Синфазная полосковая решетка lte как сделать

Обновлено: 05.07.2024

Расчет параметров синфазной решетки из рупорных антенн: размеры волновода и рупора, габариты решетки, количество излучателей. Анализ графиков: единичного излучателя, множителя системы и решетки. Структурная схема питания рупоров от общего генератора.

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	03.12.2010
Размер файла	209,0 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Министерство общего и профессионального

образования Российской Федерации

1. Теоретическая часть

2. Расчет одиночного рупора

3. Расчет антенной решетки

Рупорные антенны являются простейшими антеннами СВЧ-диапазона. Излучатель типа открытого конца волновода можно рассматривать как рупор, у которого угол раскрыва равен нулю. Для получения более острой диаграммы направленности сечение стандартного волновода можно увеличивать плавно, превращая волновод в рупор. В этом случае структура поля в волноводе в основном сохраниться. В горле рупора, то есть в месте его соединения с волноводом, всё же возникают высшие типы волн. Однако если угол раскрыва рупора не слишком велик, то волны всех типов, кроме основного, быстро затухают в окрестности горловины рупора, а по рупору будет распространяться только колебания основного типа.

Основные типы рупоров образуются в результате расширения прямоугольного или круглого волновода. Если расширение прямоугольного волновода происходит только в одной плоскости, то получается секториальный рупор. В зависимости от того, в какой плоскости происходит расширение, различают Н-плоскостные и Е-плоскостные секториальные рупоры. Если прямоугольный волновод расширяется сразу в двух плоскостях, получается пирамидальный рупор . Расширяющийся круглый волновод образует конический рупор . Кроме указанных типов, применяются ещё комбинированные прямоугольные рупора.

Рупорные антенны могут применяться как самостоятельно, так и в качестве элементов более сложных антенн. Рупорные антенны позволяют формировать диаграммы напряжённости (ДН) шириной от 100-140 градусов до 10-20 градусов. Возможность дальнейшего сужения ДН ограничивается необходимостью резкого увеличения длины рупора. Рупорные антенны являются широкополосными, они обеспечивают примерно полуторное перекрытие по диапазону. Возможность изменения рабочей частоты в ещё больших пределах ограничивается возбуждением и распространением, в питающем волноводе высших типов волн. Коэффициент полезного действия рупора - высокий (приблизительно 100%). Включение в волноводной тракт фазирующей секции или в раскрыв поляризационной решётки обеспечивает создание поля с круговой поляризацией. Для формирования узких ДН могут быть использованы двумерные решётки из небольших рупоров. Для этого надо взять несколько слабонаправленных излучателей, расположить их определенным образом в пространстве, запитать от общего генератора и подобрать должным образом амплитуды и фазы их токов.

1. Теоретическая часть

Расчет рупорных антенн основан на результатах их анализа, то есть первоначально ориентировочно задаются геометрическими размерами антенны, а затем определяют её электрические параметры. Если размеры выбраны неудачно, то расчет повторяется снова.

Поле излучения рупорной антенны, как и всех антенн СВЧ, определяется приближенным методом. Сущность приближения заключается в том, что несмотря на связь между полем внутри и вне рупора, внутреннюю задачу решают независимо от внешней, и полученные из этого решения значения поля в плоскости раскрыва рупора используют для решения внешней задачи.

Амплитудное распределение поля в раскрыве рупора принимается таким же, как и в питающем его волноводе. При возбуждении рупора прямоугольным волноводом с волной Н10 вдоль оси X (проходящей в плоскости Н) распределение амплитуды поля косинусоидальное, а вдоль оси Y (проходящей в плоскости Е) амплитудное распределение равномерное

В связи с тем, что фронт волны в рупоре не остается плоским, а трансформируется в цилиндрический в секториальном рупоре и в сферический в пирамидальном и коническом, то фаза поля по раскрыву меняется по квадратичному закону.

Описанные амплитудное и фазовое распределение поля по раскрыву являются приближенными. Некоторое уточнение дает учет отражения от раскрыва хотя бы только основного типа волны. При этом надо иметь в виду, что коэффициент отражения уменьшается с увеличением раскрыва.

Диаграмма направленности рупорной антенны по известному полю в раскрыве может рассчитываться методом волновой оптики на основе принципа Гюйгенса и формулы Кирхгофа. Применение формулы Кирхгофа к электромагнитному полю не является строгим. Имея выражение для диаграммы направленности, можно найти коэффициент направленного действия антенны, зависимость ширины диаграммы направленности от размеров раскрыва и другие характеристики антенны.

Рупорная антенна состоит из рупора, волновода и возбуждающего устройства .

2. Расчет одиночного рупора

1). Выбор волновода.

Волновод выбираем исходя из заданной рабочей частоты:

в плоскости вектора Н:

в плоскости вектора Е:

Длину волны л находим по формуле:

где - скорость света.

2). Размеры рупора.

а). Ширина сторон раскрыва.

Ширину сторон раскрыва рупора находим из заданного размера раскрыва одиночного рупора:

Так же известно что, пирамидальный рупор оптимален, если искажения в Н-плоскости составляют б₁₌ 135є, а в Е-плоскости - б₂=90є. Получаем соотношение:

а₁ - ширина рупора в плоскости Н;

а₂ - ширина рупора в плоскости Е.

Составляем систему из двух уравнений:

из этих уравнений находим:

h₁ - длина рупора в плоскости H,

h₂ - длина рупора в плоскости Е.

Чтобы фазовые искажения в раскрыве не превысили допустимых, большее значение длины h принимаем за постоянное число и выражаем меньшее значение через большее.

Принимаем значения: и за действительные и в дальнейших расчётах будем использовать их.

в). Угол раскрыва рупора:

Зная ширину сторон раскрыва и длины рупора, считаем угол раскрыва в двух плоскостях по формулам:

; , угол раскрыва в плоскости Н,

; , угол раскрыва в плоскости Е.

3). Коэффициент направленного действия одного излучателя.

где н - коэффициент использования площади.

Для пирамидального рупора .

4). Расчёт ширины диаграмм для одного рупора.

Ширина диаграммы направленности в плоскости Н:

Ширина диаграммы направленности в плоскости Е:

5). Графическое построение диаграммы направленности единичного излучателя.

При расчете диаграммы направленности антенны поле в раскрыве можно принимать синфазным, так как в правильно спроектированном рупоре фазовая ошибка не изменяет существенно диаграмму направленности. Амплитудное распределение как указывалось раньше, принимается совпадающем с полем в поперечном сечении питающего волновода.

Диаграмма направленности рупора может быть приближенно рассчитана из выражения, полученного по формуле Кирхгофа.

В плоскости вектора Н (Рис.1):

В плоскости вектора Е (Рис.2):

По графикам определяем ширину диаграммы направленности по первым нулям:

в плоскости вектора Н:

в плоскости вектора Е:

3. Расчет антенной решетки

Решетка синфазная, то есть токи всех излучателей синфазны (имеют одинаковую фазу).

1). Расчет оптимального расстояния между антеннами в решётке.

При оптимальном расстоянии между излучателями КНД синфазной решетки достигает максимального значения, поэтому это расстояние называется оптимальным.

; , в плоскости вектора Н.

Так как d_1опт меньше, чем размер раскрыва рупора в этой плоскости, то берём значение d_1опт равное a₁:

; , в плоскости вектора Е.

Так как d_2опт меньше, чем размер раскрыва рупора в этой плоскости, то берём значение d_2опт равное a₂:

Принимаем значения: и за действительные и в дальнейших расчётах будем использовать их.

2). Коэффициент направленного действия антенны.

Качество антенны характеризуется коэффициентом усиления антенны, равным произведению коэффициента направленного действия (КНД) на коэффициент полезного действия (КПД) антенны:

Для рупорных антенн можно считать, что мощность потерь значительно меньше мощности излучения, благодаря чему КПД антенны можно принять равным единице: , значит

По техническому заданию: дБ или ;

3). Расчёт количества излучателей в решетке.

