Антенно-фидерные устройства: Методические указания для студентов-заочников специальности ''Радиосвязь, радиовещание и телевидение''

Министерство образования Российской Федерации Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

Антенно-фидерные устройства Методические указания для студентов-заочников специальности 201100 «РАДИОСВЯЗЬ , РАДИОВЕЩАНИЕ И ТЕЛЕВИДЕНИЕ »

Владивосток 2004

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Одобрено научно-методическим советом университета УДК 621.396.67

Уколова Г.Г. Антенно-фидерные устройства: Метод. указания.Владивосток, 2004. – 24с.

Методические указания по изучению дисциплины « Антенно-фидерные устройства» предназначены

для студентов заочной формы

обучения

специальности 201100 и могут быть использованы для самостоятельной работы студентов очной формы обучения. В работе даны указания к структуре и методике изучения дисциплины, рабочая программа, литература основная и дополнительная, рекомендуемая как для изучения дисциплины, так и для выполнения курсового проекта. Приведены основные теоретические сведения по расчёту некоторых типов антенн, а также справочные

данные

по

характеристикам

стандартных

прямоугольных

волноводов, необходимые при расчёте ряда антенн.

Печатается с оригинал- макета, подготовленного автором

© Г.Г. Уколова, 2004 © Изд-во ДВГТУ, 2004

2

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Введение Дисциплина «

Антенно-фидерные

устройства»,

утверждённая

как

составная часть учебного плана по специальности «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», изучается студентами заочного факультета на 5 курсе. Общая трудоёмкость дисциплины – 221 час. Студент-заочник должен самостоятельно изучить материал, предусмотренный программой дисциплины, выполнить и защитить курсовой проект, прослушать 20 часов лекций, проделать 12 часов лабораторных работ, 8 часов практических занятий и сдать экзамен. Настоящее время характеризуется бурным развитием всех видов связи, но особое

внимание

уделяется

мобильной

связи ( пейджинговой,

сотовой,

спутниковой). Современные виды связи всё чаще используют частотные диапазоны, относящиеся к сверхвысоким ( СВЧ) и крайневысоким ( КВЧ) частотам.

Кроме

того,

развитие

мобильных

средств

связи

требует

миниатюризации приёмопередающей аппаратуры и антенных устройств. Основой миниатюризации на высоких частотах являются микрополосковые линии передач (МПЛ), теория и различные модификации которых продолжают разрабатываться и в настоящее время. Стремление к увеличению числа абонентов в системах связи и дальности приёма (передачи) требует разработки новых типов антенных устройств, таких как многолучевые антенны, антенны с обработкой сигнала, фазированные и цифровые антенные решётки, плоские (печатные) антенны на МПЛ и др. Специалисту

необходимо

знать

линии

передач

низкочастотного,

сверхвысокочастотного и оптического диапазонов; устройства СВЧ,

без

которых невозможны такие виды связи, как радиорелейная и космическая связь; типы антенн, применяемые в радиосвязи, телевидении и радиовещании. Изучение дисциплины « Антенно-фидерные устройства» основывается на базовой дисциплине «Электромагнитные поля и волны», а также на дисциплине «Распространение радиоволн» и на следующих разделах из курса « Высшая

3

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

математика»: комплексные числа и комплексные функции, теория векторных полей, методы математической физики, дифференциальные и интегральные уравнения; из курса « Физика»: магнитные свойства вещества, электромагнитные волны, электричество, оптика. В свою очередь знание курса «Антенно-фидерные устройства» необходимо при изучении других дисциплин: «Радиопередающие и радиоприёмные устройства», « Космические и наземные системы связи», «Мобильные системы связи». При

изучении

физическому

дисциплины

истолкованию

большое

формул,

внимание

выяснению

следует

физических

уделять связей

и

зависимостей между явлениями и параметрами устройства. При изучении передающих линий и устройств антенно-фидерного тракта рекомендуются учебные пособия [8, 11, 12]. Общую теорию антенн и типы антенн связи, телевидения и радиовещания можно изучать по учебникам [1 – 5, 6, 7].

В источнике [9] из

библиографического списка проводится анализ решения типовых задач по расчёту антенных устройств, а в методической разработке [10] даны основные теоретические сведения и описания семи лабораторных работ. Библиографический список Основная литература 1. Кочержевский Г. Н. ,

Ерохин Г. А. , Козырев Н. Д. Антенно-фидерные

устройства. - М.: Радио и связь, 1989. – 351 с. 2. Кочержевский Г. Н. Антенно-фидерные устройства. – М.: Связь, 1972. –472 с. 3. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решёток: Учеб. пособие для вузов / В. С. Филиппов, Л. И. Пономарёв, А. Ю. Гринёв и др.; Под ред. Д. И. Вокресенского. – М.: Радио и связь, 1994.–592 с. 4. Айзенберг Г. З., Ямпольский В. Г., Терешин О. Н. Антенны УКВ. ч. 1, 2.– М.: Связь, 1977. – 288 с. 5 Айзенберг Г. З. и др. Коротковолновые антенны. – М.: Радио и связь, 1985.– 35 с.

4

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Дополнительная литература 6. Антенны и устройства СВЧ/ Под ред. Д. И. Воскресенского. – М.: Сов. радио, 1972. – 382 с. 7. Жук М. С., Молочков Ю. В. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. – М.: Энергия, 1973. – 340 с. 8. Уколова Г. Г. Передающие линии СВЧ. – Владивосток: ДВГТУ, 1997. – 72 с. 9. Чернышов

В.

П.

Распространение

радиоволн

и

антенно-фидерные

устройства. Задачи и упражнения. – М.: Радио и связь, 1982. – 152 с. 10. Антенны и устройства СВЧ. Метод. разработка. – Владивосток: ДВГТУ, 2002. – 60 с. 11. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. В 2т. – Т.1. – М.: Высш. шк.,1970. – 439 с. 12. Конструкции СВЧ устройств и экранов / Под ред. А. М. Чернушенко. – М.: Радио и связь, 1983. – 400 с.

Рабочая программа 1. Общая теория направляемых волн. Линии передач Классификация

волн:

поперечная

поперечные магнитные ( Е–моды),

электромагнитная (

Т–мода),

поперечные электрические ( Н–моды),

гибридные волны. Типы регулярных линий передач. Понятие длинной линии с распределёнными параметрами. Прямоугольные волноводы. Типы волн в прямоугольном волноводе. Понятие критической длины волны. Низшая (основная) волна в прямоугольном волноводе, условие одномодового режима работы. Анализ основных характеристик прямоугольного волновода на волне Н10: длины волны в волноводе ( Λ ),

5

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

волнового сопротивления ( Z c ), предельной мощности ( Pпр ), потерь на единицу длины ( α ), токов проводимости в стенках волновода, токов смещения. Волноводы специальной формы, гофрированные волноводы. Волноводы круглого сечения. Типы мод в круглых волноводах. Низшая (основная) волна в круглых волноводах, условие одномодового режима работы. Высокодобротная волна Н01, использование круглых волноводов на Н01 для дальней связи, способы подавления мешающих мод. Применение мод с осевой симметрией электромагнитного поля. Элементы возбуждения электромагнитных волн в прямоугольном и круглом волноводе. Коаксиальные линии передач. Типы волн в коаксиальной линии, условие одномодового

режима

работы

на

Т-волне.

Основные

характеристики

коаксиальной линии: Λ , Z c , Pпр , U пр , α . Области применения коаксиальных линий. Полосковые линии передач. Типы полосковых линий: симметричная полосковая

линия ( СПЛ),

микрополосковая

линия ( МПЛ).

Условие

одномодового возбуждения и основные параметры МПЛ. Связанные МПЛ. Щелевые и копланарные линии. Диэлектрические волноводы. Условия возникновения поверхностной волны. Структура поля низшей волны, выбор поперечных размеров для одномодового

режима.

Однопроводной

фидер,

область

применения.

Многослойные диэлектрические линии, оптическое волокно. Возможности использования оптических кабелей в области связи. Двухпроводные, четырёхпроводные и многопроводные линии передач. Четырёхпроводный перекрещенный фидер. Основные конструктивные данные и электрические параметры. Режимы в передающих линиях. Коэффициент отражения, КСВ, КБВ. Свойства отрезков линий передач. Согласующие устройства.

6

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2. Элементы и устройства фидерных трактов Сочленение линий передач: волноводные фланцы, коаксиальные разъёмы, волноводно-коаксиальные и волноводно-полосковые переходы. Вращающиеся сочленения. Е и Н волноводные разветвления. Короткозамыкающие ( настроечные) поршни. Согласованные нагрузки (эквиваленты антенн). Аттенюаторы поглощающие и предельные. Делители и сумматоры мощности. Мостовые устройства: волноводные (щелевой и Т-мост), микрополосковые ( шлейфные, кольцевой мост). Методы управления фазой волны, фазовращатели. Методы управления поляризацией волны. Применение поляризационных устройств для уплотнения линий связи. Коммутационные

устройства,

балансные

антенные

переключатели,

полупроводниковые переключатели. Фидерные

тракты

радиорелейных

и

космических

систем

связи,

требования, предъявляемые к элементам трактов. 3.Основы теории антенных устройств Назначение

приёмной

и

передающей

антенны

в

радиоканале.

