Устройство СВЧ антенн. Устройства СВЧ и антенны. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов направления

• Название: Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов направления
• Анкор: Устройство СВЧ антенн
• Дата: 10.09.2021
• Размер: 1.25 Mb.
• Имя файла: Устройства СВЧ и антенны.doc
• Тип: Методические указания; #231141
• страница: 1 из 9

Министерство образования и науки РФ

ФГОУ ВПО Сибирский Федеральный Университет


УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ

Методические указания к выполнению
курсовой работы для студентов направления
«Радиотехника», всех форм обучения

КРАСНОЯРСК 2008

УДК 621.396.677

Устройства СВЧ и антенны. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов направления «Радиотехника». Для всех форм обучения.

Сост. Ю.П. Саломатов, А.М. Сержантов. Красноярск: 2008.

ВВЕДЕНИЕ

Курсовая работа является одной из форм самостоятельной работы студентов. Выполнение курсового проекта является заключительным этапом изучения курса «Устройства СВЧ и антенны». Для курсовой работы выбраны широко применяющиеся в настоящее время антенны и антенные решетки.

Цели выполнения настоящей курсовой работы:

- закрепить и углубить теоретические знания студентов, полученные ими при изучении курса «Устройства СВЧ и антенны» и предшествующего курса «Электродинамика и распространение радиоволн»;

- подготовить материал для изучения последующих специальных курсов;

- систематизировать, закрепить и расширить теоретические звания студентов в области расчёта, конструирования и технологии производства устройств СВЧ и антенн;

- развить практические навыки самостоятельного решения конкретных инженерно-конструкторских задач;

- получить навыки работы с научно-технической литературой, нормативными документами, государственными стандартами;

- развить творческие и исследовательские способности студентов;

- научить излагать суть найденных технических решений в пояснительной записке и чертежно-графическом материале;

- подготовить студента к выполнению дипломного проекта и магистерской диссертации.

Задание на курсовой проект студент получает у преподавателя в соответствии с данными методическими указаниями, в отдельных случаях может быть разрешено составление задания на проект самому студенту. Такое задание корректирует преподаватель, который контролирует выполнение курсового проекта.

1 НАЗНАЧЕНИЕ И ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН СВЧ

Антенна является необходимым связующим звеном между электромагнитными волнами, распространяющимися в свободном пространстве, и колебаниями, генерируемыми передатчиком или принимаемых приемником. Как правило, антенна служит одновременно и для приема, и для передачи, но в специальных случаях для этого могут использоваться отдельные антенны.

В большинстве случаев требуется антенна, которая концентрирует излучаемую энергию в относительно малом пространственном угле или принимает энергию лишь с некоторых направлений. Размеры таких антенн не меньше нескольких длин волн. В дальнейшем не делается различия между приемными и передающими антеннами, так как соотношения, полученные для передающих антенн, в большинстве случаев непосредственно применимы и для приемных антенн и наоборот.

Диаграмма направленности (ДН) является основной характеристикой антенны. Уровень сигнала, принимаемого наблюдателем на измерительный зонд, зависит от положения наблюдателя по отношению к антенне. Пространственное распределение амплитуды вектора напряженности электрического поля, нормированное относительно максимального значения называется характеристикой направленности антенны по полю. Сечение данной характеристики направленности, какой либо плоскостью называют диаграммой направленности.

Как правило, антенна концентрирует большую часть энергии в одном направлении. Главный лепесток ДН представляет область, в пределах которой излучается или принимается большая часть энергии сигналов. Остальные лепестки ДН обычно называют боковыми лепестками из-за их положения по отношению к главному лепестку. При проектировании антенной системы нельзя не учитывать структуру области боковых лепестков ДН, которые определяют параметры электромагнитной совместимости (ЭМС).

Обычно ДН определяют в главных плоскостях (Е и Н), связанных с направлением поляризации электромагнитного поля. Для антенн, жестко связанных с землей, ДН определяется в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Ограниченная ширина главного лепестка ДН делает приемную антенну устройством, чувствительным к угловому положению относительно направления приходящего сигнала. Степень этой чувствительности можно оценить шириной ДН антенны. Ширина главного лепестка (ширина ДН) чаще всего определяется между точками половинной мощности (на уровне – 3 дБ).

Способность антенны концентрировать энергию в определенном направлении называется направленным действием антенны. Направленное действие антенны характеризует коэффициент направленного действия (КНД), определяемый для направления максимального излучения. КНД − это отношение максимальной плотности потока мощности излучения к средней плотности потока мощности по всему пространству. Это значение КНД определено относительно так называемого изотропного излучателя (дБи). Однако в некоторых случаях КНД оценивают относительно полуволнового диполя (дБд).

Поляризацию антенны определяют по направлению вектора напряженности электрического поля, формируемого антенной.

Имеется ряд других параметров антенн, которые необходимо учитывать при проектировании антенных систем.

1.1 Основные расчетные соотношения

Передающая антенна. Комплексная характеристика направленности передающей антенны по электрическому полю в дальней зоне (рис.1), т. е. на расстоянии r 2A_max/ (A_max – максимальный размер антенны,  – длина излучаемой волны), описывается выражением:
(1)
где Е(θ, ), р(θ, ) и Ф(θ, ) – соответственно амплитудная, поляризационная и фазовая диаграммы направленности антенны.

Рис.1. Система координат, используемая при расчете ДН
Нормированные амплитудные ДН определяются в соответствии с соотношениями:

по полю

(2)

по мощности

(3)
Здесь 1 / Е_max(θ_m, _m) – нормирующий множитель, а Е_max(θ_m, _m) – значение амплитуды вектора напряженности электрического поля в точке максимума, θ_m, _m – угловое направление на точку максимума.

Часто ДН выражают в логарифмическом масштабе (в децибелах):
(4)
Пространственное изображение нормированной амплитудной ДН имеет вид, показанный на рис. 2 а. Для полноты представления ДН обычно интересуются сечениями ее в главных плоскостях: плоскости  = 0 (кривая 1) и плоскости  = /2 (кривая 2). При этом сечение ДН главной плоскостью, в которой колеблется при распространении вектор напряженности электрического поля, называется ДН в плоскости Е, а сечение главной плоскостью, в которой колеблется при распространении вектор напряженности магнитного поля, – ДН в плоскости Н.

Плоские сечения нормированных амплитудных ДН изображают как в полярных (рис. 2, б), так и в прямоугольных (рис. 2, в, г) координатах, причем первый способ используют преимущественно для построения ДН слабонаправленных антенн, а второй – остронаправленных. Из графического построения нормированных ДН определяют следующие параметры:

• 
  коэффициент равномерности ДН (в случае слабонаправленной антенны)
  

(5)
где F_min(θ) – значение ДН в направлении минимального излучения антенны (рис. 2, б);

• 
  ширину главного лепестка (луча) на уровне 0.5 по мощности (0.707 по полю или –3 дБ в логарифмическом масштабе) 2θ_0.5 и на уровне нулевого излучения 2θ₀, а также значение (уровень максимумов) боковых лепестков F_qmaxи их направления θ_qmax(в случае остронаправленной антенны, рис. 2 в, г), где q – номер бокового лепестка.
  

Поляризация передающей антенны определяется направлением вектора напряженности электрического поля. Наиболее общим случаем поляризации является эллиптическая поляризация, которая полностью описывается следующими параметрами поляризационного эллипса (рис.3):

• 
  углом  наклона большой оси эллипса к оси θ₀ выбранной системы координат (0    /2);коэффициентом равномерности (эллиптичности) поляризации
  

, (6)
где bи а – малая и большая полуоси эллипса (0  K_э 1);

• 
  знаком поляризации sgnK_э, который указывает на направление вращения конца вектора напряженности электрического поля в плоскости эллипса при распространении поля от антенны, если «смотреть» ему вслед:
  sgn K_э > 0 – для правовращающейся поляризации и sgn K_э < 0– для левовращающейся.
  

Рис. 2. Формы представления ДН: а – объемная характеристика направленности;
б – ДН в полярной системе координат;
в – ДН в декартовой системе координат c относительным масштабом;
г – ДН в декартовой системе координат c логарифмическим масштабом)
Параметры поляризационного эллипса при известных компонентах излучаемого поля определяют по формулам:
, (7)
где m = E_ / E_θ – отношение амплитуд ортогональных компонент;
 = (arg E_ – argE_θ) – разность фаз комплексных амплитуд этих компонент.

Обратные зависимости:
(8)
Зависимость коэффициента эллиптичности от угловых координат точкинаблюдения характеризует поляризационную диаграмму антенны:
p(θ,) = K_э(θ,).

Рис. 3. Эллипс поляризации поля
Знание амплитудной и поляризационной диаграмм передающей антенны позволяет определить ее КНД. Для антенны линейной поляризации
. (9)
Для антенны вращающейся поляризации при совпадающих максимумах парциальных амплитудных ДН
, (10)
где

(11)
– парциальные КНД для компоненты поля Е_θ и Е_. Здесь F_θ(θ, ) и F_(θ, ) – нормированные амплитудные ДН взаимно перпендикулярных компонент.

На практике широко распространена грубая оценка КНД по формуле:
, (12)
где 2 и 2 – ширины луча антенны на уровне 0.5 по мощности в главных плоскостях, рад.

КПД передающей антенны находится следующим образом:
, (13)
где R_п – сопротивление потерь в антенне, R_∑.

Коэффициент усиления антенны определяется по формуле:
. (14)
Диапазонные свойства передающей антенны характеризуются шириной полосы рабочих частот 2f, определяемой в единицах частоты или в процентах к средней частоте диапазона f_cp:
, (15)
где f_maxи f_min – максимальная и минимальная частоты, либо коэффициентом перекрытия по частоте:
. (16)
Приемная антенна. По теореме взаимности приемную антенну характеризуют те же параметры, что и передающую. ЭДС (в вольтах), возбуждаемая в любой приемной антенне, определяется по формуле:
, (17)
где E – напряженность электрического поля волны, падающего на антенну, В/м;  – длина волны, м; G – КУ антенны; R_a – активная составляющая входного сопротивления антенны, Ом; F(, ) – нормированная амплитудная ДН антенны;  – угол между плоскостями поляризации приемной антенны и приходящей волны, рад.

Максимальная ЭДС, наводимая в приемной антенне соответствует приему с максимального направления ДН и полному согласованию антенны с падающим полем по поляризации:
. (18)

Рис. 4. Эквивалентная схема приемной антенны: а – с непосредственным
подключением приемника; б – при подключении приемника при помощи длинной линии
Максимально возможная (оптимальная) мощность (в ваттах), отдаваемая приемной антенной со входным сопротивлением Z_a = R_a + iX_aв согласованную нагрузку (приемник)Z_н = R_н + iX_н, непосредственно подключенную к антенне (рис. 4, а), имеет место при R_н = R_а, X_н = – X_аи определяется по формуле:
(19)
Мощность, отдаваемая антенной в несогласованную нагрузку (R_a  R_н,X_a  – X_н), рассчитывается по формуле:
, (20)
где  – коэффициент согласования антенны с нагрузкой.

Мощность, которую приемная антенна отдает в нагрузку в случае, когда входное сопротивление антенны чисто активное и равно волновому сопротивлению фидера Z_a = R_a= W_ф, а сопротивление нагрузки не равно волновому сопротивлению фидерной линии передачи Z_н  W_ф (рис. 4, б), находится при помощи выражения:

, (21)
где K_б.в – коэффициент бегущей волны в фидере, несогласованном с нагрузкой; _АФУ – КПД антенно-фидерного устройства.

Эффективная площадь (в квадратных метрах) приемной антенны:
. (22)
Собственная шумовая температура приемной антенны (в кельвинах) определяется по формуле:
, (23)
где Т₀ – температура окружающей среды, К.

Максимальная мощность полезного сигнала Р_с (Вт) на выходе приемной антенны, находящейся в дальней зоне передающей антенны, рассчитывается по формуле идеальной радиопередачи (19):
, (24)
где Р_пер – мощность сигнала, излучаемого передающей антенной, Вт;G_пер – коэффициент усиления передающей и приемной антенн;  –длина волны, м;
r – расстояние между антеннами, м.

Отношение мощности полезного сигнала Р_c,принятого антенной, к мощности помех Р_п,поступающих в антенну равномерно со всех сторон, равно:
, (25)
где E_п– напряженность поля внешних помех, действующих на антенну.

Коэффициент защитного действия приемной антенны, определяемый из ее нормированной амплитудной ДН, находится так:
(26)
– в относительных единицах;

(27)
– в децибелах. Причем в формулы подставляется наибольшее из значений ДН в интервале углов /2 ÷ 3/2.