Рассчитаем ширину диаграммы направленности на уровне 0.5 по формулам:

в плоскости вектора Н, где - число излучателей в строке.

в плоскости вектора Е, где - число излучателей в столбце.

В техническом задании дано: ширина диаграммы направленности на уровне 0.5 по мощности в горизонтальной плоскости . Составим соотношение и получим:

Также известно, что коэффициент направленного действия антенны рассчитывается по формуле:

Получили систему из двух уравнений с двумя неизвестными и :

Выражаем и , и находим их значения:

,округляем до 12.

Принимаем значения: и за действительные и в дальнейших расчётах будем использовать их.

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в аппаратуре связи, преимущественно на подвижных объектах в качестве низкопрофильного и широкополосного излучателя. Техническим результатом является расширение рабочей полосы частот до перекрытия 1,6:1 при высоте антенны, не превышающей нескольких сотых длины волны. Сущность изобретения: в полосковую антенную решетку, содержащую N3 полосковых излучателей, выполненных в виде пластинчатых элементов с одной кромкой, короткозамкнутой на основание, и запитанных полосковыми проводниками от общего коаксиально-полоскового перехода, введено дополнительное металлическое основание, расположенное между плоскостью пластинчатых элементов и основанием, выполненное в виде N ленточных проводников, частично расположенных в плоскости, параллельной основанию, под полосковыми проводниками и частично под пластинчатыми элементами. Ленточные проводники одним концом короткозамкнуты на основание и другим концом соединены с внешним проводником коаксиальной части коаксиально-полоскового перехода. В результате в полосковых излучателях помимо низшей резонансной моды возбуждаются моды высших типов, что позволяет увеличить рабочую полосу частот. Короткозамыкатели, установленные на боковых кромках пластинчатых элементов или на перемычках, соединяющих боковые кромки, позволяют дополнительно расширить рабочую полосу частот, улучшить согласование и производить настройку по частоте. 6 з.п.ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения

1. Полосковая антенная решетка, содержащая N3 полосковых излучателей, выполненных в виде металлических пластинчатых элементов, расположенных в одной плоскости на высоте H над общим металлическим основанием с воздушным или (и) диэлектрическим заполнением между пластинчатыми элементами и основанием, при этом одна кромка длиной L каждого пластинчатого элемента короткозамкнута на основание короткозамыкателем, расположенным в плоскости, перпендикулярной пластинчатому элементу, а в короткозамыкателе и в пластинчатом элементе в части, примыкающей к короткозамкнутой кромке, выполнены вырезы длиной М d, расположенных между плоскостью пластинчатых элементов и основанием, причем каждый ленточный проводник частично расположен под полосковым проводником в параллельной плоскости на высоте h d, расположенных между плоскостью пластинчатых элементов и основанием, причем каждый ленточный проводник частично расположен под полосковым проводником в параллельной плоскости на высоте h H max ; 0,3 max max ,
где max - максимальная длина волны рабочего диапазона.

На фиг.1 представлен вид со стороны излучающей части полосковой антенной решетки, ее сечение и вид в изометрии центральной части для N=4 по п.п.4, 5, 9 формулы. На фиг.2 представлен вид со стороны излучающей части и сечение для N=3 по п.п.7, 8 формулы.

Полосковая антенная решетка содержит N пластинчатых элементов 1 (фиг.1, 2), каждый из которых имеет короткозамкнутую кромку 2, боковые кромки 3, излучающую кромку 4, а также металлическое основание 5, короткозамыкатель 6, вырез 7 в пластинчатом элементе 1, вырез 8 в короткозамыкателе 6, коаксиально-полосковый переход 9, полосковые проводники 10, зазор 11 между боковыми кромками 3, ленточные проводники 12, участок 13 ленточного проводника 12, расположенный под полосковым проводником 10, соединение 14 ленточного проводника 12 с основанием 5, соединение 15 ленточного проводника 12 с внешним проводником коаксиальной части коаксиально-полоскового перехода 9, соединение 16 ленточного проводника 12 с короткозамыкателем 6, ось симметрии 17 полоскового излучателя, точку 18 подключения внутреннего проводника коаксиальной части коаксиально-полоскового перехода 9, участок 19 ленточного проводника 12, наклонный относительно пластинчатого элемента 1, короткозамыкатель 20, установленный на боковой кромке 3.

