49094

Диэлектрическая линзовая антенна

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Расчет параметров линзы. Краткие теоретические сведения Линзовая антенна состоит из электромагнитной линзы и облучателя. Назначение линзы трансформировать фронт волны создаваемый облучателем в плоский и сформировать требуемую диаграмму направленности ДН. Принцип работы линзовых антенн основан на разности скоростей фазового фронта электромагнитной волны в свободном пространстве и непосредственно в теле линзы.

Русский

2013-12-20

635 KB

15 чел.

Федеральное агентство по образованию РФ

РГРТУ

Кафедра РУС

Курсовая работа

по дисциплине: «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства»

на тему: «Диэлектрическая линзовая антенна»

Выполнил:

Ст.гр. 718

Глазков А.Д.

Проверил:

Елумеев В.И.

Рязань, 2010

Содержание

[1]
1. Задание

[2]
2. Краткие теоретические сведения

[3]
3. Расчет параметров линзы.

[4]
4. Расчёт облучателя

[5]
5. Расчет диаграммы направленности антенны

[6]
6. Конструкция антенны

[7] 7. Заключение

[8] 8. Список литературы


1. Задание


2. Краткие теоретические сведения

Линзовая антенна состоит из электромагнитной линзы и облучателя. Линза представляет собой радиопрозрачное тело, имеющее коэффициент преломления, отличный от единицы. Назначение линзы трансформировать фронт волны, создаваемый облучателем, в плоский и сформировать требуемую диаграмму направленности (ДН). Принципиально линзовые антенны можно использовать для формирования самых различных диаграмм направленности.

Принцип работы линзовых антенн основан на разности скоростей фазового фронта электромагнитной волны в свободном пространстве и непосредственно в теле линзы. Фазовая скорость распространения волны в линзе Vф может быть больше или меньше скорости света с. В соответствии с этим, линзы подразделяются на ускоряющие и замедляющие.

Линза, в которой выполняется условие Vф > с, называется ускоряющей. Она может быть выполнена в виде набора металлических пластин, отстоящих друг от друга на расстоянии а и параллельных вектору Е создаваемой облучателем электромагнитной волны (рис. 1, а, б).

Если при этом расстояние между металлическими пластинами а выбрать исходя из условия: λ/2<a<λ,  где λ - длина волны излучения, то фазовая скорость распространяющейся между пластинами волны, также как и для волновода, будет определяться выражением:

 откуда видно, что Vф > с. Коэффициент преломления n таких линз лежит обычно в пределах: 0 < n < 0,86. Рассмотренная ускоряющая линза называется металлопластинчатой.

В ускоряющих линзах (рис.1) выравнивание фазового фронта волны происходит за счет того, что участки волновой поверхности часть своего пути проходят в линзе с повышенной фазовой скоростью. Эти участки пути различны для разных лучей. Чем сильнее луч отклонен от оси линзы, тем больший участок пути он проходит с повышенной фазовой скоростью внутри линзы. Таким образом, профиль ускоряющей линзы должен быть вогнутым по отношению к фронту падающей волны. Выходной раскрыв линзы, как правило, делается плоским.

Линза, в которой выполняется условие Vф < с, называется замедляющей. Такие линзы выполняются из различных искусственных диэлектрических материалов. Как известно, фазовая скорость электромагнитной волны в диэлектрике определяется выражением

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; µ - его относительная магнитная проницаемость. Коэффициент преломления n таких линз обычно находится в пределах: 1,1 < n < 2,0. Замедляющая линза (рис. 2) имеет выпуклый профиль по отношению к фронту падающей волны.

Рис. 1.

В этом случае центральный луч, проходя больший путь в линзе по сравнению с крайними лучами, задерживается в линзе. В результате на плоский выходной раскрыв линзы все лучи придут в одной фазе.

В зависимости от требуемой формы диаграммы направленности выходной излучающий раскрыв линзы может быть круглой или прямоугольной формы, а сама линза в этом случае будет либо сферическая (рис. 1, а; 2, а), либо цилиндрическая (рис.1, б; 2, б). Сферическая линзовая антенна с круглым выходным раскрывом используется для формирования очень узкой (игольчатой) ДН с одинаковой шириной луча в главных плоскостях. В качестве облучателей сферических линзовых антенн могут использоваться различные виды однонаправленных излучателей: различные рупоры, открытые концы волноводов, вибраторы с пассивным рефлектором и т.п. Если требуется сформировать веерообразную ДН с разной шириной луча в главных плоскостях, то используют цилиндрическую линзовую антенну, имеющую прямоугольный выходной раскрыв. В этом случае облучатель может быть выполнен в виде линейной системы элементарных синфазных излучателей (щелей, вибраторов), питаемых прямоугольным волноводом. При этом цилиндрическая линза формирует ДН только в одной плоскости, в другой плоскости ДН формирует линейный облучатель. Облучатель обычно располагается так, чтобы его фазовый центр совпадал с фокусом сферической линзы или с фокальной осью цилиндрической линзы. Важно, чтобы возможно большая часть энергии излучения попадала на линзу, а не рассеивалась в других направлениях и чтобы у поверхности линзы, обращенной к облучателю, фронт волны был близок к сферическому или цилиндрическому. Выполнение этого условия позволяет рассматривать облучатель линзовой антенны либо как точечный, либо как линейный источник электромагнитных волн.

Рис. 2.

Поскольку линзовые антенны принципиально позволяют формировать диаграммы направленности любой формы, то возможности их применения в технике СВЧ весьма разнообразны. Так, например, линзовые антенны, формирующие узкий игольчатый луч ДН, широко применяются в качестве антенных систем радиолокационных станций (РЛС) обнаружения и сопровождения. Цилиндрические линзовые антенны, позволяющие формировать веерную ДН, могут использоваться в доплеровских измерителях скорости и сноса (ДИСС) бортовых РЛС, а также в системах картографирования местности. Линзовые антенны с облучателями в виде решетки элементарных излучателей способны формировать многолучевые ДН. Такие антенны находят применение в бортовых системах искусственных спутников Земли (ИСЗ) и обеспечивают их связь с наземными станциями, позволяя осуществлять разделение каналов связи. Возможно применение линзовых антенн в комбинации с другими типами апертурных антенн, например, с зеркальными.


3. Расчет параметров линзы.

Рисунки антенны:

Рис.3

Рис. 4 Рис. 5

Геометрические параметры линзы, прежде всего, определяются заданной диаграммой направленности антенны и распределением поля в раскрыве антенны.

Зададим уровень распределения поля в раскрыве:

Для выбранного закона:

Найдем геометрические параметры линзы:

 

Для обеспечения найденных размеров осуществим вырезку из гиперболоида вращения, радиус которого можно рассчитать по теореме Пифагора:

В качестве диэлектрика выберем полистирол:

n=1.6

Зададим фокусное расстояние:

f=2R=0.403 (м)

Найдем толщину линзы:

Из рис.4 геометрическим путем найдем апертурный угол:

 

 


4. Расчёт облучателя

Так как размеры линзы в различных плоскостях разные, то целесообразно будет выбрать в качестве облучателя остроконечный пирамидальный рупор с диаграммой направленности, обеспечивающей заданное распределение поля в раскрыве линзы.

Рис.6

Поле в раскрыве антенны:

Подставив в данные выражения ранее найденные значения φ0 ,найдем геометрические параметры рупора:

Построим реальное распределение поля в раскрыве и сравним с выбранным.

Как видно из графика распределения заметно отличаются, поэтому произведём коррекцию геометрических параметров рупора:

Как видно из графиков после корректировки распределение поля стало ближе к выбранному в начале.

Рассчитаем длину и угол раскрыва рупора, исходя из выражений для оптимального рупора:

Рассчитаем углы раскрыва рупора в различных плоскостях, используя найденную длину рупора. Возьмём большую длину рупора для обеспечения лучшей технологичности изделия и совмещения вершины рупора с фокусом линзы.

 


5. Расчет диаграммы направленности антенны

Диаграмма направленности антенны находится как произведение множителя площадки (раскрыва) на диаграмму направленности элементарного излучателя (элемента Гюйгенса).

Уровень на краю раскрыва Δ=0.1

Из графика следует, что ширина ДН по уровню 0.5 мощности равна 50 , что в точности соответствует заданной.

Ширина ДН в горизонтальной плоскости равна 40 . Это соответствует величине, обозначенной в задании.


6. Конструкция антенны

Антенна представляет собой соединение диэлектрической линзы (1) и рупорного облучателя (2), запитываемого прямоугольным волноводом(3). Также конструктивно сюда входит устройство крепления(4) и оправа линзы(5). Линза представляет собой вырезку из гиперболоида вращения, изготовленную из полистирола. Облучатель – пирамидальный остроконечный рупор, вершина которого лежит в фокусе линзы. Волновод выбирается исходя из передаваемой мощности, диапазона частот, типа волны и т.д. На основании всего этого можно выбрать прямоугольный волновод R140

Его основные параметры:

-размер 17.83×9.33 мм;

-толщина стенок 1.015 мм;

-диапазон частот 11.9-18.0 ГГц (1.6-2.5 cм);

-затухание 14.2 дБ/м;

Именно эти параметры во многом будут определяющими для всей конструкции антенны. Так, например, диапазон частот будет целиком зависеть от волноводного тракта, так как это место является самым узкополосным во всей антенне.

Общая длинна антенны: 47.2 см

Площадь линзы: 766.08 см2

Площадь раскрыва рупора: 21 см2

Мощность в антенне: 2 кВт

Длина волны: 2 см

7. Заключение

Линзовые антенны, несмотря на ряд ценных качеств (возможность получения высокой направленности излучения при малом уровне побочных лепестков), пока находят ограниченное применение, в первую очередь связанное с высокой стоимостью данных антенн. Линзовая антенна, рассчитанная в данной курсовой работе, может быть значительно модернизирована за счет зонирования. Однако, при этом, рабочая полоса частот резко сужается, а на линзе появляются так называемые “вредные” зоны.

Линзовая антенна, рассчитанная в данной работе, обладает достаточно хорошими характеристиками. Однако применение замедляющих линз более оправдано, когда требуется получить игольчатую диаграмму направленности шириной в несколько угловых минут, так как большинство других типов антенн с такой задачей справиться не в состоянии. При этом необходимо учитывать резко возрастающие размеры и массу линзы, а также сложность её изготовления.

При сравнительно широкой диаграмме направленности, как в этой работе, целесообразность применения линзовых антенн будет определяться сравнительным соотношением  характеристик антенны и затрат на её изготовление. Но следует учитывать, что при решении специальных задач, связанных с обеспечением игольчатой диаграммы направленности при малом уровне боковых лепестков, диэлектрическая линзовая антенна становится одной из самых востребованных.

8. Список литературы

1. Устройства СВЧ и антенны. Методические указания к курсовому проектированию. Сост.: В.И. Елумеев, А.Д. Касаткин, В.Я. Рендакова. Рязань, 1998. №2693

2. А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов. Антенно-фидерные устройства. -М.: Советское радио, 1974.


EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

a1

b1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27535. Принципы права: понятие, классификация и значение 28 KB
  Принципы права исходные нормативноруководящие начала императивные требования определяющие общую направленность правового регулирования общественных отношений. Принципы права обусловлены рядом факторов: уровень экономического развития; особенности политической системы; социальноклассовые природы государства. Принципы российского права: 1 принцип справедливости; 2 принцип равноправия равенство перед законом и судом; 3 единство прав и обязанностей; 4 гуманизм основан на уважении человека его достоинства и прав; 5...
27536. Проиллюстрируйте соотношение норм права и статьи закона на примере ст.8.13 КоАП РФ 30 KB
  Соотношение между статьей и нормой во многом зависит оттого что перед нами логическая норма или норма предписание. Если это норма предписание то она полностью содержится в статье. В одной статье может содержаться две или более нормы предписания. Логическая норма может находиться в составе трех ее элементов и одной целой статье но тогда диспозицию или санкцию нужно выводить в статье логическим путем.
27537. Публичная (политическая власть) признак государства 23.5 KB
  Имеется в виду то что: 1 государство является властью которая не сливается с обществом а выделяется из него будучи относительно самостоятельной по отношению к обществу в определенном смысле над ним; 2 государственная власть внешне и официально представляет все общество выступает в качестве особого органа управления обществом; 3 эта власть призвана обеспечить поддержание правопорядка нормальной жизнедеятельности людей; 4 публичная власть как разновидность политической власти означает наличие у нее особого аппарата включающего...
27538. Разделение власти как принцип организации деятельности правового государства 27 KB
  Правовое государство можно определить как организацию политической власти в обществе основанную на верховенстве правового закона. Государство возлагает на граждан юридические обязанности запрещая совершать противоправные и обязывая совершать правомерные действия и в случае их неисполнения привлекает их к юридической ответственности. В свою очередь государство приобретая ряд монопольных прав на правотворчество на применение государственного принуждения на сбор налогов на эмиссию денежных знаков и др. Государство должно не просто...
27539. Рассмотрите отличия государственной власти от власти общественной 28 KB
  Рассмотрите отличия государственной власти от власти общественной. Таким образом можно выделить две основные особенности общественной власти характерные для первобытнообщинного строя: 1. Главными органами власти являлись: род собрание старейшина при необходимости военачальник. Эта власть по существу сливалась с населением так как не существовало разграничения между субъектом и объектом власти общество одновременно было и объектом и субъектом власти.
27540. Рассмотрите соотношение права и религиозных норм 29.5 KB
  Рассмотрите соотношение права и религиозных норм. Сходство норм права и религиозных норм имеет практически те же черты что и сходство норм права и норм морали и выражается в нормативности совокупность определенных норм являющихся образцом масштабом поведения людей универсальности эти нормы распространяются на общественные отношения общности права и религии в нормативноценностных критериях правомерного и неправомерного. В настоящее время принято выделять семьи религиозного права где в качестве основных источников права выступают...
27541. Система права: понятие и основные элементы 31 KB
  Система права: понятие и основные элементы. Система права – явление объективное хотя оно и находит свое проявление вовне через деятельность законодателя. Структура права предопределена в конечном счете характером общественных отношений на том или ином этапе общественного развития. Таким образом система права – это внутреннее строение права деление его на отрасли подотрасли и правовые институты в соответствии с предметом и методом правового регулирования.
27542. Соотношение инкорпорации, кодификации и консолидации 29.5 KB
  Систематизация нормативно-правовых актов – это их упорядочение приведение в единую более или менее сложную систему. Особенности систематизационной деятельности: сопоставляются и анализируются изданные в разное время действующие акты; 2 выявляются имеющиеся противоречия в содержании правовых норм пробелы в праве множественность актов посвященных одним и тем же вопросам обнаруживаются устаревшие нормы действие которых перекрыто актами изданными позднее; 3 подготавливаются проекты новых актов предложения об изменении и дополнении...
27543. Соотношение нормативного и ненормативного в правовом регулировании общественных отношений 37 KB
  Соотношение нормативного и ненормативного в правовом регулировании общественных отношений. Втретьих в качестве предпосылки нормативности может выступать ценность для общества тех или иных вариантов поведения следовательно и образуемых общественных отношений. Но при этом следует учитывать что для эффективного нормативнорегулятивного выражения тех или иных социальных отношений недостаточно простого познания уяснения характерных и сущностных данных отношений. Далее механизм экономического регулирования как справедливо отмечает автор...