Курсовая АНТЕННЫ ВАР1

Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра «технической электродинамики и антенн»

Курсовая работа

1 вариант

По дисциплине

«устройства СВЧ и Антенны»

Выполнил студенты группы БРР2201

Проверил:

Москва 2025

Цель работы: Спроектировать линейную решетку из конических диэлектрических стержневых антенн для корабельной радиолокационной станции.

Исходные данные:

- рабочая длина волны λ;

- вид антенны: коническая диэлектрическая антенна из полистирола;

- количество антенных элементов в решетке N = 4;

- волновое сопротивление коаксиальной линии подводящей питание к элементу решетки Zв.

1. Типичная схема диэлектрической стержневой антенны приведена в [5, рис. 8.1]. Она представляет собой диэлектрический стержень, возбуждаемый круглым волноводом с возбудителем и питающим фидером.

2. В качестве материала диэлектрического стержня обычно применяют полистирол с ɛ = 2,5 – 2,56 [5, с. 226].

3. Диаметр диэлектрического стержня a0 , заполняющего круглый волновод, выбирается из соотношения

4. Размеры конического стержня и эквивалентного цилиндрического связаны соотношением [5, с. 220].

5. Коэффициент замедления γ находится из [5, с. 222, рис. 8.4], зная a0 и ɛ.

6. Оптимальная длина стержня выбирается равной [5, с. 225 (8.4)].

7. Диаграмма направленности диэлектрической стержневой антенны в плоскости Е можно рассчитать по формуле [5, с. 228 (8.6)], а в плоскости Н – по той же формуле, но без множителя cos(θ).

8. Коэффициент направленного действия (КНД) одной диэлектрической стержневой антенны оптимальной длины вычисляется по формуле [5, с. 229 (8.8)]

9. Коэффициент усиления (КУ) антенны зависит от величины тепловых потерь в диэлектрическом стержне, которые обычно пренебрежимо малы. Поэтому КУ диэлектрической стержневой антенны можно считать равным величине КНД. 10. ДН решетки вычисляется по формулам [5, с. 236, 237 (8.11) и (8.12)], где dр - расстояние между элементами решетки, выбирается таким, чтобы угол ϕ1-первого нуля множителя элемента [5, с. 238, рис. 8.17а] совпал с углом максимума первого бокового лепестка множителя решетки [5, с. 238, рис. 8.17б].

11. Можно принять, что КНД решетки в N раз больше, чем КНД отдельного элемента Dp = N*D [5, с. 237]. Уточнить расчет КНД, проведя его по полученной ДН c использованием формул [4, с. 94 (4.21)] и [6, с. 113 (8.31)].

12. Расчет входного сопротивления волноводно-коаксиального перехода осуществляется по формуле [5, с. 230 (8.9)]. Согласование Zвх с коаксиальным фидером осуществляется подбором величины Rвх из [5 (8.9)], равным волновому сопротивлению линии.

13. Длина вибратора определяется из [5, с. 230 (8.9)] при условии Rвх = Zв.

14. Длина стакана L1 от вибратора до раскрыва круглого волновода выбирается так, чтобы высшие типы волн не искажали распределение поля основной волны в раскрыве волновода. Ослабление ближайших к основной высших типов волн рассчитывается по формуле [5, с. 231 (8.10)].

15. Наиболее распространенной схемой питания синфазной решетки является разветвленная схема [5, с. 236, рис. 8.16]. Для обеспечения согласования эта схема может быть дополнена четвертьволновыми трансформаторами. Волновое сопротивление Wt согласующего четвертьволнового трансформатора определяется по формуле Wt = W1*W2 где W1 и W2 , - активные сопротивления, подлежащие согласованию.

16. По результатам расчетов строится конструктивный чертеж антенного элемента и антенной решетки с учетом схем возбуждения элемента и питания решетки.

Ход работы

Диэлектрические стержневые антенны относятся к антеннам бегущей волны с замедленной фазовой скоростью (Vф < С). На рис. 1 приведена наиболее типичная схема диэлектрической стержневой антенны. Она представляет собой диэлектрический стержень 1, возбуждаемый круглым волноводом 2 с возбудителем 3 и питающим фидером 4. Наиболее часто используются цилиндрические и конические стержни.

Рисунок 1 — Диэлектрическая стержневая антенна

Диэлектрический стержень антенны можно рассматривать как отрезок диэлектрического волновода основной волной которого, является волна типа HE 11 . Распределение поля волны типа HE11 дано на рис. 2.

Рисунок 2 — Распределение поля волны HE 11

С помощью одного стержня удается сформировать диаграммы направленности шириной θ_0.5 = 20 - 25 град. Для получения более узких диаграмм направленности используются решетки, в которых диэлектричес кие стержневые антенны являются отдельными излучателями. Преимуществом диэлектрических антенн является простота конструкции и малые поперечные размеры. Как и у всех антенн типа бегущей волны с замедленной фазовой скоростью, их особенностью является то, что сужение диаграммы направленности происходит за счет увеличения не поперечных, а продольных размеров антенны.

Расчет антенны начинается с выбора материала диэлектрического стержня. Выбор диэлектрика зависит от величины ɛ, тангенса угла потерь и конструктивных соображений. На практике обычно применяется полистирол с 2.5-2.56. Диаметр диэлектрического стержня находится из соотношения.

При выборе длины стержня учитываются следующие соображения. Из теории антенн бегущей волны известно, что максимальный коэффициент направленного действия антенны достигается при длине стержня, равной

Для расчета диаграммы направленности антенны в плоскости Е используется выражение [1 (8.6)]

В плоскости Н диаграмма направленности оказывается несколько шире, чем в плоскости Е из-за отсутствия множителя cos(θ)[1 (8.6)]

Коэффициент направленного действия диэлектрической стержневой антенны оптимальной длины в осевом направлении вычисляется по формуле [1 (8.8)].

КНД антенны можно вычислить также по известной ширине диаграммы направленности в плоскостях Е и Н. Коэффициент усиления антенны зависит от величины тепловых потерь в диэлектрическом стержне, которые обычно пренебрежимо малы. Поэтому величину коэффициента усиления антенны можно считать равной величине КНД.

Вибратор является продолжением внутреннего проводника коаксиальной линии, питающей антенну. Такой возбудитель называют волноводно-коаксиальным переходом. Наибольшее распространение получила схема возбуждения, при которой штыревой вибратор возбуждает диэлектрический стержень, заполняющий круглый волновод. Предполагается, что вибратор возбуждает только основную волну типа H11 в круглом волноводе.

Размеры и положение вибратора в круглом волноводе выбираются так, чтобы искажения, оказываемые его входным сопротивлением Zвх в питающей коаксиальной линии в рабочем диапазоне частот, были достаточно малыми.

Теоретический расчет величины Хвх оказывается достаточно сложным и на практике, она определяется экспериментально. Для обеспечения согласования реактивная составляющая должна быть равна нулю. Активную составляющую входного сопротивления можно считать равной сопротивлению излучения штыря в волноводе. Согласование Zвх с питающей коаксиальной линией осуществляется подбором величины Rвх из [1 (8.9)], равным волновому сопротивлению линии, т.е.

Rвх = Zв = 50

Длина стакана L1 от вибратора до раскрыва круглого волновода выбирается так, чтобы высшие типы волн не искажали распределение поля основной волны в раскрыве волновода. Ослабление амплитуд ближайших к основной волне высших типов волн, рассчитывается по формуле [1 (8.10)]:

Решетка из диэлектрических стержневых антенн применяется для сужения диаграммы направленности, повышения коэффициента направленного действия и уменьшения уровня боковых лепестков. Диаграмма определяется произведением двух сомножителей. F(φ) = F0(φ)*Fn(φ),

где F0 (φ) - множитель элемента, определяемый выражением (8.6);

Fn (φ) - множитель решетки, определяемый выражением (8.12).

где N - число элементов, dp - расстояние между элементами. В случае необходимости получения низкого уровня боковых лепестков необходимо, чтобы угол одного из нулей множителя решетки совпал с углом максимума первого бокового лепестка множителя элемента. При этом уровень боковых лепестков значительно уменьшается. Целесообразно, кроме того, добиваться, чтобы направление первого нуля множителя элемента было близким к направлению одного из первых максимумов множителя решетки. Этому условию соответствует требование:

из которого находится требуемое расстояние между элементами dp.

Можно принять, что коэффициент направленного действия решетки D = ND1, где D1 - коэффициент направленного действия отдельного элемента.

Выводы: В ходе работы была рассчитана коническая диэлектрическая стержневая антенн для корабельной радиолокационной станции, созданная из полистирола