Полосковая антенная решетка содержит короткозамыкатель 21 (фиг.2), установленный на перемычке 22, соединяющей между собой боковые кромки 3 соседних пластинчатых элементов 1, а также короткозамыкатель 23 на боковой кромке ленточного проводника 12.

Недостатком подобной полосковой антенной решетки является ее узкополосность, которая дополнительно ухудшается по сравнению с одиночным полосковым излучателем, что не позволяет использовать полосковую антенную решетку, например, при связи с разнесением частот передачи и приема 307 и 343 мГц.

Диапазонные свойства полосковой антенной решетки значительно улучшаются при введении дополнительного металлического основания, выполненного в виде ленточных проводников 12, размещенных на высоте h H/ max max ; 0,3 max max ,
где max - максимальная длина волны, по уровню согласования КСВН2,5 реализуется рабочий диапазон частот с перекрытием 1,6:1.

Антенны это технические устройства, предназначенные для излучения и приёма радиоволн. Антенная решётка представляет собой сложную конструкцию, состоящую из одиночных элементов или их групп. Одиночные антенны, в совокупности составляющие решётку, могут располагаться линейно по вертикали или горизонтали. Антенные решётки с большим числом элементов размещаются на плоскости или на сложных поверхностях. Существуют антенны, состоящие из элементов, размещённых на поверхности полусферы, сферы или других геометрических фигур.

Одиночные элементы, образующие антенную решётку, могут быть любой конструкции. Чаще всего используются следующие системы:

Симметричные вибраторы
Несимметричные вибраторы
Щелевые излучатели
Микрополосковые печатные модули

Устройство одиночных антенн зависит от диапазона рабочих частот и области применения радиотехнического устройства.

Разновидности антенных решёток

Одним из важнейших параметров любой антенны является диаграмма направленности. В многоэлементных антеннах, для управления этим параметром, используется фазовое распределение сигнала. В зависимости от фазового распределения многоэлементные антенны делятся на следующие виды:

Синфазные
Линейные
Адаптивные

Синфазная антенная решётка состоит из отдельных элементов, расположенных таким образом, чтобы фазы сигналов, наведенных в каждом элементе, совпадали. Сигналы, совпадающие по фазе, суммируются на согласованной нагрузке. С увеличением числа отдельных элементов (антенн) в синфазной системе, возрастает коэффициент усиления.

Антенные решётки линейного типа или антенны бегущей волны состоят из нескольких дискретных излучателей. Они расположены на определённых расстояниях друг от друга и ориентированы по оси приёма/передачи сигнала. В таких системах фаза сигнала на каждом элементе сдвинута на определённый угол. Это позволяет получить нужную форму диаграммы направленности. Изменяя сдвиг фаз по квадратичному закону, можно формировать диаграмму направленности сложной формы.

Многоэлементные антенные решётки адаптивного типа позволяют изменять фазу сигнала в каждом элементе системы, в широких пределах. Для этой цели используется сложная электронная схема управления

Достоинства антенных решёток (АР)

Возможность изменения фаз сигнала в отдельных элементах системы, позволяет осуществлять перемещение луча в пространстве, не меняя положения антенны. Электронное сканирование очень удобно в системах радиолокации.
Высокий коэффициент усиления по сравнению с антеннами простых конструкций.
Возможность формирования диаграммы направленности сложной формы, используя только электронное управление.
Одновременная работа с несколькими лучами.

Недостатками антенных решёток считается сложность конструкции, жёсткие требования к элементной базе и высокая стоимость.

Данная глава направлена на изучение конструкций полосковых излучателей, способов их питания и согласования, способов их объединения в синфазные линейные антенные решетки; методов измерения их характеристик согласования и направленности.