Классификация антенн. Параметры антенн. Характеристика ( диаграмма) направленности антенны: амплитудная (по напряжённости электрического поля и по мощности), фазовая. Ширина диаграммы направленности и относительный уровень боковых лепестков. Коэффициент направленного действия ( КНД) и коэффициент усиления антенны ( КУ). Коэффициент поляризации поля излучения, коэффициент защитного действия. Понятие элементарных излучателей: электрического, магнитного и элемента Гюйгенса. Симметричный электрический вибратор в свободном пространстве. Направленные свойства. Сопротивление излучения и входное сопротивление симметричного вибратора. Резонансная длина вибратора, её зависимость от

7

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

размеров

поперечного

сечения.

КНД

и действующая

длина

антенны.

Симметричные щелевые вибраторы. Принцип двойственности. ДН, КНД, входная ( внутренняя)

и

проводимость

излучения ( внешняя)

щелевого

вибратора. Система из двух связанных вибраторов. Направленные свойства. Сущность метода наведённых ЭДС. Наведённые и взаимные сопротивления. Входное сопротивление вибратора, входящего в систему связанных вибраторов. Пассивные вибраторы. Директор и рефлектор. Влияние

земли

на

излучение

симметричных

вибраторов.

Метод

зеркальных отображений. Излучающие свойства и входное сопротивление несимметричного вибратора. Апериодический рефлектор. Методы получения узких диаграмм направленности. Антенные решётки с поперечным излучением. Влияние амплитудно-фазового распределения на направленные свойства. Антенные решётки с осевым излучением. Антенны бегущей волны. Оптимальная фазовая скорость и оптимальная длина антенны. Излучение провода с бегущей волной тока. Излучение идеальной плоской поверхности (апертуры) прямоугольного и круглого раскрыва. Влияние амплитудного и фазового распределения поля по раскрыву

на

излучающие

свойства

реальных

апертур,

коэффициент

использования поверхности (КИП). Понятие о синтезе антенн. Теория приёмных антенн. Эквивалентная схема приёмной антенны. Мощность в нагрузке приёмной антенны. Эффективная площадь, шумовая температура антенны. 4.Типы антенных устройств

4.1.

Антенны метровых, дециметровых, сантиметровых и миллиметровых

волн

8

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Симметричные

и

несимметричные

вибраторы.

Шлейф-вибратор

Пистолькорса. Вибраторы с линейными и апериодическими рефлекторами. Способы увеличения частотного диапазона вибраторных антенн, вибратор Надененко, шунтовой вибратор Айзенберга, Ж-образные вибраторы. Питание

простых

вибраторных

антенн.

Питание

симметричного

вибратора коаксиальной линией, симметрирующие и согласующие устройства. Антенны бегущих волн: директорные, спиральные, диэлектрические, антенны поверхностной волны (АПВ). Волноводные щелевые антенны. Рупорные антенны. Распределение амплитуды и фазы поля в раскрыве, направленные

свойства.

Оптимальный

рупор.

Согласование

рупора

с

волноводом и кабелем. Зеркальные антенны. Требования к ДН облучателя, оптимальное облучение зеркал. Распределение поля в раскрыве и направленные свойства зеркальных антенн. Реакция зеркала на облучатель и методы её устранения. Управление диаграммой направленности. Допуски на изготовление зеркальных антенн. Двухзеркальные антенны Кассегрена и Грегори, методы расчёта. Рупорно-параболическая антенна. Линзовые антенны. Ускоряющие и замедляющие линзы. Направленные свойства. Многолучевые антенны линзы Люниберга.

4.2.

Антенны для телевидения, РРЛ и космической радиосвязи

Антенны передающих телевизионных центров. Приемные телевизионные антенны. Антенны для коллективного приёма. Особенности зеркальных антенн, применяемых на магистральных РРЛ прямой

видимости.

Перископические

антенные

системы.

Пассивные

ретрансляторы для РРЛ. Тракты питания этих антенн, вопросы герметизации и электрической прочности трактов.

9

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

4.3.

Антенные решётки с управляемой диаграммой направленности

Общие сведения о фазированных антенных решётках ( ФАР). Искажения ДН при сканировании. Взаимное влияние элементов решётки, максимальное допустимое расстояние между излучателями ФАР. Плавный и дискретнокоммутационный способы фазирования. Антенные решётки с частотным сканированием. Понятие о многолучевых и ретрансляционных решётках, решётках с обработкой сигналов.

4.4.

Антенны декаметровых (коротких) волн

Синфазная рефлекторов:

горизонтальная

настроенные,

диапазонная

активные,

антенна (

диапазонные,

СГД).

Типы

апериодические.

Направленные свойства, КНД, электрическая прочность. Ромбическая антенна. Конструктивные размеры, направленные свойства. Двойная ромбическая антенна. Антенна бегущей волны с элементами связи.

Логопериодическая

антенна. Питание антенн коротких волн. Экспоненциальные и ступенчатые трансформаторы.

4.5.

Антенны мириаметровых (сверхдлинных), километровых (длинных) и

гектометровых (средних) волн Проволочные Т-образные, Г-образные и зонтичные антенны. Методы увеличения КПД антенн. Антенна шунтового питания. Антенна верхнего питания.

Антифединговые

антенны-мачты.

Питание

антенн,

согласования с фидером. Приемные антенны длинных и средних волн.

10

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

способы

5.Вопросы миниатюризации антенн Сверхминиатюрные интегрируемые антенны ( СИА). Антенные решётки на микрополосковых линиях. Применение искусственных ( синтезированных) раскрывов. 6. Вопросы электромагнитной совместимости Влияние бокового излучения антенны на качество работы системы. Усреднение ДН. Развязка антенн по поляризации электромагнитного поля. Требования к уровню бокового излучения антенн, работающих в различных диапазонах и в различных системах радиосвязи.

Курсовой проект Целью

курсового

проектирования

является

развитие

навыков

самостоятельного проектирования антенно-фидерных устройств. Курсовой проект состоит из пояснительной записки и графического материала. Пояснительная записка должна содержать: 1. Титульный лист. 2. Задание. 3. Теоретическую положения

часть, и

содержащую

методику

расчёта

основные данного

теоретические

антенно-фидерного

устройства. 4. Расчётную часть. 5. Перечень литературы. При расчёте устройства необходимо ссылаться на формулы, приведённые в предыдущем разделе в общем виде, с последующей подстановкой численных величин и окончательным результатом вычислений. Если один или несколько расчётных параметров определяются по графикам из технической литературы,

11

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

то данный график необходимо перенести в текст пояснительной записки, сославшись на источник. В перечень литературы включаются все издания, которые использовались в процессе проектирования и на которые есть ссылки в тексте

пояснительной

записки.

направленности ( главного рекомендуется

проводить

Расчёт

лепестка на

и

нормированных

не

ЭВМ

менее или

двух–трёх

на

диаграмм боковых)

программируемом

микрокалькуляторе, а разработанную программу оформить как приложение в пояснительной записке. Графический материал должен содержать сборочный чертёж антенны со всеми её элементами, устройство сопряжения антенны с фидерным трактом и спецификацию. Задание предусматривает проектирование четырёх вариантов антенн: 1. Параболическая антенна спутниковой связи. 2. Ромбическая антенна для линии магистральной радиосвязи. 3. Рупорно-параболическая антенна для радиорелейной линии связи. 4. Волноводно-щелевая антенная решётка с частотным сканированием. Каждый студент рассчитывает и конструирует одну из этих антенн. Номер варианта определяется из таблицы 1. Таблица 1 Последняя цифра номера зачетной

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

4

3

2

1

3

1

2

4

1

3

книжки Номер варианта

По желанию студента ему может быть выдано индивидуальное задание на курсовое проектирование. Темой задания может являться

любая другая

антенна, применяемая в системе радиосвязи, телевидения, радиолокации и т.д. Задание должно быть предварительно утверждено преподавателем, ведущим курсовое проектирование.

12

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Вариант 1 Спроектировать

параболическую

антенну

для

приёма

линейно-

поляризованного сигнала на частоте f 0 . В табл. 2 указаны исходные данные для

расчёта:

частота

сигнала,

коэффициент

усиления

антенны ( K y ),

допустимый уровень первых боковых лепестков ( ξ1 ). Таблица 2 Последняя цифра номера зачетной книжки Параметр

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

f 0 , ГГц

10

4

5

12

6

11

10

6

8

2,5

K y , дБ

45

35

32

48

35

40

42

37

39

30

ξ1 , дБ

-21

-19

-18

-23

-19 -20,2

-21

-19

-21

-18

Методические указания Диапазонные свойства антенны в основном зависят от облучателя. Конструкции облучателей описаны в учебниках [1, 2, 4].

Вибраторные

облучатели, питаемые с помощью коаксиальных линий, применяют обычно в дециметровом и в длинноволновой части сантиметрового диапазона. На сантиметровых и более коротких волнах используют волноводные и рупорные облучатели. Студенту предлагается самому выбрать тип облучателя согласно варианту в табл. 2. При определении

диаметра раскрыва зеркала в первом приближении

можно положить, что коэффициент полезного действия антенны равен η = (0.85 ÷ 0.9 ) , а коэффициент использования поверхности КИП = 0.65 – 0.7. В дальнейшем при проведении расчётов эти значения следует уточнить. Распределение амплитуды поля в раскрыве зеркала определяется графическим способом с помощью диаграммы направленности облучателя по методике, изложенной в учебнике [1,

разд. 9. 2. 2].

Аппроксимацию полученного

распределения рекомендуется проводить степенным рядом

13

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2

4

 ρ   ρ   ρ  f   = 1 + a2   + a 4   + K  R0   R0   R0 

(1.1)

Коэффициенты a 2 и a 4 находятся при решении уравнений: 2 4 ∆1 = 1 + a 2 + a4 ; ∆ 2 = 1 + a 2 (0.5) + a4 (0.5) . Здесь ∆1 и ∆ 2 – значения функции

амплитудного распределения при ρ / R0 =1 (на краю зеркала) и при ρ / R0 = 0.5. После определения коэффициентов a 2 и a 4 диаграмма направленности антенны рассчитывается с помощью соотношения: a a  f ()Θ = (1 + a2 + a4 ) ⋅ Λ1 ()u −  2 + a4  ⋅ Λ 2 ()u + 4 ⋅ Λ 3 ()u , 3 2 

где

Λ n (u ) -

лямбда-функция

(1.2)

n -го порядка; u = kR0 sin Θ ; Θ -угол,

определяющий направление в пространстве и отсчитываемый от нормали к поверхности раскрыва зеркала. Для вычисления Λ n (u ) можно использовать соотношение: 2 n ⋅ n! Λ n ()u = n ⋅ J n ()u , u

(1.3)

где J n (u ) - функция Бесселя n -го порядка, n!= 1 ⋅ 2 ⋅ 3Kn . Значения функций Бесселя имеются в виде таблиц в справочниках по высшей математике или в программном обеспечении компьютера. По рассчитанной ДН необходимо определить ширину главного и уровень боковых лепестков. Используя данные в литературе [1, табл. 5.1], следует оценить величину коэффициента использования поверхности раскрыва, а затем уточнить величину коэффициента направленного действия антенны. В заключение следует разработать сборочный чертёж антенны и устройство её сопряжения с фидерным трактом.

14

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Вариант 2 Спроектировать передающую ромбическую антенну для магистральной связи. Расчёт электрических и конструктивных параметров антенны проводится по исходным данным, приведённым в табл. 3. Необходимо рассчитать конструктивные размеры антенны, выбрать материал проводов для сторон ромба и для изготовления согласованной нагрузки, подобрать фидер для питания антенны. Расчёт электрических параметров антенны выполнить на оптимальной и крайних частотах рабочего диапазона. В заключение работы необходимо рассчитать диаграмму направленности двойной ромбической антенны, выбрав разнос между большими диагоналями ромба

в

горизонтальной

D = (0.8 ÷ 1) ⋅ λ0 ,

плоскости

проанализировать

полученный результат. Таблица 3 Последняя цифра номера зачетной книжки Параметр

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

λ0 , м

18

20

18

30

21

25

32

40

19

35

λ / λ0

2:2 1,5:1

2,5:1 0,8:1,5 0,8:2

2:1 0,9:1,5

0,8:1,5

2:1 2:1

∆ , град

15

18

13

20

15

14

12

15

8

20

P , кВт

12

20

25

30

50

30

40

25

20

15

Здесь λ0 - рабочая длина волны, λ / λ0 - диапазон волн, ∆ - угол наклона траектории луча. Методические указания Направленные

свойства

ромбической

антенны

достаточно

полно

анализируются в учебниках [1,2,5], а в [9] приведён пример расчёта. Волновое

сопротивление

ромбической

соотношением: 15

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

антенны

определяется

W = 120 ln

2L , d ⋅S

(2.1)

где L - малая диагональ ромба; d - диаметр провода ( обычно 2 …4 мм); S расстояние между расходящимися по высоте проводами ромба у тупого угла, S = (0.02K 0.03) ⋅ l , l – длина стороны ромба. Сопротивление излучения антенны, Ом : RΣ = 240(ln 2kl − 0,423) , где

k

(2.2)

-волновое число, k = 2 π / λ 0.

Максимальный коэффициент усиления: Ky ≅

16,8   2π   2 ln  2  − 0,423 ⋅ sin ∆   sin ∆  

,

(2.3)

Коэффициент полезного действия:  R  η = ΡΣ / Ρ ≅ 1 − exp − Σ  .  W 

(2.4)

Диаграммы направленности ромбической антенны в горизонтальной плоскости ( плоскости ромба) и в вертикальной плоскости определяются выражениями:  cos(Φ + ϕ ) cos(Φ − ϕ )   kl  f ()ϕ =  + ⋅ sin  ⋅ (1 − sin (Φ + ϕ )) ⋅  2  1 − sin (Φ + ϕ ) 1 − sin (Φ − ϕ ) 

 kl  ⋅ sin  (1 − sin (Φ − ϕ )) 2 

f ()θ =

где

2 cos Φ  kl  ⋅ sin 2  ⋅ (1 − sin Φ cosθ ) ⋅ sin (kH sin θ ) , 1 − sin Φ cosθ 2 

(2.5)

