Федеральное агентство по образованию Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ имени В.В. Куйбышева)...
14 downloads
238 Views
217KB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Федеральное агентство по образованию Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ имени В.В. Куйбышева)
АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА
Методические указания к курсовому проектированию для студентов специальности 210405 «Радиосвязь, телевидение и радиовещание»
Владивосток 2007
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Одобрено научно-методическим советом университета УДК 621.396.67
Антенно-фидерные устройства: метод. указания/сост. Г.Г. Уколова. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. – 28 с. Настоящие методические указания предназначены студентам специальности 210405 при изучении дисциплины «Антенно-фидерные устройства». Определены цели и задачи курсового проектирования; указаны требования к содержанию и оформлению пояснительной записки, графическому материалу; приведены основные темы курсовых проектов, список рекомендуемой литературы по каждой теме, а также методические указания по проектированию конкретных антенных устройств. Методические указания составлены в соответствии с учебной программой дисциплины и требованиями учебно-методического совета ИРИЭТ. Печатается с оригинал-макета, подготовленного автором Редактор В.В. Сизова Техн. редактор Н.М. Белохонова
Подписано в печать . Формат 60х84/16 Усл. печ. л. 1,63.Уч-изд. л. 1,21 Тираж 100 экз. Заказ Издательство ДВГТУ, 690950, Владивосток, ул. Пушкинская, 10 Типография издательства ДВГТУ, 690950, Владивосток, ул. Пушкинская, 10
Г.Г. Уколова, 2006 ДВГТУ, изд-во ДВГТУ, 2007
2 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ВВЕДЕНИЕ Дисциплина « Антенно-фидерные устройства» имеет большое значение в повышении уровня подготовки специалиста в области связи, телевидения и радиовещания. Такой специалист должен обладать знаниями в области проектирования и эксплуатации антенно-фидерных устройств, применяемых в очень широком частотном диапазоне от мириаметровых до миллиметровых длин волн. А интенсивное развитие мобильной связи, наблюдающееся в последние годы, требует от специалиста хороших знаний техники сверхвысоких частот, теории электромагнитного поля, особенностей проектирования устройств антенно-фидерного тракта в этом диапазоне. Кроме того, даже в одном частотном диапазоне наблюдается значительное многообразие антенных устройств, отличающихся принципом действия, конструкцией и характеристиками излучения. Ознакомить студентов с методами расчёта и конструирования всех типов антенных устройств связи, радиовещания и телевидения в объёме лекционного курса не представляется возможным. Поэтому в формировании будущего специалиста большое значение придаётся курсовому проектированию, являющемуся самостоятельной работой по решению конкретной инженерной или исследовательской задачи. 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 1.1. Целью курсового проектирования является развитие навыков самостоятельного решения задач по организации систем связи, умения обоснованно выбирать тип антенно-фидерного устройства ( АФУ) по заданным техникоэкономическим данным. 1.2. При выполнении курсового проекта решаются задачи выбора конструкции АФУ ( волноводной, коаксиальной, микрополосковой) и методики расчёта, производится расчёт, выбираются материалы и оформляются пояснительная записка и графический материал. 3 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
2. ТЕМАТИКА КУРСОВОГО ПРОЕКТА Тема для курсового проектирования выбирается из ряда предложенных ниже вариантов (раздел 5) по номеру зачётной книжки. Эти варианты курсовых проектов носят конструкторский характер. Однако с учётом научных интересов студентов несколько курсовых работ могут иметь исследовательский уклон. Такие работы посвящены широкому кругу вопросов, касающихся освоению новых частотных диапазонов в технике связи (например миллиметрового и оптического), разработкам новейших типов антенн (например фазированных антенных решёток на микрополосковых линиях), применению уже известных антенн в новых направлениях ( например сферических линзовых антенн Люнеберга в качестве многолучевых антенн для спутниковой связи) и так далее. Задание на курсовое проектирование выдаётся руководителем индивидуально каждому студенту и содержит следующие данные: название проектируемого устройства, технические параметры, дополнительные требования ( условия эксплуатации, электромагнитная совместимость, вес, стоимость и др.), перечень разрабатываемых теоретических вопросов и графического материала (с точным указанием обязательных чертежей). Форма бланка - задания на курсовой проект имеется на кафедре. Бланк-задание подписывается руководителем курсового проектирования и студентом. 3. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Пояснительная записка должна содержать теоретическую и расчётную части. В теоретической части проводится анализ технического задания, рассматриваются возможные варианты его выполнения, даётся обоснование выбора 4 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
конструкции антенны и питающего фидера с согласующими устройствами и со стандартным входным разъёмом, оцениваются достоинства и недостатки выбранной конструкции. Проводится выбор методики расчёта, описывается порядок расчёта с приведением расчётных формул, при этом ссылки на литературу и нумерация формул по тексту записки обязательны. В расчётной части проводится расчёт по формулам, приведенным в расчётной части, с подстановкой численных величин и окончательным результатом вычислений с обязательным указанием размерности. Если один или несколько расчётных параметров определяются по графику из научно-технической литературы, 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 записки. 4. ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Графическая часть курсового проекта должна содержать сборочный чертёж рассчитанного антенно-фидерного устройства с указанием масштаба и спецификацию. Чертежи отдельных деталей выполняются по индивидуальному указанию преподавателя. 5. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ Задание предусматривает проектирование десяти вариантов антенн. Каждый студент проектирует одну из этих антенн. Номер варианта определяется последней цифрой номера зачётной книжки, а столбец исходных данных в таблицах 1 – 10 – предпоследней цифрой номера зачётной книжки. По желанию студента ему может быть выдано индивидуальное задание на курсовое проектирование. Темой задания может являться любая другая антен-
5 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
на, применяемая в системах радиосвязи, телевидения, радиолокации и др. Задание должно быть предварительно утверждено преподавателем, ведущим курсовое проектирование. Вариант 1 Спроектировать
параболическую
антенну
для
приёма
линейно-
поляризованного сигнала на частоте f 0 . В табл. 1 указаны исходные данные для расчёта: частота сигнала, коэффициент усиления антенны ( K y ), допустимый уровень первых боковых лепестков ( ξ1 ). Таблица 1 Предпоследняя цифра номера зачетной книжки 3 4 5 6 7 8 5 12 6 11 10 6
Параметр f 0 , ГГц
1 10
2 4
K y , дБ
45
35
32
48
35
40
42
ξ1 , дБ
-21
-19
-18
-23
-19
-20,2
-21
9 8
0 2,5
37
39
30
-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. 1. 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, изложен-
6 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ной в учебнике [1, разд. 9. 2. 2]. Аппроксимацию полученного распределения рекомендуется проводить степенным рядом с f R 0
= 1+ a с 2 R 0
2
+a с 4 R 0
4
+ K
(1.1)
Коэффициенты a2 и a4 находятся при решении уравнений:
∆1 = 1 + a2 + a4 ; ∆2 = 1 + a2 (0.5)2 + a4 (0.5)4 , где ∆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 Λ2 ( u ) + 4 Λ3 ( u ) , 2 3
(1.2)
где Λ n (u ) - лямбда-функция n -го порядка; u = kR0 sinΘ ; Θ -угол, определяющий направление в пространстве и отсчитываемый от нормали к поверхности раскрыва зеркала. Для вычисления Λ n (u ) можно использовать соотношение: Λn ( u ) =
2 n ⋅ 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.
7 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
В заключение следует разработать сборочный чертёж антенны и устройство её сопряжения с фидерным трактом. Вариант 2 Спроектировать передающую ромбическую антенну для магистральной связи. Расчёт электрических и конструктивных параметров антенны проводится по исходным данным, приведённым в табл. 2. 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 плоскости D = (0.8 ÷ 1) ⋅ λ0 , проанализировать полученный результат. Таблица 2 Параметр λ0 , м
λ / λ0 ∆ , град P , кВт
1
2
18
20
2:2 15 12
Предпоследняя цифра номера зачетной книжки 3 4 5 6 7 8 18
1,5:1 2,5:1 17 13 20 25
9
0
30
21
25
32
40
19
35
0,8:1,5 16 30
0,8:2 15 50
2:1 14 30
0,9:1,5 12 40
0,8:1,5 15 25
2:1 8 20
2:1 12 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 источнике [9] приведён пример расчёта.
8 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Волновое сопротивление ромбической антенны определяется соотношением: 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 :
R У = 240( ln 2kl − 0 ,423 ) , где
k
(2.2)
-волновое число, k = 2 π / λ 0.
Максимальный коэффициент усиления: Ky ≅
16 ,8 2π − 0 ,423 sin 2 ∆ ln sin 2 ∆
,
(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 ⋅ sin ⋅ (1 − sin(Φ + ϕ )) ⋅ 2 1 − sin(Φ + ϕ ) 1 − sin(Φ − ϕ )
f (ϕ` ) =
+
kl
⋅ sin
2
f ()θ = где
(1 − sin(Φ − ϕ ))
(2.5)
2 cosΦ kl ⋅ sin 2 ⋅ (1 − sinΦ cos θ ) ⋅ sin(kH sinθ ), (2.6) 1 − sinΦ cos θ 2
l – длина стороны ромба; 2Φ – тупой угол ромба; H – высота подвеса
антенны.
9 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Для двойной ромбической антенны диаграмма направленности в горизонтальной плоскости рассчитывается по формуле kD
f ′()ϕ = f ()ϕ cos
2
sin ϕ .
(2.7)
Вариант 3 Сконструировать рупорно–параболическую антенну. Исходные данные для расчёта электрических и конструктивных параметров антенны даны в таблице 3. Таблица 3 Предпоследняя цифра номера зачетной книжки 3 4 5 6 7 8
Параметр K y , дБ
1
2
30
40
45
37
36
37
35
λ0 , см
8,2
3
2,9
4
5
5,2
8,3
9
0
40
45
45
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, L 2 и f должны определяться соотношениями: 10 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
1 − sin(α 2 ) , R = 0 ,5 S 1 sin(α 2 ) f = 0,5 R1 [1 + sin (α 2)] ;
R2 = R1 + S
(3.2)
L1=2R1sin(α/2); L2=2R2sin(α/2).
Профиль зеркала 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 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:
11 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
kb cos sin θ 2 ⋅π F ()θ = , 2 2b 4 1 − sin θ λ
(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 обратных волн мала. Волновое сопротивление стандартного волновода Z ф и перехода в месте стыковки с рупором Z(0) рассчитываются по известной формуле Z H10 =
120π λ 1− 2a
2
.
(3.5)
Если обозначить через R=Z ф/Z(0) – перепад волновых сопротивлений, то волновое сопротивление в любом сечении x (рис. 3.2) запишется:
12 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Z ( x ) = Z (0)e
ln( R )
x L
(3.6)
Рассчитав по (3.6) для нескольких значений x волновое сопротивление перехода, по формуле (3.5) определяем профиль широкой стенки экспоненциального перехода.
Рис. 3.2. Экспоненциальный переход Вариант 4 Спроектировать волноводно-щелевую антенную решетку с частотным сканированием. Исходные данные для расчета электрических и конструктивных параметров приведены в табл. 4. При проектировании определить возможный сектор сканирования ∆θ и углочастотную чувствительность на средней длине волны генератора. Таблица 4 Параметр λср , см
Предпоследняя цифра номера зачетной книжки 3 4 5 6 7 8
1
2
9
0
3,2
4
5
8
3
7
10
2,5
3,2
4,2
4,0
4,5
5,6
9,3
4,2
7,8
13,5
3,2
3,8
4,5
λmax , см λmin , см θ ср , град
2,6
3
4
6,12
2,5
5
7,5
2
2,5
3,2
-4,5
-6
-5
-9,5
5
-10
-6,5
7,8
-5
6
2θ 0.5 , град P , кВт
6 0,3
7 0,5
8 0,1
7 0,12
7 0,5
8 0,2
8 0,1
6 0,5
8 0,4
7 0,4
Здесь λср - средняя длина волны генератора; λmax и λmin - границы перестройки длины волны генератора; θ ср - направление главного максимума диа13 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
граммы 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 волноводно-щелевых антенных решеток с частотным сканированием. Наиболее часто используются нерезонансные волноводно-щелевые антенны с продольными щелями в широкой 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 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. КПД=0.9…0.95. P
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
14 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
(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 ) .
(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). Величину L0 выбираем от (2 ÷ 3) ⋅ Λ до (8 ÷ 10 )⋅ Λ , а высоту клина ( h0 ), равной 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
15 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
(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. Вариант 5 Спроектировать двухзеркальную антенну спутниковой связи для приема линейно-поляризованного сигнала по исходным данным, приведенным в таблице 5. Таблица 5 Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
Параметр 1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
f0, ГГц
10
8
12
6
10
8
12
6
8
6
Ку, дБ
50
49
48
50
48
49
50
48
49
49
Методические указания При проектировании антенны рекомендуется применить двухзеркальную антенну Кассегрена, построенную по классической схеме: большое зеркало – параболической формы, а малое – гиперболической. Для определения конструктивных размеров антенны надо использовать рекомендации и расчетные соотношения, приведенные в разделах 1.1, 1.2 и 1.4 [4]. В этом же источнике из16 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
лагается метод расчета ДН антенны. Согласно этому методу исходная двухзеркальная антенна заменяется « эквивалентной» однозеркальной, с диаметром раскрыва равным диаметру раскрыва большого зеркала двухзеркальной антенны. Фокусное расстояние эквивалентного зеркала определяется выражением: fэ = f
e+1 , (5.1) e −1
где e – эксцентриситет гиперболы, f – фокусное расстояние большого зеркала. Значение e определяет профиль малого зеркала и длину всей антенны и должен находиться в пределах e=1,2÷3, т.к. при e→1 гиперболоид трансформируется в параболу и его нужно облучать плоской волной, при больших значениях e гиперболоид вырождается в плоскость. Распределение поля по амплитуде и фазе в раскрыве эквивалентного зеркала такое же, как и в раскрыве большого зеркала двухзеркальной антенны. Таким образом, расчет двухзеркальной антенны сводится к расчету обычной параболической антенны ( см. методические указания к варианту 1). При определении диаметра раскрыва большого зеркала по заданному Ку можно принять, что коэффициент полезного действия антенны η =(0,85÷9), а коэффициент использования поверхности КИП=0,7÷0,75. В качестве облучателя целесообразно выбрать конический рупор, и лучше всего либо гофрированный, либо с изломом образующей (раздел 9.4 в учебнике [1]). Если в качестве облучателя выбирается пирамидальный рупор, то необходимо обеспечить осесимметричную ДН, т.е. размеры раскрыва рупора должны удовлетворять соотношению ар≅1.5bр. Вариант 6 Рассчитать и определить конструкцию спиральной антенны в режиме осевого излучения. Расчетные данные приведены в таблице 6. К ним относятся рабочий диапазон, средняя длина волны и коэффициент усиления антенны.
17 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Вход антенны – стандартный коаксиальный разъем 75 Ом. Расчет электрических параметров антенны выполнить на средней и крайних частотах рабочего диапазона. Таблица 6 Параметр λ0, см
∆λ ,% λ Ку, дБ nxm
Предпоследняя цифра номера зачетной книжки 3 4 5 6 7 8 10 50 20 10 18 25
1 15
2 30
25
10
15
20
40
18
20
20 2x2
15 3x1
10 2x2
18 1x2
15 3x2
13 2x3
10 2x2
9 35
0 45
15
15
30
14 2x3
15 3x1
12 2x1
В заключении работы необходимо рассчитать диаграмму направленности плоской синфазной решетки на основе рассчитанной спиральной антенны. Размеры решетки nxm даны в таблице 6. Методические указания Излучающие свойства и расчетные формулы довольно подробно рассмотрены в источниках [1-3;7]. Один из примеров конструкции приведен в учебнике [3]. Для успешного проектирования помимо теории спиральных антенн необходимо предварительно разобраться в теории излучения линейных антенных решеток (АР) в режиме осевого излучения [2], а также в теории плоских синфазных антенных решеток (САР). Поскольку входное сопротивление спиральной антенны чисто активно и близко к 140 Ом, необходимо рассчитать согласующее устройство на входе (например,
λ - трансформатор). 4
18 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Вариант 7 Рассчитать и спроектировать синфазную антенную решетку ( САР) на микрополосковых излучателях. Исходные данные для расчета ( рабочая длина волны и размеры решетки ( mxn)) приведены в таблице 7. Волновое сопротивление подводящей МПЛ равно 50 Ом. Таблица 7 Параметр λ0, см mxn
Предпоследняя цифра номера зачетной книжки 1 3 2x2
2 5 2x2
3 4 2x3
4 6 3x2
5 3 4x1
6 10 4x1
7 4 2x2
8 5 3x2
9 7 3x1
0 8 4x1
Необходимо подобрать материал и высоту подложки МПЛ, материал токонесущей полоски, рассмотреть существующие конструкции МПЛ излучателей и обосновать выбор одного из них, рассчитать ДН одиночного излучателя. Рассмотреть варианты разветвления подводящей МПЛ для синфазного возбуждения излучателей. Методические указания Теорию МПЛ и основные расчетные формулы можно изучить по учебному пособию [14]. Общие понятия и обзор конструкций печатных МПЛ антенн дан в учебнике [16] и ( раздел 8.3 в [1]), основные теоретические положения и расчетные формулы приводятся в учебном пособии [4]. Излучение САР также можно изучить по учебнику [1]. Вариант 8 Рассчитать и разработать конструкцию плоской антенны поверхностных волн (АПВ) для исходных данных в таблице 8. Требуется выбрать конструкцию возбудителя и направителя поверхностной волны. Вход антенны – стандартный дроссельный фланец.
19 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Таблица 8 Параметр λ, см
2∆λ ,% λ
КНД, раз 2θ0.5, град
1 3
2 5
15
10
50
Предпоследняя цифра номера зачетной книжки 3 4 5 6 7 8 4 6 7 8 10 2 15
20
40
30
10
20
15
15
20
50
40
60
20
9 12
0 4.5
15
15
30
18
Методические указания Теория излучения АПВ и расчетные формулы приведены в источниках [1; 2; 6]. Длина направителя L определяет КНД и ширину диаграммы направленности антенны: λ ; 2θ 0 ,5 ≅ 61o ⋅ L
L≅
КНД ⋅ λ . 7 ÷8
(8.1)
При выборе коэффициента замедления γ и размеров антенны должно выполняться условие оптимальности: 2L 1 = . λ γ −1
(8.2)
Эффективность возбуждения поверхностной волны Э можно рассчитать по формуле
Э = 1 − е −2kh
(8.3)
где h – высота раскрыва возбудителя, k =k
2π γ 2 −1, k = . (8.4) 0 0 λ
Обычно бывает достаточно Э =(60÷80) %. Ширину направителя а можно определить по формуле КНД ≅ 10
a L . λ λ
20 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
(8.5)
Вариант 9 Рассчитать Н-плоскостную рупорную антенну с корректирующей линзой в раскрыве по исходным данным, приведенным в таблице 9. Вход антенны – стандартный дроссельный фланец, либо коаксиальный разъем 50 Ом. Оценить излучающие свойства антенны на краях частотного диапазона. Таблица 9 Параметр f, ГГц
2∆f ,% f 2ϕ, град
Предпоследняя цифра номера зачетной книжки 3 4 5 6 7 8 9 9 3 4 8 7 9 10
1 12
2 10
0 11,2
10
12
15
15
15
15
10
15
20
15
8
10
9
20
15
10
20
12
10
14
Методические указания Теория рупорных антенн изложена в учебниках [1; 2; 6; 8] и во многих других. Типы корректирующих линз в раскрыве и формулы для расчета даны в литературе [7]. В Н-плоскостном рупоре целесообразно использовать металлопластинчатую (воздушную) корректирующую линзу. Вариант 10 Рассчитать рупорную антенну с осесимметричной ДН и круговой поляризацией поля излучения. Исходные данные для расчета даны в таблице 10. Таблица 10 Параметр λ, см КНД, раз
2∆λ ,% λ
1 4 80
2 3.5 60
10
15
Предпоследняя цифра номера зачетной книжки 3 4 5 6 7 8 6 7 2.5 3 2.8 5 40 30 50 80 55 40 15
10
15
20
21 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
15
10
9 2 30
0 4 70
15
15
Вход антенны – стандартный дроссельный фланец или коаксиальный разъем 50 Ом ( при λ>5 см). Оценить излучающие свойства антенны на краях частотного диапазона. Методические указания Теория и расчетные формулы для рупорных антенн даны в учебниках [1; 2; 6; 8]. Методы получения поля вращающейся поляризации подробно изложены в источнике [7]. Вместо тем, предлагаемых в вариантах 1 ÷10, студент может разрабатывать (по согласованию с преподавателем) одну из ниже перечисленных: 1. Синфазная двумерная антенная решетка из диэлектрических антенн. 2. Антенна-линза Люнеберга. 3. Коротковолновая синфазная антенная решетка из горизонтальных вибраторов. 4. Логопериодическая вибраторная антенна. 5. Антенна типа «волновой канал». 6. Волноводно-щелевая антенная решетка с наклонными щелями в узкой стенке волновода. 7. Офсетная параболическая антенна. 8. Плоская спиральная антенна. 9. Передающая антенна для радиостанции «Студенческая волна». 10. Антенна для радиосвязи под землей (для шахт). Разработка темы ( подбор технической литературы, выбор методики расчета и т.д.) производится студентом самостоятельно.
22 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТНЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ
2,030 2,030 1,625 1,625 1,625
от 1,78 2,60 3,22 3,94 4,64
до 2,61 3,95 4,90 5,99 7,05
Частота, ГГц 2,06 3,12 3,87 4,73 5,57
ДБ/м 0,0097 0,0189 0,0249 0,0355 0,0437
Мощность пробоя, кВт 26200 10860 7450 4620 3580
МЭК-22 МЭК-32 МЭК-40 МЭК-48 МЭК-58
Внутренние размеры, мм а В 109,22 54,6 72,14 34,04 58,17 29,08 47,55 22,15 40,39 20,19
МЭК-70 МЭК-84 МЭК-100 МЭК-120 МЭК-140 МЭК-180 МЭК-220 МЭК-260
34,85 28,50 22.86 19,05 15,799 12,954 10,668 8,636
15,799 12,60 10,16 9,525 7,899 6,447 5,318 4,318
1,625 1,625 1,270 1,270 1,015 1,015 1,015 1,015
5,38 6,57 8,20 9,84 11,9 14,05 17,6 21,7
8,17 9,99 12,5 15,0 18,0 22,0 26,7 33,0
6,46 7,89 9,84 11,8 14,2 17,4 21,1 26,1
0,0576 0,0794 0,110 0,133 0,176 0,238 0,370 0,435
2360 1565 990 799 560 380 206 166
МЭК-320 МЭК-400 МЭК-500 МЭК-620
7,112 5,690 4,775 3,759
3,556 2,845 2,388 1,880
1,015 1,015 1,015 1,015
26,4 32,9 39,2 49,8
40,0 50,1 59,6 75,8
31,6 39,5 47,1 59,9
0,583 0,815 1,060 1,520
111 76 50 32
МЭК-740
3,099
1,549
1,015
60,5
91,9
72,6
2,030
20
Тип волновода
Толщина стенок, мм
Диапазон частот, ГГц
23
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Затухание для медных стенок
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 РАЗМЕРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФЛАНЦЕВ Тип волновода МЭК-32 МЭК МЭК – МЭК – МЭК МЭК – МЭК МЭК МЭК МЭК МЭК МЭК МЭК МЭК МЭК – МЭК МЭК МЭК -
a
в
h
А
В
А’ B’
S
C
D
t
Lар d
72,14 58,17 47,55 40,39 34,85 28,5 22,86 19,05 15,8 12,95 10,66 8,636 7,112 5,69 4,775 3,759 3,099 2,540
34,0 29,0 22, 20,1 15,8 12,6 10,1 9,52 7,9 6,48 4,318 4,31 3,55 2,845 2,38 1,88 1,54 1,27
2,03 1,62 1,62 1,62 1,62 1,62 1,27 1,27 1,01 1,01 1,01 1,01 1,01 1,01 1,01 1,01 1,01 1,01
130 96 86 78 54 47 42 39 35 30 29
90 63 62 58 54 47 42 39 35 30 29
41 35 31 29 25 22 21
8,0 6,0 6,0 6,0 5,0 5,0 5,0 5,0 4,5 4,5 4,5
23
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 0,07 0,06 0,05 0,03 0,02
21,8 17,7 14,4 12,3 10, 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
19
42 37 32 30 26 23 22
Рис.П.1. Дроссельный фланец: 1 – волновод; 2 – фланец; 3 – дроссельная канавка; 4 – радиальный зазор
24
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 3,5 3,5 3,5 3,5
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Λ - ФУНКЦИИ
25
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Кочержевский Г.Н. и др. Антенно-фидерные устройства. – М.: Радио и связь, 1989. – 351с. 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. Воскресенского. – М.: Радио и связь, 1994. – 592 с. 4. Азенберг Г. З. и др. Антенны УКВ. Ч. 1,2. –М.: Связь, 1977. – 288 с. 5. Айзенберг Г. З. и др. Коротковолновые антенны. – М.: Радио и связь, 1985. – 535 с. 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 устройств. – М.: Энергия, 1973. – 340 с. 8. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн / Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В. Г. – М.: Радио и связь, 1996. – 486 с. 9. Фрадин А. З. Антенно-фидерные устройства.- М.; Связь, 1977. – 440 с. 10. Синдеев Ю.Г. Телевизионные антенны. Ростов-н/Д: Феникс, 1977. – 192 с. (Серия - учебники и учебные пособия). 11.Чернышев В. П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи. –
М.:
Связь, 1972. – 228 с. 12.Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. – М.: - Высш. Шк., 1988.432 с. 13. Ямпольский В. Г., Фролов О. П. Оптимизация антенных систем линий связи. – М.: Радио и связь, 1991. – 272 с.
26
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
14. Уколова Г. Г. Передающие линии СВЧ. – Владивосток : ДВГТУ, 1997. – 72 с. 15.Чернышов В. П. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Задачи и упражнения. – М.: Радио и связь, 1982. – 152 с. 16. Конструкции СВЧ устройств и экранов / Под ред.А. М. Чернушенко. – М.: Радио и связь, 1983. – 400 с.
27
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................3 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ.........................3 2. ТЕМАТИКА КУРСОВОГО ПРОЕКТА.....................................................4 3. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА ................................................................4 4. ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ..................................................................5 5. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ..................................5 Вариант 1.....................................................................................................6 Вариант 2.....................................................................................................8 Вариант 3...................................................................................................10 Вариант 4...................................................................................................13 Вариант 5...................................................................................................16 Вариант 6...................................................................................................17 Вариант 7...................................................................................................19 Вариант 8...................................................................................................19 Вариант 9...................................................................................................21 Вариант 10.................................................................................................21 Приложение 1...............................................................................................23 Приложение 2...............................................................................................24 Приложение 3...............................................................................................25 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..........................................................26
28
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com