Диэлектрические стержневые антенны
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
1. Введение
Антенны применяются как для излучения, так и для приема электромагнитных волн.
Предающая антенна - это элемент предающей радиостанции, который преобразует энергию токов высокой частоты в энергию электромагнитных волн и излучает их в заданных направлениях.
Приемная антенна выполняет обратную функцию: она преобразует энергию электромагнитных волн в энергию токов высокой частоты, обеспечивая при этом выделение волн, приходящих с заданных направлений.
В настоящее время существует большое многообразие различных антенн, в данной курсовой работе требуется спроектировать линейную решетку стержневых диэлектрических антенн, которая собрана из стержневых диэлектрических антенн.
Основными элементами стержневых диэлектрических антенн являются диэлектрический стержень 1(рис.1), металлическая обойма 2 и фидерная линия 3. Применяются стержни прямоугольного и круглого сечения. наряду со стержнями применяются диэлектрические трубки.
Поперечное сечение стержней, как правило, сужается от обоймы к свободному концу, а трубок - чаще остается постоянным по всей длине. Коническая форма стержня обусловлена тем, что в этом случае антенна хорошо согласуется со свободным пространством.
Из-за конструктивных и технологических преимуществ больше распространены трубки и стержни круглого сечения. Внутренняя полость металлической обоймы возбуждается при помощи коаксиального фидера или волновода и сама является, по сути, отрезком волновода, в свою очередь обойма возбуждает диэлектрический стержень, который является по сути своей диэлектрическим волноводом.
Стержневые диэлектрические антенны применяются на границе сантиметрового и дециметрового диапазонов в полосе частот от 2 до 10 ГГц.
Из теории диэлектрических волноводов известно, что в них могут распространяться как симметричные так и не симметричные волны. Симметричные волны, как правило, не используются в стержневых диэлектрических антеннах, т.к. в следствии осевой симметрии они не излучают вдоль оси стержня. Наиболее благоприятным для излучения энергии является тип волны , конфигурация электрического поля для этого типа волны изображена на рис.2:
С помощью одного стержня удается сформировать диаграмму направленности (ДН) шириной не меньше 20-25 градусов. В случае если данная ширина ДН не удовлетворяет предъявленным требованиям, то используют решетку из диэлектрических излучателей, в которой стержневые диэлектрические антенны являются отдельными излучателями.
Преимуществом диэлектрических антенн является малые поперечные размеры и простота конструкции. Диэлектрические антенны являются антеннами бегущей волны, поэтому сужение ДН таких антенн происходит за счет увеличения продольных, а не поперечных размеров. Это особенность позволяет размещать не выступающие диэлектрические антенны на гладкой поверхности фюзеляжей летательных аппаратов, что положительно сказывается на аэродинамических качествах.
Недостаток в том, что в диэлектрике существуют потери, которые ограничивают излучение больших мощностей.
2. Расчет одиночного излучателя
.1Выбор волновода:
Рабочая частота .
Волна с такой частотой может распространяться в круглом волноводе типа С-120 с параметрами:
Критическая частота, ГГц, для волн типов:Внутренние размеры, мм:Внешние размеры, мм:Диаметр D, мм:Допуск
, ммДиаметр D, мм:Допуск
, мм1013.116.720.938.320.2440.0222.7840.065
.2 Выбор диэлектрика
Типичным недостатком диэлектрической антенны являются потери в диэлектрике, что является причиной уменьшения КПД и появления амплитудных искажений. Поэтому нужно использовать диэлектрик с малым тангенсом угла потерь на рабочей частоте, .
Таким требованием удовлетворяет Фторопласт-4 ().
.3 Выбор диаметра диэлектрического стержня
В диэлектрических антеннах, как правило, нет опасности возбуждения симметричных волн, поэтому есть возможность выбирать диаметр диэлектрического стержня таким, чтобы предупредить распространение несимметричных волн только высшего типа (), чтобы это реализовать нужно потребовать выполнения условия:
, следовательно можно взять максимальный диаметр стержня равным 2 см, чтобы стержень можно было вставить в волновод.
.4 Выбор минимального диаметра стержня
.5 Фазовую скорость находим по кривым, изображенным на рис.3:
рис.3
.6 Расчет оптимальной длины стержня
Для того, чтобы главный лепесток ДН решетки диэлектрических антенн, при сканировании, не падал ниже уровня 0,707 от исходного, нужно потребовать выполнения условия: ,-коэффициент замедления ,
.7 Нахождение КПД и коэффициента усиления диэлектрической стержневой антенны:
По кривым, изображенным на рис.4:
рис.4
находим фактор затухания R, , . Коэффициент затухания обусловленный потерями в диэлектрике:
, КПД ,
,
%.
КНД, , тогда коэффициент усиления антенны находим: .
.8 Расчет и построение диаграммы направленности стержневой диэлектрической антенны
Диаграмма направленности стержневой диэлектрической антенны может быть представлена как произведение: , где - сомножитель , учитывающий неравномерность распределения поля в поперечном сечении диэлектрического стержня; - множите