(2.6)

l – длина стороны ромба; 2Φ – тупой угол ромба; H – высота подвеса

антенны. Для двойной ромбической антенны

диаграмма направленности в

горизонтальной плоскости рассчитывается по формуле:

16

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

 kD  f ′()ϕ = f ()ϕ ⋅ cos sin ϕ  .  2 

(2.7)

Вариант3 Сконструировать рупорно – параболическую антенну. Исходные данные для расчёта электрических и конструктивных параметров антенны даны в таблице 4. Таблица 4 Последняя цифра номера зачетной книжки Параметр

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

K y , дБ

30

40

45

37

36

37

35

40

45

45

λ0 , см

8,2

3

2,9

4

5

5,2

8,3

3,75

3

3,75

Методические указания Для определения конструктивных размеров антенны следует задаться величиной

коэффициента

полезного

действия (

η)

и

коэффициента

использования поверхности ( ν ): η =0.85÷ 0.9, ν =0.65÷0.75. Тогда площадь раскрыва S можно определить по формуле: Ky η

=ν ⋅

4πS λ2

.

(3.1)

Апертурой в данной антенне является сегмент кольца с радиусами R1 и R2 ( рис. 3.1). Площадь апертуры зависит от угла раствора рупора α , с увеличением α площадь апертуры возрастает, но при этом увеличивается рассогласование рупора с волноводом. Рекомендуется выбирать α = 30 0 ÷ 50 0 . Для приблизительно одинаковых

размеров раскрыва антенны в

вертикальной и горизонтальной плоскости величины R1 , R2 , L1, L2 и f должны определяться соотношениями: R1 = 0,5 S ⋅

1 − sin (α 2 ) , sin (α 2 )

R2 = R1 + S

17

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

(3.2)

f = 0,5 R1 ⋅ [1 + sin (α 2 )] ; Профиль зеркала

L1=2R1sin(α/2); L2=2R2sin(α/2);

в плоскости ХОZ ( рис. 3.1)

рассчитывается по

уравнению: x 2 = 4 fz . Требования к точности выполнения профиля зеркала, а также допустимые смещения фазового центра рупора вдоль и поперёк оси параболоида такие же, как у параболической антенны [1, разд. 9.2.4]. Диаграмма

направленности

антенны

зависит

как

от

характера

распределения поля по апертуре, так и от формы самой апертуры. При точном учёте этих факторов

формулы для расчёта диаграмм

направленности

приобретают весьма сложный вид [4]. Они существенно упрощаются, если предположить, что апертура представляет собой прямоугольник с размерами a и b , а распределение поля в этом прямоугольнике идентично распределению поля в прямоугольном волноводе на волне Н10, питающем данный рупор.

x

x

L2 R2

L1

α

R1 f

z

y

Рис. 3.1. Рупорно-параболическая антенна

18

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

На рис. 3.1 видно, что a = (L1 + L2 ) 2 ;

b = R2 − R1 . Тогда диаграмма

направленности в случае горизонтальной поляризации поля в вертикальной плоскости имеет вид:  kb  cos ⋅ sin θ   2  , F ()θ = 2 2  π   kb    −  sin θ  2  2 

(3.3)

в горизонтальной плоскости:  ka  sin  ⋅ sin ϕ  2 . F ()ϕ =  ka ⋅ sin ϕ 2

(3.4)

Для каждой рассчитанной диаграммы определить ширину на уровне 0.707 и на нулевом уровне, а также уровень боковых лепестков, дБ. При

конструировании

волноводного

тракта необходимо

выбирать

стандартный волновод и стандартный волноводный фланец. Размеры и электрические параметры стандартных волноводов приведены в приложении 1, а размеры стандартных фланцев ( контактных и дроссельных) в приложении 2. Поскольку рупор в данной антенне не является оптимальным, необходимо посчитать коэффициент отражения от горловины рупора и КБВ в фидере [6]. Если полученное значение КБВ меньше 0.9 – 0.95,

необходимо рассчитать

плавный, обычно экспоненциальный переход от рупора к питающему волноводу. Длина перехода L выбирается в пределах (3…10)· λ , а поперечный размер рупора в плоскости стыка с переходом (2…5)· λ . В таком переходе изменение волнового сопротивления происходит достаточно

плавно

и

интенсивность

сопротивление стандартного волновода Z

обратных ф

волн

мала.

Волновое

и перехода в месте стыковки с

рупором Z(0) рассчитываются по известной формуле:

19

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

120π

Z H10 =

Если обозначить через R=Z ф/Z(0) –

λ  1−    2a 

2

.

(3.5)

перепад волновых сопротивлений, то

волновое сопротивление в любом сечении x (рис 3.2) запишется: Z ( x ) = Z (0)e

ln( R )

x L

(3.6)

Рис 3.2. Экспоненциальный переход Рассчитав по (3.6) для нескольких значений x волновое сопротивление перехода,

по

формуле (3.5)

определяем

профиль

широкой

стенки

экспоненциального перехода. Вариант 4 Спроектировать волноводно-щелевую антенную решетку с частотным сканированием. Исходные данные для расчета электрических и конструктивных параметров приведены в табл. 5. При проектировании определить возможный сектор сканирования ∆θ и углочастотную чувствительность на средней длине волны генератора.

20

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Таблица 5 Последняя цифра номера зачетной книжки Параметр

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

λср , см

3,2

4

5

8

3

7

10

2,5

3,2

4,2

λmax , см

4,0

4,5

5,6

9,3

4,2

7,8

13,5

3,2

3,8

4,5

λmin , см

2,6

3

4

6,12

2,5

5

7,5

2

2,5

3,2

θ ср , град

-4,5

-6

-5

-9,5

5

-10

-6,5

7,8

-5

6

2θ 0.5 , град

6

7

8

7

7

8

8

6

8

7

P , кВт

0,3

0,5

0,1

0,12

0,5

0,2

0,1

0,5

0,4

0,4

Здесь λср - средняя длина волны генератора; λmax и λmin -

границы

перестройки длины волны генератора; θ ср - направление главного максимума диаграммы направленности на λср ; 2θ 0.5 - ширина главного лепестка ДН на λср ; P - мощность, подводимая к антенне. Методические указания Теория излучения и методы частотного сканирования в линейных антенных решетках изложены в учебниках [1, разд. 4.3.3; 8.2 ], [4, глава 6 ]. В источниках [3] и [6, главы 2 и 5 ] приведены методы расчета волноводнощелевых антенных решеток с частотным сканированием. Наиболее антенны

с

часто

используются

продольными

щелями

нерезонансные в

широкой

волноводно-щелевые стенке

волновода

с

переменнофазным возбуждением. Ширина ДН и КПД антенны зависят от распределения излучаемой мощности вдоль решетки. На практике получили распространение законы: экспоненциальный, когда каждая щель излучает одинаковую долю подходящей к ней мощности бегущей волны; равномерный, когда каждая щель излучает одинаковую мощность. Очевидно, равноамплитудное возбуждение щелей 21

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

можно реализовать, постепенно увеличивая расстояние между продольными щелями и средней линией широкой стенки волновода. Относительная мощность, поглощаемая в согласованной нагрузке ς =

PH = 0.05 ÷ 0.1 , т.е. P

КПД=0.9…0.95. При равноамплитудном возбуждении N щелей относительная мощность излучения любой n-ой щели определяется формулой из источника [6]: Pn =

1−ς , N

(4.1)

а коэффициент связи щели с волноводом и ее проводимость определяются выражениями: α1 = P1 ; α 2=

Pn αn P2 ; αn = ; gn ≅ . 1 − P1 1 − (P1 + P 2 + K + Pn −1 ) 1 − αn

(4.2)

Определив проводимости всех N щелей, находим смещение каждой щели относительно середины широкой стенки волновода. Множитель в диаграмме направленности волноводно-щелевой решетки рассчитывают на λср , λmax и λmin по формуле: N  sin  ψ  2  F2 ()θ =  , ψ  N sin   2 где ψ = kd sin θ − ψ 1 ; ψ 1 =

(4.3)

2π 2π ⋅d −π ; k = ; θ - угол, отсчитываемый от Λ λ

нормали к линии расположения щелей. Диаграмма направленности одной полуволновой щели в этой же плоскости определяется формулой: π  cos sin θ  2 . F1 ()θ = cosθ

(4.4)

Тогда ДН антенны в продольной плоскости: F (θ ) = F1 (θ ) ⋅ F2 (θ ) 22

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

(4.5)

В поперечной плоскости ДН антенны определяется излучающими свойствами одной щели, прорезанной в экране конечных размеров. При ширине волновода

a = (0.7 ÷ 0.8)λ

можно воспользоваться

любой из диаграмм,

рассчитанных и изображенных на графике в учебниках [6, с. 140], [4, рис. 6.13]. Уменьшить

длину

согласованной

нагрузки

можно,

применив

экспоненциальный профиль поглощающего клина в плоскости Е ( рис 4.1). Величинами L0 и h0 задаются : L0 = (2 ÷ 3) ⋅ Λ ,высота клина ( h0 ) равна размеру узкой стенки волновода. Тогда, задаваясь значениями L в пределах от 0 до L0, рассчитываем соответствующее значение h по формуле:

h=e

L ⋅ ln (h0 +1) L0

−1

(4.6)

h0

L0 Рис. 4.1. Профиль поглощающего клина в плоскости Е

В качестве твердого объемного поглотителя можно использовать мелкодисперсное

карбонильное

железо

с

твердеющими

наполнителями

(полистирол, эпоксидная смола), либо алюмооксидную керамику, графит с цементом. Стандартный волновод на заданное значение λср подбирается по табл. 1 в приложении 1.

23

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Приложение I Характеристики стандартных прямоугольных волноводов

Тип волновода

Внутренние размеры, мм

Толщина стенок,

Диапазон частот, ГГц

Затухание для медных стенок

Мощность пробоя,

а

В

мм

от

до

Частота, ГГц

ДБ/м

кВт

МЭК-22

109,22

54,6

2,030

1,78

2,61

2,06

0,0097

26200

МЭК-32

72,14

34,04

2,030

2,60

3,95

3,12

0,0189

10860

МЭК-40

58,17

29,08

1,625

3,22

4,90

3,87

0,0249

7450

МЭК-48

47,55

22,15

1,625

3,94

5,99

4,73

0,0355

4620

МЭК-58

40,39

20,19

1,625

4,64

7,05

5,57

0,0437

3580

МЭК-70

34,85

15,799

1,625

5,38

8,17

6,46

0,0576

2360

МЭК-84

28,50

12,60

1,625

6,57

9,99

7,89

0,0794

1565

МЭК-100

22.86

10,16

1,270

8,20

12,5

9,84

0,110

990

МЭК-120

19,05

9,525

1,270

9,84

15,0

11,8

0,133

799

МЭК-140

15,799

7,899

1,015

11,9

18,0

14,2

0,176

560

МЭК-180

12,954

6,447

1,015

14,05

22,0

17,4

0,238

380

МЭК-220

10,668

5,318

1,015

17,6

26,7

21,1

0,370

206

МЭК-260

8,636

4,318

1,015

21,7

33,0

26,1

0,435

166

МЭК-320

7,112

3,556

1,015

26,4

40,0

31,6

0,583

111

МЭК-400

5,690

2,845

1,015

32,9

50,1

39,5

0,815

76

МЭК-500

4,775

2,388

1,015

39,2

59,6

47,1

1,060

50

МЭК-620

3,759

1,880

1,015

49,8

75,8

59,9

1,520

32

МЭК-740

3,099

1,549

1,015

60,5

91,9

72,6

2,030

20

24

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Приложение 2 Размеры элементов фланцев, мм Тип волно-

a вода МЭК-32 72,14 МЭК - 40 58,17 МЭК – 48 47,55 МЭК – 58 40,39 МЭК - 70 34,85 МЭК – 84 28,5 МЭК - 100 22,86 МЭК - 120 19,05 МЭК - 140 15,8 МЭК - 180 12,95 МЭК - 220 10,668 МЭК - 260 8,636 МЭК - 320 7,112 МЭК - 400 5,69 МЭК – 500 4,775 МЭК - 620 3,759 МЭК - 740 3,099 МЭК - 900 2,540

в

h

А

В

34,04 29,08 22, 15 20,19 15,8 12,6 10,16 9,525 7,9 6,48 4,318 4,318 3,556 2,845 2,388 1,880 1,549 1,270

2,03 1,625 1,625 1,625 1,625 1,625 1,270 1,270 1,015 1,015 1,015 1,015 1,015 1,015 1,015 1,015 1,015 1,015

130 96 86 78 54 47 42 39 35 30 29

90 63 62 58 54 47 42 39 35 30 29

19

23

А’

B’

S

C

D

t

Lар

d

41 35 31 29 25 22 21

42 37 32 30 26 23 22

8,0 6,0 6,0 6,0 5,0 5,0 5,0 5,0 4,5 4,5 4,5

12

17

84,3 66,4 55,63 46,13 40,6 32,36 25,78 21,74 18,03 14,78 12,0 9,86 8,15 6,53 5,46 4,32 3,53 2,92

98,6 77,47 64,92 53,85 47,24 37,97 31,11 25,32 21,03 17,25 13,60 11,51 9,45 7,57 6,35 5,00 4,11 3,38

0,91 0,74 0,63 0.53 0,43 0, 38 0,29 0,23 0,19 0,15 0,13 0,1 0.09 0,076 0,063 0,051 0,038 0,025

21,84 17,78 14,48 12,32 10, 29 8,76 6,73 5,82 4,83 3,96 3,28 2,64 2,18 1,75 1,45 1,14 0,94 0,79

4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 3,5 3,5 3,5 3,5

25

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Приложение 3 Λ - функции

26

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Антенно-фидерные устройства Методические указания Составитель Г.Г. Уколова Техн. редактор Н.М. Белохонова Корректор Л.В. Яриш

Подписано в печать . Формат 60x84/16. Усл. Печ. Л. 1,63. Уч-изд. Л. 0,86. Тираж 100 экз. Заказ . Издательство ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10 Типография издательства ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10

27

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com