Расчет рупорно-линзовой антенны
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Кафедра «Антенны и устройства СВЧ»
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Методы и устройства формирования информационных электромагнитных полей»
Тема:_________________________
______________________________
Исполнитель: судент гр.____________
Руководитель: д.т.н., профессор__________О.А.Юрцев
Минск. 2006 г.
БГУИР
______________________________
"Утверждаю"
зав.кафедрой А и УСВЧ
профессор А.А.Кураев
" " сентября 2006 г
ЗАДАНИЕ
на курсовое проектирование
1. Тема проекта: Расчет рупорно-линзовой антенны.
2. Срок сдачи готового проекта руководителю: 25 декабря 2006 г.
3. Исходные данные для проектирования:
средняя частота рабочего диапазона f= 10 ГГц;
относительный диапазон частот =60 %;
коэффициент направленного действия 30 дБ.
4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработки вопросов)
Введение.
1. Основные свойства, принцип работы спиральной антенны.
2. Методика численного анализа.
3. Предварительный расчет геометрических параметров.
4. Программа для расчета электрических параметров.
5. Результаты численного моделирования антенны.
Заключение.
Список использованных источников научно-технической информации.
Содержание пояснительной записки.
5. Перечень графического материала.
5.1. Распечатка программы.
5.1 Конструктивный чертеж антенны и ее элементов - 1 лист формата А2.
6. Консультанты по проекту (с указанием разделов проекта)
______________________________
______________________________
______________________________
7. Дата выдачи темы проекта
8. Календарный график работы над проектом.
Изучение литературы по теме проекта.......................
Обоснование и выбор типа антенны для расчета,
описание основных свойств и принципа работы.................
Методика конструктивного и электрического расчета
антенны.......................
Разработка программы для расчета электрических
параметров....................
Численное моделирование антенны.......................
Написание текста пояснительной записки.....................
Подготовка графического материала.....................
Защита курсового проекта.......................
Руководитель курсового проекта __________О.А.Юрцев
Задание принял для исполнения
_____________
(Подпись студента)
Содержание
Введение …………………………………………………………………………4
1. Обоснование и выбор типа антенны для расчета, основные свойства, принцип работы…………………………………………………..………
2. Методика конструктивного и электрического расчета антенны ……….9
3. Предварительный расчет геометрических параметров…………………12
4. Программа для расчета электрических параметров…………………….14
5. Результаты численного моделирования антенны ………………………15
Заключение ………………………………………………………………………19
Список используемой литературы ……………………………………………..20
Введение
В настоящее время бурно развиваются системы связи, которые работают с различными форматами передачи информации. Но во всех них используются радиотехнические системы, включающие в себя антенные системы и тракты СВЧ.
Антенна, устройство для излучения и приёма радиоволн. Передающая антенна преобразует энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, сосредоточенную в выходных колебательных цепях радиопередатчика, в энергию излучаемых радиоволн. Преобразование основано на том, что переменный электрический ток является источником электромагнитных волн. Это свойство переменного электрического тока впервые установлено Г. Герцем в 80-х гг. 19 в. на основе работ Дж. Максвелла. Приёмная антенна выполняет обратную функцию — преобразование энергии распространяющихся радиоволн в энергию, сосредоточенную во входных колебательных цепях приёмника. Формы, размеры и конструкции антенны. разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения антенны. Применяются антенна в виде отрезка провода, комбинаций из таких отрезков, отражающих металлических зеркал различной конфигурации, полостей с металлическими стенками, в которых вырезаны щели, спиралей из металлических проводов и др.
К современным антеннам предъявляется масса различных требований, среди которых выделяют два основных. Первое требование – направленность действия антенны, т.е. распределение электромагнитной энергии в пространстве по определённому закону. Вторе требование – излучение или приём радиоволн должны сопровождаться минимальными потерями мощности на нагрев проводников и диэлектриков, образующих конструкцию антенны. Так же антенны, применяемые в системах радиорелейной связи, должны диаграмму направленности игольчатого типа, малый уровень боковых лепестков, большой коэффициент усиления, высокий коэффициент защитного действия, хорошее согласование с фидерным трактом и т.д. В качестве таких антенн можно применять рупорно-линзовые антенны.