Возросшая потребность в легких, низкопрофильных, конформных и недорогих антеннах, которые можно размещать на ракетах, самолетах, автомобилях и других объектах, не нарушая их аэродинамических качеств, определила в последние годы новое направление в технике антенн — создание полосковых излучателей. Полосковые излучатели просты в изготовлении с использованием технологии создания печатных плат, обладают большой стабильностью и повторяемостью параметров, могут работать с любой поляризацией поля. Указанные достоинства полосковых антенн привлекли к ним внимание специалистов и в настоящее время разработано значительное число оригинальных конструкций полосковых антенн. К недостаткам полосковых антенн следует отнести их узкополосность и относительно невысокий КПД. Полосковые антенны можно разделить по принципу действия натри группы: полосковые резонаторные излучатели, полосковые вибраторные излучатели и полосковые щелевые излучатели. В этой главе исследуются резонаторные и щелевые полосковые излучатели.

В эквидистантной решетке интервалы между соседними излучателями одинаковы, т. е.

поэтому, принимая A_t = 1 (равномерное АР) и ср._f = 0 (синфазная система), из выражения (4.68) имеем

Глава 4. Общая теория антенн как систем излучателей

где |j = kdcos© - обобщенный угол, имеющий простой физический смысл. Он равен разности фаз полей, создаваемых в точке наблюдения Р (рис. 4.29) двумя соседними излучателями.

Выражение (4.69) представляет собой сумму геометрической прогрессии со знаменателем q = e jxv , поэтому, используя известную формулу для суммы геометрической прогрессии

Используя формулу Эйлера

которая совпадает с начальной фазой поля, возбуждаемого излучателем, расположенным в центре решетки. Следовательно, рассматриваемая линейная система излучает сферическую волну, как и отдельный центральный излучатель. Фазовый центр системы находится в ее середине. В фазовом центре системы излучателя может и не быть, если их число четное.

В соответствии с выражением (4.70) амплитудная характеристика направленности (множитель системы) определяется по формуле

Так же, как и линейные системы непрерывно расположенных излучателей, линейные антенные решетки могут быть с поперечным (близким к поперечному) и продольным излучением.

В решетках с поперечным излучением главный лепесток ДН ориентирован по нормали к оси решетки или отклоняется от нее на некоторый угол. В этом случае угол 0 удобнее отсчитывать не от оси решетки (рис. 4.29), а от нормали к оси.

При таком отсчете

При у = 0 множитель системы принимает максимальное значение, равное Хист(О) — N (при Нш/_сист(|/) = —, используя правило Лопиталя,

имеем lim-— = N), поэтому нормированный множитель системы

Проанализируем график нормированного множителя системы (рис. 4.30). Множитель дискретной системы, в отличие от множителя непрерывно расположенных излучателей, является периодической функцией угла Y|/. Величина периода равна 2я. Иными словами, множитель дискретной системы имеет ряд одинаковых главных максимумов (лепестков), соответствующих значениям угла

Рис. 4.30. График нормированного множителя системы для случая N = 7

В дальнейшем (в случае синфазной решетки) максимум, соответствующий значению п = 0, будем называть главным, а другие - дифракционными. Между соседними главными максимумами множитель системы имеет N- 1 нулевых значений и N- 2 боковых лепестков. Направления |/₀ нулевого излучения ДН соответствуют значениям

где к₀ = -К₀ ; к₀ ф 0; ко Ф pN; р - целое число.

Приближенное направление j/_б боковых лепестков определяется в соответствии с выражением

Если предположить, что направление j/₆ боковых лепестков находится посередине между направлениями нулевого излучения, то

Уровень боковых лепестков приближенно можно определить, если направления боковых лепестков находить в соответствии с формулой (4.79):

Определим ширину рабочей области множителя системы. Реальный

угол О, как видно из рис. 4.30, изменяется в пределах от до —. Следовательно, в соответствии с формулой (4.74) рабочая область изменения угла |/ определяется соотношением

Ширина рабочей области равна 2М = 4л—. В зависимости от отпоят

шения — ширина рабочей области будет разной и ДН будет иметь разное

количество как боковых лепестков, так и главных максимумов. График множителя системы, приведенный на рис. 4.30, соответствует величине

Читайте также: