Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
6
PAGE 10
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОСССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра радиоуправления и связи
курсовая работа
по дисциплине «Антенны и устройства СВЧ»
на тему:
«Ускоряющая линзовая антенна»
Выполнил: студент. гр. 512
Петров Г.В.
Руководитель:
Елумеев В.И.
Рязань 2008.
СОДЕРЖАНИЕ:
Задание……………………………………………………..…………….2
Введение.
Линзовые антенны относятся к антеннам оптического типа и используются в диапазоне метровых и дециметровых волн для создания узких диаграмм направленности. Линзовая антенна представляет собой прозрачное для радиоволн ограниченное обычно двумя поверхностями тело, коэффициент преломления которого отличен от коэффициента преломления окружающей среды. Присутствие двух преломляющих поверхностей позволяет осуществлять широкоугольное качание ДН и требуемое распределение амплитуды и фазы по раскрыву поля.
Для ускоряющей линзы фазовая скорость в линзе больше фазовой скорости в среде, в которой находится линза(V>Vсреды, n<ncреды). Геометрическое представление антенны представлено на рисунке 1.
Рис.1 Геометрическое представление ускоряющей линзовой антенны.
Длина оптического пути 2-ого луча складывается из отрезка ρ, проходимого в воздухе, и отрезка x, проходимого в линзе. Т.е. эта длина равна:
Где n – показатель преломления.
Приравнивая оптическую длину 1-ого и 2-ого лучей имеем
После преобразований получаем уравнение профиля линзы:
Уравнение (1.3) – есть уравнение эллипса, записанное в прямоугольной системе координат. В полярной системе координат это уравнение имеет вид:
Линзовые антенны, несмотря на ряд ценных качеств(возможность получения высокой направленности излучения при малом уровне побочных лепестков), пока ещё находят ограниченное применение. В настоящее время они применяются, главным образом, в радиорелейных линиях связи. Основным препятствием к широкому внедрению линзовых антенн является их высокая стоимость, связанная с высокой точностью изготовления, и относительная сложность конструкции.
1. Расчёт параметров антенны.
Закон распределения поля в раскрыве антенны выбираем из условия , чтобы обеспечить приемлемый уровень боковых лепестков ДН на уровне -20дБ. Для этого воспользуемся таблицей 1 из [1].
|
Амплитудное Распределение |
Множитель системы
|
нулевой уровень |
уровень половины мощности |
дБ Уровень 1-ого бок. леп. |
ν, К.И.П. |
|
|
143º |
58º |
-20 |
0.94 |
Размеры раскрыва антенны:
=
=
Рис.2 Амплитудное распределение в раскрыве антенны вдоль
горизонтальной оси
Рис.3 Амплитудное распределение в раскрыве антенны вдоль
вертикальной оси
Примем потери в антенне равными нулю – К.П.Д. = 1
=
Найдём диаметр линзы:
Рис.4 Нахождение диаметра линзы по известным размерам раскрыва антенны
=м
Выбор фокусного расстояния и коэффициента преломления:
– фокусное расстояние линзы
Для ускоряющих линз коэффициент преломления выбирают в пределах 0.5…0.7.
Зададимся n = 0.6
Расстояние между металлическими пластинами =см
Толщина линзы: =м
Углы раскрыва:
распределение поля вдоль
вертикальной оси
Где из (1.5)
Зная, что решаем уравнение и находим угол раскрыва
=град
Рис.5 Распределение поля вдоль вертикальной оси линзы
Аналогично находим угол раскрыва в горизонтальной плоскости:
распределение поля вдоль
горизонтальной оси
=град
Рис.6 Распределение поля вдоль горизонтальной оси линзы
2. Расчёт облучателя линзы.
Так как разрабатываемая в данной работе линза является вырезкой из эллипсоида вращения, то её размеры в различных плоскостях разные; тогда в качестве облучателя лучше всего применить пирамидальный рупор с диаграммой направленности, обеспечивающей допустимое «переливание» энергии через края линзы, а также заданное распределение поля в раскрыве линзы. При расчёте облучателя необходимо учитывать допустимую величину фазовых искажений
Рис.7 Пирамидальный рупор
Структура поля пирамидального рупора в плоскостях Е и Н подобна структуре поля в этих же плоскостях Е- и Н-плоскостных секториальных рупорах соответственно:
– в Е плоскости
– в Н плоскости
– множитель линзы
Найдём размер рупора в Е плоскости исходя из обеспечения требуемого уровня поля на краю линзы. Для этого в ДН рупора подставим угол раскрыва и приравняем к 0.32.
Решив уравнение, получим см
Сравним реальное распределение поля в раскрыве с выбранным:
Рис.8 Распределение поля в раскрыве – выбранное(пунктиром),
реализуемое(чёрной линией).
Скорректируем bр для того чтобы сделать реальную и выбранную зависимости максимально похожими:
см
Рис.9 Распределение поля в раскрыве после bр рупора –
выбранное(пунктиром), реализуемое(чёрной линией
).
После корректировки реальное распределение поля практически совпадает с выбранным за исключением краёв линзы.
Найдём размер рупора в H плоскости исходя из обеспечения требуемого уровня поля на краю линзы. Для этого в ДН рупора подставим угол раскрыва и приравняем к 0.32
Тогда см
Сравним реальное распределение поля в раскрыве с выбранным:
Рис.10 Распределение поля в раскрыве – выбранное(пунктиром),
реализуемое(чёрной линией)
Скорректируем ар для того чтобы сделать реальную и выбранную зависимости максимально похожими:
см
Рис.11 Распределение поля в раскрыве после уменьшения ширины рупора –
выбранное(пунктиром), реализуемое(чёрной линией)
После корректировки реальное распределение поля практически совпадает с выбранным за исключением того, что на краю линзы уровень поля немного снизился.
Максимальные фазовые искажения в плоскости Е:
см
Фазовые искажения в плоскости H:
см
Из двух рассчитанных длин рупора выберем большую в качестве действительной длины нашего рупора. Из (2.6) видно, что чем больше длина рупора, тем меньше фазовые искажения, тем самым мы обеспечим заданные величины искажений в плоскости Н и уменьшим искажения в плоскости Е.
Т.е. см
Углы раскрыва:
град
град
3. Расчёт диаграммы направленности:
Диаграмма направленности антенны находится как произведение множителя площадки (раскрыва) на диаграмму направленности элементарного излучателя .
элемента Гюйгенса – ,
множитель –
Величину возьмём равной примерно 0.3, так как эта величина получается после корректировки размеров bр.
ДН в вертикальной плоскости:
Рис.12 Нормированная ДН в вертикальной плоскости.
Ширина ДН по уровню половины мощности равна 6 градусов, что соответствует техническому заданию.
ДН в горизонтальной плоскости:
Рис. 13 Нормированная ДН в горизонтальной плоскости.
Ширина ДН равна 8 градусам, что соответствует техническому заданию.
5.Конструкция антенны.
Ускоряющая линзовая антенна представляет собой соединение металлической линзы и рупорного облучателя, который запитывается прямоугольным волноводом. В конструкцию также входит устройство крепления, подстройки фокуса, оправа линзы. Линза представляет собой вырезку из эллипсоида вращения. Облучатель – пирамидальный остроконечный рупор, вершина которого лежит в фокусе линзы. Выберем волновод с учётом предельно допустимой мощности, используемой частоты, типа волны и конструктивных особенностей облучателя. Исходя из этого, выбираем прямоугольный волновод R140.
|
Название |
R140 |
|
Диапазон частот |
11.9 … 18 ГГц |
|
Ширина а Высота b |
15.799 мм 7.899 мм |
|
Толщина стенок |
2.033 мм |
|
Затухание |
0.176 дБ/м |
|
Длина волны |
3 см. |
Предельно допустимая мощность:
Вт
Оценим полосу пропускания:
Уровень боковых лепестков – -20дБ
Мощность в антенне – 2 кВт
Площадь раскрыва линзы – 279.85 см2
Площадь раскрыва рупора – 23.14 см2 .
6. Заключение.
Рассчитанная в курсовой работе антенна может быть значительно модернизирована за счёт использования схем механического (ограничен размером и массой антенны) и электромеханического качания луча. Метод электромеханического сканирования особенно эффективен при использовании линз специальной формы (сферические, цилиндрические, модифицированные линзы Люнеберга, а также металлические линзы с широким сектором качания луча). Массу и толщину рассчитанной линзы можно было значительно сократить, используя зонирование. Но при этом рабочая полоса частот антенны резко сужается, а на линзе появляются так называемые вредные зоны.
Линзовая антенна, рассчитанная в данной работе, обладает достаточно хорошими характеристиками. При сравнительно широкой диаграмме направленности, как в этой работе, целесообразность применения линзовых антенн будет определяться сравнительным соотношением характеристик антенны и затрат на её изготовление.
При выполнении работы мною были использованы программы:
1. Mathcad 14
2. SPlan 6
3. Math Type 5
4. Microsoft Office Word 2003
7.Список используемой литературы.
1. Устройства СВЧ и антенны. Методические указания к курсовому проектированию. Сост.: В.И. Елумеев, А.Д. Касаткин, В.Я. Рендакова. Рязань, 2005. №2693
2. А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов. Антенно-фидерные устройства. -М.: Советское радио, 1974.
3. Д.М. Сазонов. Антенны и устройства СВЧ. Учебник для радиотехнических специальных вузов. - М.: Высшая школа, 1988г.
4. Уткин Г.М., Благовещенский М.В., Жуховицкая В.П. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учебное пособие для вузов М.: Советское радио, 1979
5. М.С.Жук , Ю.Б.Молочков. Проектирование антенно-фидерных фидерных устройств. М : Энергия , 1973