1.Обоснование и выбор типа антенны для расчета, основные свойства, принцип работы.
В данном курсовом проекте необходимо при помощи рупорно-линзовой антенны сформировать диаграмму направленности с одинаковой шириной главного лепестка в двух ортогональных плоскостях, при этом получив заданый КНД антенны.
Рупорно-линзовая антенна представляет собой сочетание металлического рупора и специальной линзы, действие которой аналогично действию оптической линзы. Принципиально возможно использование в качестве антенны только одного рупора без линзы (рис.1). В этом случае сочетание рупора и питающего его волновода обеспечивается хорошее согласование, которое сохраняется в широкой полосе частот. Но, с другой стороны, в раскрыве рупора поле оказывается не синфазным, что является существенным недостатком рупорных антенн (это приводит к уменьшению эффективной площади раскрыва). Допускается изменение фазы в отдельных точках до , однако при этом используется 80% площади раскрыва и для получения КНД = 30 дБ длина рупора должна быть 10 ÷ 20 м в сантиметровом диапазоне.
Рис.1 Виды рупоров:
а – пирамидальный; б,в – секториальные; г – конический.
Рис.2 Варианты линз:
а – замедляющая; б - ускоряющая
Выравнить фазу сигнала на выходе рупорной антенны можно с помощью линз (рис.2, где D – диаметр линзы; d – толщина; f – фокусное расстояние). Частный случай линзовой антенны – рупорно-линзовая. Линзовая антенна, антенна, диаграмма направленности которой формируется за счёт разности фазовых скоростей распространения электромагнитной волны в воздухе и в материале линзы. Антенна применяется в радиолокационных и измерительных устройствах, работающих в диапазоне сантиметровых волн. Форма линзы зависит от коэффициента преломления n (отношения фазовых скоростей распространения радиоволн в вакууме и линзе). При n > 1 линзовая антенна (как и линза в оптике) называется замедляющей, а при n < 1 - ускоряющей (последняя не имеет аналогов в оптике). Линза трансформирует сферический или цилиндрический фронт волны в рупоре в плоский. Таким образом на выходе линзы получается плоская поверхность, возбуждённая синфазным электромагнитным полем.
В данной курсовой работе будем использовать рупор с замедляющей линзой (Рис.3). Она выпуклая и в ней фазовая скорость электромагнитной волны меньше, чем в воздухе (в полости рупора). На рисунке показаны также: сферический фронт волны в рупоре; точка Р – вершина рупора (она же является и фокусом линзы); два луча, идущие из точки Р: луч PMN, проходящий через центр раскрыва рупора, и луч PM1N1, проходящий к раскрыву не по оси рупора. Линза в раскрыве рупора имеет плоскую поверхность. Поэтому преломляющей поверхностью является внутренняя поверхность линзы. Луч PM1N1 преломляется при переходе из воздуха, которым заполнен рупор, в материал линзы.
Рис.3 Рупор с замедляющей линзой
На выходе линзы все лучи параллельны оси рупора, фронтом волны (поверхностью равных фаз) является плоскость, параллельная раскрыву рупора. Все точки этого раскрыва имеют одинаковые фазы (фазовое распределение на раскрыве равномерное). Как видно, геометрическая длина луча PM1N1 больше, чем луча PMN. Поэтому волну, идущую по короткому лучу PMN, надо замедлить на большем участке пути, чем волну, идущую по лучу PM1N1. Поэтому замедляющая линза должна иметь максимальную толщину d в центре, т.е. должна быть выпуклой. Замедляющая линза обычно выполняется из высокочастотного диэлектрика. Фазовая скорость электромагнитной волны в материале линзы меньше скорости света в вакууме (воздухе) и определяется выражением , где –скорость света в вакууме, –относительная диэлектрическая проницаемость материала линзы. Отношение называется показателем преломления (как было сказано выше).
Величина показателя преломления n для замедляющей линзы выбирается в пределах 1,1…1,5. При больших значениях n коэффициент отражения от поверхности линзы получается слишком большим, что ведет к росту отражения электромагнитной волны от поверхности линзы, уменьшению коэффициента усиления линзовой антенны и росту боковых лепестков.
Замедляющая линза изготавливаются из высококачественных однородных диэлектрических материалов с малыми потерями (полистирол, фторопласт и др.).
Таким образом линзу применяют для увеличения КНД рупорных антенн путем ликвидации квадратичной фазовой ошибки на раскрыве. При этом фазовое распределение поля на раскрыве рупора становится равномерным и КИПф=1.
2.Методика конструктивного и электрического расчета
антенны
Для расчета параметров рупорно-линзовой антенны воспользуемся выражениями для оптимального рупора. Так как если размеры рупора оптимальны, ДН приближенно можно рассчитывать, полагая фазовую ошибку равной нулю. А линзу применяем для ликвидации квадратичной фазовой ошибки на раскрыве рупора. Следовательно, ДН рупорно-линзовой антенны приближенно можно рассчитать по следующим формулам:
- в плоскости Е
где
- в плоскости
(2.3)
где
- длина волны определяется выражением:
Определим стороны раскрыва рупора и (рис.4) из выражений:
1) нахождения КНД через площадь раскрыва рупора
(2.6)
где - площадь раскрыва;
- коэффициент использования поверхности. (2.8)
Проанализировав КИП и используя КНД (заданное условием) и определенную из выражения (2.5) длину волны , найдем площадь раскрыва рупора S из выражения (2.6).
Рис.4 Пирамидальный рупор.
2) нахождения ширины главного лепестка диаграммы направленности в плоскостях Е и Н
- для плоскости E (2.9)
-для плоскости H (2.10)
Зная, что ширина главного лепестка диаграммы направленности в плоскости Е равна ширине в плоскости Н, приравняем выражения (2.9) и (2.10). Тогда получим соотношение между и , подставив его в выражение (2.7), найдем искомые стороны.
Выбор размеров поперечного сечения прямоугольного волновода A и B (рис.4) производится из условия распространения в волноводе только основного типа волны H10:. Размер B должен удовлетворять условию
Далее найдем КНД по полученной выше ДН:
Так как КНД будем искать в плоскостях Е и Н, то используем формулы не зависящие от , т.е.
- для плоскости E (2.11)
- для плоскости H (2.12)
Затем получим КНД антенны равный
Далее найденный КНД сравниваем с заданным.
На конечном этапе расчета необходимо проследить за изменением параметров антенны, при изменении средней частоты рабочего диапазона в соответствии с заданным относительным диапазоном частот . Для этого геометрические размеры антенны фиксируются, а затем изменяется частотаи делаются соответствующие выводы..
Также в курсовой работе нужно рассчитать линзу для рупора:
1) Требуется выбрать материал для изготовления линзы с определенной относительной диэлектрической проницаемостью в соответствии с нужными условиями.
2) Найти:
А) фазовую скорость электромагнитной волны в материале
где –скорость света в вакууме, –относительная диэлектрическая проницаемость материала линзы;
Б) показатель преломления
В) толщину замедляющей линзы (рис.5)
где –диаметр линзы.
Рис.5 Замедляющая линза.
Диаметр линзы D на 10 больше диагонали t прямоугольного раскрыва рупора. Она находится по формуле:
Угол зависит от фокусного расстояния линзы, а оно в свою очередь равно глубине рупора R. Параметр R задается из условия .
Полученная линза (предварительно сделав её по форме раскрыва) вставляется в раскрыв рупора.
3.Предварительный расчет геометрических параметров.
Исходные данные:
- средняя частота рабочего диапазона ;
- относительный диапазон частот
- ширина главного лепестка диаграммы направленности в плоскости Е и Н
равна
-коэффициент направленного действия КНД=30 дБ
Для предварительного расчета геометрических параметров антенны найдем длину волны :
Найдем площадь раскрыва рупора используя выражение (2.6):
КНД=30дБ=1000; КИП=0.81, так как фазовое распределение поля на раскрыве рупора-линзовой антенны становится равномерным и КИПф=1,а КИПа – так называемый коэффициент использования поверхности раскрыва, обусловленный неравномерностью амплитудного распределения, меньше единицы и для косинусоидального амплитудного распределения КИПа=0,81.
Определим соотношение между и , приравняем выражения (2.9) и (2.10), и найдем данные величины, используя площадь раскрыва рупора:
Так как , то следует, что
,
.
Размеры (в миллиметрах) поперечного сечения прямоугольного волновода A и B выберим из неравенств:
и .
Но так как желательно использовать размеры типовых волноводов, то
А=23(мм), В=10(мм).
Ширина главного лепестка диаграммы направленности в плоскостях Е и Н равна:
- для плоскости
-для плоскости H
Рассчитаем замедляющую линзу:
1) материал для изготовления линзы будем использовать фторопласт с относительной диэлектрической проницаемостью .
2) фазовая скорость электромагнитной волны в материале
;
3) показатель преломления
;
4) толщина замедляющей линзы
Определим диаметр линзы, но сначала найдем диагональ прямоугольного раскрыва рупора:
(м)
Увеличим на 10 диагональ t и получим, что диаметр D=0.475(м).
Так как глубина рупора R=0.65(м) (задали произвольно), то следует из расчетной формулы .
Следовательно, толщина замедляющей линзы равна:
(м)
Граничные частоты рабочего диапазона:
;
4.Программа для расчета электрических параметров.
Расчет КНД рупорно-линзовой антенны и ДН в плоскостях Е и Н будет реализован при помощи программы C++Builder. Интерфейс программы имеет вид:
Данная программа строит ДН в плоскостях Е и Н рупорно-линзовой антенны в зависимости от размеров раскрыва рупора и заданной частоты. Параметры вводятся в белые ячейки. Так же она считает КНД антенны по полученной ДН. Расчёт производится при нажатии кнопки ВЫЧИСЛИТЬ.
5.Результаты численного моделирования антенны
В ходе работы получили размеры рупора и линзы, удовлетворяющие заданным условиям. Теперь, оставляя их постоянными ( и ), проверим как изменится КНД и ДН антенны с изменением частоты.
1) На средней частоте
- ДН антенны в плоскости
- ДН антенны в плоскости
КНД=30.074 дБ
2) На частоте
- ДН антенны в плоскости
- ДН антенны в плоскости
КНД=26.749 дБ
3) На частоте
- ДН антенны в плоскости
- ДН антенны в плоскости
КНД=33.299 дБ
Заключение
В ходе курсового проекта был произведен расчет рупорно-линзовой антенны. В качестве облучателя был выбран и оптимизирован рупорный облучатель. На конечном этапе расчета были рассчитаны ДН и КНД антенны на средней частоте рабочего диапазона, а также на граничных частотах.
Можно сделать вывод, что увеличение частоты от до приводит к увеличению КНД, которое обусловлено уменьшением ширины главного лепестка и снижением уровня боковых лепестков ДН антенны.
С целью улучшения параметров антенны, в качестве обычных рупорных облучателей, можно использовать рупорные облучатели с гофрированной поверхностью.
Список использованной литературы
1. О.А.Юрцев, Методическое пособие по курсу «Антенны и устройства СВЧ» для студентов специальности «Радиотехника» в 3-х частях “ часть 2. Минск, БГУИР 2001г.
2. О.А.Юрцев, Методическое пособие по курсу «Антенны и устройства СВЧ» для студентов специальности «Радиотехника» в 3-х частях “ часть 1. Минск, БГУИР 2001г.
3. А.Г.Кислов, В.И.Невзоров, Н.Ф.Соколов, Конспект лекций по курсу «Антенно-фидерных устройств», Ленинград,1972г.
4. Д.М.Сазонов, «Антенны и устройства СВЧ»,М.: «Высшая школа»,1988г.
#include <vcl.h>
#pragma hdrstop
#include "Unit1.h"
//----------------------------
#pragma package(smart_init)
#pragma resource "*.dfm"
#include <math.h>
#include <stdio.h>
TForm1 *Form1;
//----------------------------
__fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner)
: TForm(Owner)
{
}
//----------------------------
void __fastcall TForm1::FormCreate(TObject *Sender)
{
TLineSeries *Series1;
TLineSeries *Series2;
Edit1->SetTextBuf("0.345");
Edit2->SetTextBuf("0.259");
Edit3->SetTextBuf("10000");
}
//----------------------------
float a = 1, b = 1, f = 0, A = 0, De,Dh;
void DrawE( TLineSeries *Series1 )
{
Series1->Clear();
float F = 0, D = 0;
for( float Q = -3.14/2; Q<=3.14/2; Q+=0.0174 )
{
D = 3.14*(b/A)*sin(Q);
if(D != 0)
F = (1 + cos( Q ))/2*sin( D )/D;
if(F<0)
F*=-1;
Series1->AddXY( Q*180/3.14, F, "", clRed);
}
}
void DrawH( TLineSeries *Series2 )
{
float F = 0, D = 0;
Series2->Clear();
for( float Q = -3.14/2; Q<=3.14/2; Q+=0.0174 )
{
D = 3.14*(a/A)*sin(Q);
F = (1 + cos( Q ))/2*cos( D )/(1-pow((2*D)/3.14,2));
if(F<0)
F*=-1;
Series2->AddXY( Q*180/3.14, F, "", clRed);
}
}
void CountDe( TLabel *Label5 )
{
float S = 0, D1,D2,F1,F2,Fx1, Fx2 = 0;
for( float Q = 0; Q < 3.146/2; Q+=0.0656)
{
D1 = b/A*3.146*sin(Q);
if( D1!=0 )
F1 = (1 + cos( Q ))/2*sin( D1 )/D1;
D2 = b/A*3.146*sin(Q+0.0656);
if( D2!=0 )
F2 = (1 + cos( Q+0.0656 ))/2*sin( D2 )/D2;
Fx1 = F1*F1*sin(Q);
Fx2 = F2*F2*sin(Q+0.0656);
S+= ((Fx2-Fx1)/2 + Fx1)* 0.0656;
}
De = 2/S;
char d[30];
sprintf( d, "%0.3f", De );
Label5->SetTextBuf(d);
}
void CountDh( TLabel *Label7 )
{
float S = 0, D1,D2,F1,F2,Fx1, Fx2 = 0;
for( float Q = 0; Q < 3.146/2; Q+=0.0656 )
{
D1 = a/A*3.146*sin(Q);
if( D1!=0 )
F1 = (1 + cos( Q ))/2*cos( D1 )/(1-pow((2*D1)/3.14,2));
D2 = a/A*3.146*sin(Q+0.0656);
if( D2!=0 )
F2 = (1 + cos( Q+0.0656 ))/2*cos( D2 )/(1-pow((2*D2)/3.14,2));
Fx1 = F1*F1*sin(Q);
Fx2 = F2*F2*sin(Q+0.0656);
S+= ((Fx2-Fx1)/2 + Fx1)* 0.0656;
}
Dh = 2/S;
char d[30];
sprintf( d, "%0.3f", Dh );
Label7->SetTextBuf(d);
}
void CountD( TLabel *Label9, TLabel *Label11 )
{
float D, Ddb;
if( De*Dh>=0 )
D = pow( De*Dh, 0.5 );
Ddb = 10*log10( D );
char d[30];
sprintf( d, "%0.3f", D );
Label9->SetTextBuf(d);
sprintf( d, "%0.3f", Ddb );
Label11->SetTextBuf(d);
}
void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject *Sender)
{
char buff[256];
Edit1->GetTextBuf( buff, 256 );
a = atof( buff );
if( a <= 0 )
{
ShowMessage("Íåïðàâèëüíîå çíà÷åíèå a! ");
return;
}
Edit2->GetTextBuf( buff, 256 );
b = atof( buff );
if( b <= 0 )
{
ShowMessage(" Íåïðàâèëüíîå çíà÷åíèå b! ");
return;
}
Edit3->GetTextBuf( buff, 256 );
f = atof( buff );
if( f <= 0 )
{
ShowMessage(" Íåïðàâèëüíîå çíà÷åíèå ÷àñòîòû! ");
return;
}
A = 3*pow(10,8)/(f*pow( 10, 6 ) );
DrawE(Series1);
DrawH(Series2);
CountDe( Label5 );
CountDh( Label7 );
CountD( Label9,Label11 );
}
//----------------------------
