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
Линзовые антенны относятся к антеннам оптического типа и ис пользуются, как правило, в диапазоне сантиметровых и дециметро вых волн для создания достаточно узких диаграмм направленности (ДН). В некоторых случаях линзовая антенна может использо ваться в качестве вспомогательного элемента какой-либо антенны, улучшающего ее характеристики (например, для выравнивания фазы в раскрыве рупорной антенны).
Линзовая антенна представляет собой прозрачное для радио волн ограниченное обычно двумя поверхностями тело, коэффициент преломления которого отличен от коэффициента преломления окру жающей 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 опти ческие линзы имеют значительно большие относительно длины вол ны размеры. Вместе с тем в радиолиниях оказалось возможным использовать более сложную форму преломляющих поверхностен, осуществить конструкции, которые невозможно реализовать в опти ческом диапазоне, создать среды с переменным коэффициентом пре ломления, 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 сте пенен свободы) позволяет не только осуществить трансформацию формы фронта волны, но и получить дополнительные качества, такие как широкоугольное качание ДН пли требуемое распределение ампли туды и фазы поля по раскрыву. В радиолинзах имеется еще одна степень свободы — закон изменения коэффициента преломления по объему. Поэтому радиолинза с двумя преломляющими поверхностя ми и переменным коэффициентом преломления эквивалентна трех-зеркальной антенне. К преимуществам радиолинз относится отсут ствие 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 по верхностей, более высокую стоимость по сравнению с зеркальными антеннами. Указанные недостатки, несмотря на возможность устра нения 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 уско ряющие линзы (у>уо, м<л0). Обычно Vо = с и По=1. Как замед ляющие, так и ускоряющие линзы могут быть с переменным коэф фициентом преломления (неоднородные линзы).
Существуют линзы с V = Vа и п = п0, в которых трансформация фронта волны облучателя, распространяющейся между металличе скими 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 радио линзы диэлектрические (га>«0), металлопластинчатые (п<п0), линзы из искусственного диэлектрика, которые в свою очередь делят на металлодиэлектрические (п>п0), «дырчатые» (п>па) и металличе ские дырчатые (п<по), а также металловоздушные (п = «о) * линзы, эквивалентные диэлектрическим с переменным коэффициентом пре ломления.
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 пу тем перемещения прямой линии (образующей) вдоль профиля (на правляющей) перпендикулярно к плоскости, в которой расположен профиль. В первом случае в качестве облучателя используют точеч ный 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 поверх ностей линзы должна совпадать с формой поверхности одного из волновых фронтов.
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
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
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).
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.
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.