Практическая работа №9

Тема: Расчет антенн УКВ диапазона

Цель: Выработать навыки расчета элементов конструкции и диаграмм направленности антенн метрового, дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн с использованием программы «Антенны».

1 Краткие теоретические сведения

1.1 Спиральные антенны

Спиральная антенна представляет собой свернутый в спираль провод (1), который питается через коаксиальный фидер (2) (рисунок 1.1, а). Внутренний провод фидера соединяется со спиралью, а внешняя оболочка фидера - с металлическим диском (З). Последний служит рефлектором, а также препятствует проникновению токов с внутренней на наружную поверхность оболочки фидера. Спираль может быть не только цилиндрической, как на рисунке 1.1, а, но и конической (рисунок 1.1, в) и плоской или выпуклой.

Цилиндрическая спиральная антенна характеризуется следующими геометрическими размерами: радиусом а, шагом s, длиной одного вятка l_c, числом витков р, длиной по оси lA, углом подъема α.

Рисунок 1.1 - Спиральные антенны: а – цилиндрическая; б – развернутый виток; в – коническая

Нормированная функция направленности спиральной антенны:

(1)

где: p – число витков спирали;

l_с – длина витка спирали;

λ – длина волны рабочего диапазона антенны;

α – угол подъема спирали;

θ – угол между осью антенны и направлением в точку наблюдения;

k_з – коэффициент замедления.

Выражение для определения ширины основного лепестка диаграммы направленности на уровне 0,5:

(2)

Выражение для определения коэффициента направленного действия антенны:

(3)

где: l_с – длина витка спирали;

λ – длина волны рабочего диапазона антенны;

l_а – длина спирали.

Длина антенны l_a:

(4)

Sin угла подъема антенны (sin α):

(5)

шаг спирали S:

(6)

число витков спирали р:

(7)

диаметр витка спирали 2а:

(8)

В выражениях (4) – (8):

p – число витков спирали;

l_с – длина витка спирали;

λ – длина волны рабочего диапазона антенны;

α – угол подъема спирали;

k_з – коэффициент замедления.

1.2 Волноводный излучатель

Волноводный излучатель является простейшей апертурной антенной. Апертура ее - открытый конец волновода. Положим, что выходящие из этой апертуры волны не отражаются обратно, а токи проводимости не затекают с внутренней на внешнюю поверхность, волновода. В таких условиях фронт волны в раскрыве плоский. Это упрощает исследование излучения волновода, тем более, что в данном случае можно применить принцип Гюйгенса, согласно которому каждый элемент волноводного фронта возбуждает вторичные волны, из которых формируются электромагнитные волны во внешней среде. Отсюда происходит название элементарного излучателя такого вида - элемент Гюйгенса(рисунок 1.2)

Рисунок 1.2 - Раскрыв прямоугольного волновода с выделенным на нем элементом Гюйгенса (а) и ДН этого элемента в плоскостях Е (б) и Н (в).

Нормированная функция направленности волноводного излучателя в Н-плоскости:

(9)

Нормированная функция направленности волноводного излучателя в Е-плоскости:

(10)

В выражениях (9) – (10):

θ_а – азимутальный угол;

θ_b – зенитный угол;

а – длина широкой стенки волновода;

b – длина узкой стенки волновода;

λ – длина волны рабочего диапазона антенны.

Выражение для определения ширины основного лепестка диаграммы направленности на уровне 0,5 в плоскости Е:

(11)

Выражение для определения ширины основного лепестка диаграммы направленности на уровне 0,5 в плоскости Н:

(12)

Выражение для определения коэффициента направленности антенны:

(13)

В выражениях (6) – (8):

λ – длина волны рабочего диапазона антенны;

а – ширина широкой стенки волновода;

b – ширина узкой стенки волновода;

ν – КИП раскрыва, равный для данного типа антенны 0,81.