либо антенны улучшающего ее характеристики например для выравнивания фазы в раскрыве рупорной антенны

Работа добавлена на сайт samzan.net:

1.  Введение

Линзовые антенны относятся к антеннам оптического типа и используются, как правило, в диапазоне сантиметровых и дециметровых волн для создания достаточно узких диаграмм направленности (ДН). В некоторых случаях линзовая антенна может использоваться в качестве вспомогательного элемента какой-либо антенны, улучшающего ее характеристики (например, для выравнивания фазы в раскрыве рупорной антенны).

Линзовая антенна представляет собой прозрачное для радиоволн ограниченное обычно двумя поверхностями тело, коэффициент преломления которого отличен от коэффициента преломления окружающей среды. На поверхностях линзы происходит преломление волны и как следствие, трансформация формы поверхности фронта волны первичного источника, облучающего линзу. Основное различие между оптическими и радиолинзами заключается в том, что оптические линзы имеют значительно большие относительно длины волны размеры. Вместе с тем в радиолиниях оказалось возможным использовать более сложную форму преломляющих поверхностен, осуществить конструкции, которые невозможно реализовать в оптическом диапазоне, создать среды с переменным коэффициентом преломления, применять более короткофокусные линзы.

По сравнению с однозеркальными антеннами, относящимися также к антеннам оптического типа, линзовые антенны имеют ряд преимуществ. Наличие двух преломляющих поверхностей (двух степенен свободы) позволяет не только осуществить трансформацию формы фронта волны, но и получить дополнительные качества, такие как широкоугольное качание ДН пли требуемое распределение амплитуды и фазы поля по раскрыву. В радиолинзах имеется еще одна степень свободы — закон изменения коэффициента преломления по объему. Поэтому радиолинза с двумя преломляющими поверхностями и переменным коэффициентом преломления эквивалентна трех-зеркальной антенне. К преимуществам радиолинз относится отсутствие затенения раскрыва облучателем и более низкие требования к точности изготовления.

К недостаткам линзовых антенн следует отнести большие объем и массу линзы, потери в материале линзы и на отражение от ее поверхностей, более высокую стоимость по сравнению с зеркальными антеннами. Указанные недостатки, несмотря на возможность устранения некоторых из них, ограничивают применение радиолинз.

Классификацию радиолинз производят по целому ряду признаков. Так, в зависимости от отношения фазовой скорости в линзе v к фазовой скорости уо в среде, в которой расположены линза и облучатель, различают замедляющие линзы (у<уо, п>п0) и ускоряющие линзы (у>уо, м<л0). Обычно Vо = с и По=1. Как замедляющие, так и ускоряющие линзы могут быть с переменным коэффициентом преломления (неоднородные линзы).

Существуют линзы с V = Vа и п = п0, в которых трансформация фронта волны облучателя, распространяющейся между металлическими поверхностями, осуществляется путем плавного изгиба или излома этих поверхностей (металловоздушные или геодезические линзы), что приводит к неодинаковому изменению геометрической длины пути различных лучей.

В зависимости от вида преломляющей среды различают радиолинзы диэлектрические (га>«0), металлопластинчатые (п<п0), линзы из искусственного диэлектрика, которые в свою очередь делят на металлодиэлектрические (п>п0), «дырчатые» (п>па) и металлические дырчатые (п<по), а также металловоздушные (п = «о) * линзы, эквивалентные диэлектрическим с переменным коэффициентом преломления.

В зависимости от формы поверхности линзы подразделяют на осесимметричные, поверхности которых являются поверхностями, полученными при вращении некоторой кривой (профиля) вокруг оси симметрии, и цилиндрические, поверхности которых образуются путем перемещения прямой линии (образующей) вдоль профиля (направляющей) перпендикулярно к плоскости, в которой расположен профиль. В первом случае в качестве облучателя используют точечный источник, а во втором—линейный.

В зависимости от числа поверхностей, на которых происходит преломление, радиолинзы делят па одноповерхностные и двухповерхностные. Очевидно, что в первом случае форма одной из поверхностей линзы должна совпадать с формой поверхности одного из волновых фронтов.

1.  Исходные данные для проектирования

а. Тип и назначение антенны: Диэлектрическая линзовая антенна

б. Диапазон волн (рабочая частота):  λ = 3 мм

в. Полоса пропускания или режим работы передатчика: 15%

г. Мощность в антенне: 25 мВт

д. Поляризация: круговая

1.  Расчет профиля линзы

                                          

   Рис. 1. К расчету профиля линзы

Профиль линзы будет зависеть от коэффициента преломления материала, который мы выберем. В качестве материала я решил выбрать полистирол. Его коэффициент преломления n=1.6. Полистирол является распространенным материалом, он легко обрабатывается на токарном станке. Кроме того. этот материал устойчив к низким температурам.

Чтобы рассчитать диаметр линзы, воспользуемся соотношением для КНД линзовой антенны:

D = 4* π*Kисп.*S/ λ2

Зададимся коэффициентом использования поверхности линзы (Kисп.), равным 0.7. Кроме того, для расчета примем КПД = 1 (линза без потерь). Тогда, исходя из соотношения для коэффициента усиления антенны G= КПД*D, мы можем найти диаметр линзы следующим образом:

Фокусное расстояние обычно выбирается равным диаметру линзы. Коэффициент преломления был выбран ранее. Зная диаметр, фокусное расстояние и коэффициент преломления мы можем рассчитать толщину линзы:

Зная диаметр линзы и толщину линзы, мы можем определить угол раскрыва линзы 2ψ0 (значение приведено в градусах):

Знание угла раскрыва позволит в последствии рассчитать облучатель линзы, так как для получения максимального КНД ширина его ДН на уровне 0.1 по мощности должна быть равна углу раскрыва линзы.

Поверхность преломления в прямоугольной системе координат будет иметь следующий вид:

     

 Рис. 2. Поверхность линзы в прямоугольных координатах

1.  Расчет поляризационной секции

  Рис. 3. Поляризационная секция в виде

квадратного волновода с

продольной диэлектрической пластиной

В качестве поляризационной секции выберем отрезок квадратного волновода с продольно расположенной диэлектрической пластиной. В качестве диэлектрика выберем материал с относительной диэлектрической проницаемостью εr=10

Ширина стенок волновода a = b = 0.716*λ = 2.148 (мм)

Толщина диэлектрической пластинки a2 = 0.2*a = 0.4296 (мм)

Теперь по графикам зависимости α10 α01 от толщины пластины определим эти коэффициенты:

               

          Рис. 4. Влияние толщины диэлектрической пластинки на α10 α01

L90 – длинна поляризационной секции. Используя поляризационную секцию, мы получаем необходимую нам поляризацию (круговую).

1.  Расчет облучателя

В качестве облучателя выберем пирамидальный рупор, т.к. его параметры (ДН и т.п.) позволяют использовать данную антенну в качестве облучателя линзовой антенны. Рассчитаем параметры рупора и его диаграмму направленности.

                                           

Рис. 5. Пирамидальный рупор

Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности:

θ0.5 = 0.88* ψ0

θ0.5 = 20.354

Определим размеры раскрыва рупора:

ap = 80* λ/(2* θ0.5) = 5.896 (мм)

    

bp = 53* λ/(2* θ0.5) = 3.906 (мм)

    Ropt = ap2/(3* λ) = 3.862 (мм)

Воспользовавшись приближенными выражениями для диаграммы направленности в Е и Н плоскостях, получим:

               

                            

                           

          

Рис. 6. Диаграмма направленности облучателя в Е и Н плоскостях

Рассчитаем КПД рупора:

                                  

Мы видим, что почти вся излучаемая рупором энергия попадает на поверхность линзы. Это является подтверждением правильного расчета его параметров.

6. Расчет диаграммы направленности линзовой антенны

Для расчета диаграммы направленности воспользуемся следующим соотношением:

                              

Чтобы использовать это соотношение нам необходимо знать амплитуное распределение по раскрыву линзы. Оно определяется следующими соотношениями:

Рис. 7. Амплитудное распределение поля в раскрыве линзы в Е и Н плоскостях

В выражении для амплитудного распределения перейдем от угловой зависимости к зависимости от r:

                                            

                                                     

Рис. 8. Диаграмма направленности линзовой антенны в Е и Н плоскостях

Зная диаграмму направленности, мы можем рассчитать другие параметры антенны.

Определим КНД и УБЛ по диаграмме направленности:

УБЛ = 6% (определяется графически по ДН)

                           

Теперь мы можем рассчитать результирующий КУ антенны Ga:

  

      Ga = 10log(D) = 30.424 дБ

Мы видим, что полученный коэффициент усиления несколько меньше заданного. Это означает, что необходимо произвести уточнение параметров антенны и произвести повторный расчет.

Уточним Kип:

                                

Проводя вычисления для полученного значения, мы получим D=32дБ (см. приложение), что удовлетворяет техническому заданию.

1.  Анализ антенны в полосе частот.

Как известно из теории, линзовая антенна является достаточно широкополосной. Построим зависимости КНД и ширины диаграммы по уровню 0.5 мощности от частоты.

Рис. 9. Зависимость КНД от частоты

                       

Рис. 10. Зависимость ширины ДН от частоты

Из графиков мы видим, что в заданной полосе частот параметры антенны изменяются незначительно.

1. Мисс Факультета Искусств 2014 1
2. ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Министерства здравоохранения Российской Феде
3. ЗАКРЫТЫЕ АДМИНИСТРАТИВНОТЕРРИТОРИАЛЬНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ
4. Исследование финансового состояния ООО 001
5. Історія ракетобудування України
6. тематика Раздел- Теория вероятностей математическая статистика и случайные процессы Выпуск 8
7. тема могла бы быть введена прочно и успешно и без таких нововведений которые нашему быту были бы чужды
8. Образовательные технологии на основе системы управления обучением Moodle
9. Тема- Альтернативні види автомобілів
10. Лабораторная работа 3 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ Цель работа- оценка эффективности з
11. ДИПЛОМНАЯ РАБОТА ldquo;ВЛИЯНИЕ СТРЕССА НА ФУНКЦИИ СЕРДЕЧНОСОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ВОЕННОСЛУЖАЩИХrdquo;
12. 11- Великая российская революция февраль ~ октябрь 1917 г
13. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата філологічних наук До
14. Истории Московского купеческого общества
15.  Соотношение и взаимосвязь международного публичного права с Международным Частным Правом
16. тема программной документации ГОСТ 19.html
17. СМИ это совокупность таких субъектов массовой коммуникации как периодическое печатное издан
18.  Длина направленного отрезка АВ при заданном масштабе обозначается символом - АВ- или АВ; см
19. Дронт Областной конкурс молодежных экологических проектов ЭКОГОРОД1
20. РОССИЙСКАЯ ПРАВОВАЯ АКАДЕМИЯ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РПА Минюста России

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе