды поля волны на этой длине было не менее 10 дб из-за влияния верхней стенки рупора. Если величина Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуройограничена, то лишь определенная доля мощности, подводимой к возбудителю, переходит в поверхностную волну. Поэтому эффективное возбуждение возможно лишь при достаточно большом замедлении поверхностной волны (Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой>1,2).


5.Расчёт возбуждающего устройства


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой

рис.3.


В большей части переходов используется электрическая связь, хотя при некотором усложнении конструкции может быть реализован метод магнитной связи.

Критерием согласования возбуждающего устройства с волноводом служит режим бегущей волны в коаксиальном питающем фидере, то есть равенство входного сопротивления возбуждающего устройства волновому сопротивлению фидера.

На рисунке изображено наиболее распространённое устройство зондового типа в виде несимметричного штыря, расположенного параллельно электрическим силовым линиям.

Входное сопротивление штыря в волноводе, так же как несимметричного вибратора в свободном пространстве, является в общем случае комплексной величиной. Активная часть входного сопротивления в основном от длины штыря, реактивная – от длины и толщины. В отличие от свободного пространства входное сопротивление штыря в волноводе зависит от структуры поля в волноводе вблизи штыря.

Расчёт реактивной составляющей входного сопротивления даёт неточные результаты и проводить его не имеет смысла. Для обеспечения согласования реактивная составляющая входного сопротивления должна быть равна нулю. Активную составляющую входного сопротивления можно считать равной сопротивлению излучения штыря в волноводе. Она должна быть равна волновому сопротивлению фидера.

Расчетная часть


1.Выбор и расчет геометрических размеров антенны


В качестве замедляющей структуры выберем плоскую ребристую (гребенчатую) структуру.

По заданной ширине диаграммы направленности антенны вычисляем длину L замедляющей структуры:


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой , где


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой- длина волны

Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой- ширина диаграммы направленности в плоскости Е

Выражаем отсюда L:


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой=Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуройм.


Величина оптимального замедления поверхностной волны Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой вычисляется по следующей формуле:


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой


Отсюда


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой


Скорректируем полученное Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой на основе соотношения:

Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой, где


p=3 т.к. Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой

отсюда


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой


Коэффициент направленного действия (К.Н.Д.) антенны оптимальной длины оценивается соотношением:


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой


КПД антенны вычисляется по формуле:


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой, также


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой , где КСВ = 1,15 (задано в начальных условиях)


следовательно Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой


Коэффициент усиления антенны:


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой


2.Расчет ребристой замедляющей структуры


Ребристая структура представляет собой периодически чередующиеся канавки шириной Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуройи глубиной Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой с ребрами толщиной Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой.(Рис .4 .)


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой

рис.4.


Из выражения:


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой, где (1)


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой - Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой должен быть Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой, поэтому возьмем Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой=0,0044м.

выразим отсюда отношение Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой , где Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой=D:


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой=0,36


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой


Из графика (рис.5.) находим что Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой отсюда Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой м. следовательно


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой

рис.5.


Зависимость замедленияПлоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой от глубины канавки ребристой структуры Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой при различных значениях Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой:

1) Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой=Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой 2) Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой=4 3) Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой=2

4)Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой=1,5 5)Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой=0,5 6) Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой=0,2

Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуройм.

Выразив из выражения (1) Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой получим:


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуройм.


3.Расчет возбуждающего устройства:


В качестве возбуждающего устройства возьмем наиболее широко используемый – раскрыв рупора.

Выбор геометрических размеров рупора и волноводного излучателя:

Выбор размеров поперечного сечения прямоугольного волновода a и b производится из условия распространения в волноводе только основного типа волны Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой и длине волны.

В нашем случае подойдет со следующими параметрами:

Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуроймм Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуроймм (при выборе руководствуемся длиной волны Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой)

Длину отрезка волновода Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуройот возбуждающего штыря до закорачивающей стенки выбирается из условия согласования с питающим коаксиалом:


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой, где (2)


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой - длина волны в волноводе


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуройПлоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структурой


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуройм.

подставив все это в выражение (2) получим:


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуройм.


Длина волновода Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей структуройот возбуждающего устройства до горловины рупора выбирается из условия фильтрации высших типов волн и вычисляется по следующей формуле:


Плоская антенна поверхностной волны с ребристой замедляющей
    <div class=

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.
Подробнее

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: