49114

Диэлектрическая линзовая антенна

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Краткие теоретические сведения Расчет параметров линзы Расчёт облучателя Расчет диаграммы направленности антенны Конструкция антенны Заключение Список используемой литературы Задание 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...

Русский

2013-12-21

590 KB

54 чел.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра РУС

КУРСОВАЯ РАБОТА

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

на тему: «Диэлектрическая линзовая антенна»

Выполнил:

ст. гр. № 718

Мацнев И.О.

Проверил:

доц. Елумеев В.И.

Рязань, 2010


Содержание

[1]
Содержание

[2]
Задание

[3]
Краткие теоретические сведения

[4]
Расчет параметров линзы

[5]
Расчёт облучателя

[6]
Расчет диаграммы направленности антенны

[7]
Конструкция антенны

[8]
Заключение

[9]
Список используемой литературы

  1.  
    Задание

  1.  
    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  может быть больше или меньше скорости света с. В соответствии с этим, линзы подразделяются на ускоряющие и замедляющие.

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

Если при этом расстояние между металлическими пластинами  выбрать исходя из условия: ,  где  - длина волны излучения, то фазовая скорость распространяющейся между пластинами волны, также как и для волновода, будет определяться выражением: , откуда видно, что . Коэффициент преломления n таких линз лежит обычно в пределах: . 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 , называется замедляющей. Такие линзы выполняются из различных искусственных диэлектрических материалов. Как известно, фазовая скорость электромагнитной волны в диэлектрике определяется выражением , где  - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика;  - его относительная магнитная проницаемость. Коэффициент преломления  таких линз обычно находится в пределах: . 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; рис. 2 а), либо цилиндрическая (рис. 1 б; рис. 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.

  1.  
    Расчет параметров линзы

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:

В качестве диэлектрика выберем полистирол:

Зададим фокусное расстояние:

Найдем толщину линзы:

Из рис. 4 геометрическим путем найдем апертурный угол:

Уточним законы распределения поля вдоль поверхности линзы и построим их с обозначением уровня поля на краю раскрыва:

Построим закон распределения поля в зависимости от угла:

  1.  
    Расчёт облучателя

Так как размеры линзы в различных плоскостях одинаковы, 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.

  1.  
    Расчет диаграммы направленности антенны

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

Уровень на краю раскрыва:

ДН элементарной площадки (элемент Гюйгенса):

Множитель ДН:

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости:

Из графика следует, что ширина ДН в вертикальной плоскости и горизонтальной плоскости по уровню 0.5 мощности равна 6.92, так как по заданию ширина ДН в вертикальной плоскости и горизонтальной плоскости одинаковы.

  1.  
    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;
  •  допустимая мощность 16 кВт.

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: 23 см

Площадь линзы: 279.83 см2

Площадь раскрыва рупора: 12.08 см2

Мощность в антенне: 2 кВт

Длина волны: 2 см



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.


Список используемой литературы

  1.  Устройства СВЧ и антенны. Методические указания к курсовому проектированию. Сост.: В.И. Елумеев, А.Д. Касаткин, В.Я. Рендакова. Р., 1998. № 2693
  2.  А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов. Антенно-фидерные устройства. М.: Советское радио, 1974.
  3.  М.С. Жук, Ю.Б. Молочков. Проектирование антенно-фидерных фидерных устройств. М.: Энергия, 1973


b1

a1

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78411. СБОРКА И УСТАНОВКА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН 107.66 KB
  Устанавливают на валу якоря внутренние обоймы роликоподшипников в подшипниковых щитах монтируют наружные обоймы подшипников вместе с роликами ставят и закрепляют на остове подшипниковый щит 27 см. Надев на вал якоря подшипниковый щит 13 и укрепив на валу подъемную скобу вставляют якорь вместе со щитом в остов см. Измеряют радиальное биение коллектора осевой разбег якоря в подшипниках проверяют длинными щупами зазоры между сердечниками якоря и полюсов. О правильности монтажа подшипниковых щитов в остове судят по отсутствию зазора между...
78412. Ремонт электроаппаратов 192.15 KB
  Подгар и оплавление контактов вызываются плохим прилеганием чрезмерным их износом и недостаточным нажатием неисправностью подвижной системы дугогасительных катушек и скоплением грязи на контактных поверхностях. Необходимым условием нормальной работы аппаратов является обеспечение надежных контактных соединений отсутствие пыли влаги и масла на деталях и содержание рабочих контактов в чистоте. Осматривают и проверяют состояние подвижных и неподвижных контактов гибких соединений дугогасительных камер и изоляции.
78413. ИСПЫТАНИЯ ТЕПЛОВОЗА ПОСЛЕ РЕМОНТА 43.28 KB
  Полные испытания выполняются при ТР3 и ТР2 а контрольные при ТР1 и в случае замены наиболее ответственных узлов дизеля или электрической передачи при внеплановом ремонте. Контрольные испытания проводят при необходимости проверки тепловых параметров дизеля настройки внешней характеристики генератора регулировки реле перехода. Перед пуском дизеля при открытых индикаторных кранах проворачивают вручную на несколько оборотов коленчатый вал проверяют соответствие рабочим положениям вентилей и кранов систем дизеля производят осмотр дизеля и...
78414. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН 40.49 KB
  Электрические машины по назначению подразделяют на следующие виды. Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую; они приводят во вращение различные машины механизмы и устройства применяемые в промышленности сельском хозяйстве связи на транспорте в военном деле и быту. Электрические машины небольшой мощности до 600 Вт называют микромашинами.
78416. Строение генератора, схема соединения обмоток 254.13 KB
  Продольный и поперечный разрезы тягового асинхронного генератора ГС501А Генератор ГС является синхронной электрической машиной защищенного исполнения с явно выраженными полюсами на роторе с независимым возбуждением с принудительной вентиляцией. Вращения генератора по часовой стрелке если смотреть со стороны контактных колец. К корпусу статора параллельно его оси с двух сторон приварены опорные лапы для установки генератора на поддизельные раму.
78417. Конструкция и принцип действия ТЭД 988.75 KB
  Две ступени возбуждения и гиперболическая зависимость напряжения от тока на зажимах тягового генератора обеспечивают изменение частоты вращения тягового электродвигателя в широком диапазоне. Работа тягового электродвигателя в диапазоне от максимально допустимого к длительному тока возможна кратковременно и есть пусковой зоной для локомотива. Остов выполняет роль магнитопровода как для главных так и дополнительных полюсов а также горловину для установки подшипниковых щитов моторноосевую часть и носики для крепления электродвигателя на...
78418. Строение вспомогательных электрических машин 324.26 KB
  Стартергенератор ПСГУ2 2ТЭ четырехполюсных электрическая машина постоянного тока которая предназначена для работы в двух режимах: стартерные как электродвигатель последовательно возбуждения с питанием от аккумуляторной батареи при пуске дизеля и в генераторном как вспомогательный генератор с независимым возбуждением осуществляет питание электрических цепей управления и электродвигателей постоянного тока собственных нужд освещение и заряда аккумуляторной батареи тепловоза при напряжении 110 3 В. Этим достигается увеличение маховой...
78419. Способы управления электроприводами. Схемы ручного управления электроприводами. Контакторные, контроллерные и командно-контроллерные схемы управления 927.72 KB
  Контроллерные системы управления применяют преимущественно в ЭП мощностью до 20 кВт (в отдельных случаях и большей мощности). Управление ЭП при данной системе осуществляется силовым кулачковым контроллером серии КВ, контакты которого включены в силовую цепь ЭД