Разработка антенны и СВЧ части приёмной радиосистемы

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

2. Выбор варианта конструкции антенны

3. Расчет антенны

4. Выбор варианта конструкции элементов СВЧ части антенны

4.1 Выбор варианта используемой линии передачи ЛП

4.2 Выбор варианта конструкции полоскового делителя мощности

4.3 Выбор варианта конструкции полосно-пропускающих фильтров (ППФ)

5. Расчет элементов СВЧ части антенны

5.1 Синтез регулярной полосковой линии

5.2 Расчет полоскового делителя мощности

5.3 Расчет ППФ

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

Введение

Современные радиотехнические средства состоят из отдельных составных частей: антенные системы и обслуживающие их тракты СВЧ.

Любая радиосистема установка содержит антенну, которую можно определить как устройство, предназначенное для излучения или приёма электромагнитных волн в пространстве.

Антенны можно классифицировать по различным признакам. На первый взгляд можно показаться удобным, разделить все антенны по характеру их использования на две группы: передающие и приёмные антенны. Часто принято классифицировать антенны по диапазонам волн: длинных, средних, коротких и ультракоротких волн.

Назначение передающей антенны состоит в преобразовании направляемых электромагнитных волн, распространяющихся от передатчика по линиям передачи тракта, в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства.

При разработке антенн приходится решать довольно сложные задачи повышения эффективности их работы, создания требуемо концентрации излучения в определённых направлениях в пространстве, обеспечение требуемой поляризации электромагнитного поля и т.д.

Требование, предъявляемые к антенне, различны в зависимости от назначения радиосистемы. Так, например, в случае работы передатчика, обслуживающего определённый район, как правило, должен создавать равномерное излучение во все стороны, т. е. должен быть ненаправленный в горизонтальной плоскости. С другой стороны, антенны радиолокационной станции, должна концентрировать излучение в узком конусе, т.е. должна быть остронаправленной. Наряду с требованием эффективного излучения или приёма радиоволн к антенне предъявляется требование определённого распределения в пространстве потока мощности излучаемых волн.

Неотъемлемой частью большинства радиотехнических устройств, в которые входят антенны, являются фидерные системы, предназначенные для передачи и преобразования электромагнитной энергии и служащие для соединения антенн с передатчиками или приёмниками. В более широком смысле под трактом СВЧ понимают совокупность устройств СВЧ, сочленённых между собой определённым образом для достижения поставленных целей. Наиболее распространёнными элементами тракта являются отрезки линий передачи, переходные и стыковочные узлы, согласующие элементы, ответвители и поглотители мощности, фильтры, фазовращатели, невзаимные устройства с ферритами, коммутирующие устройства.

Повышение мощности радиопередающих устройств приводит к значительным трудностям обеспечения достаточной электрической прочности фидерных трактов, в особенности на СВЧ.

1. Анализ технического задания

В ходе выполнения данной курсовой работы необходимо провести расчет антенны и СВЧ части приемной радиосистемы (Рисунок 1) со следующими параметрами:

Антенна - зеркальная

Поляризация - вертикальная

f0=10,37ГГц

2Дfп=2ГГц

2Дfз=5ГГц

Lп= 0,1дб

Lз= 25дб

Lно= -15дб

2ДИ0,5=2Дц0,5=20

Рисунок 1 - Структурная схема проектируемой установки

2. Выбор варианта конструкции антенны

В соответствии с техническим заданием антенна должна быть зеркальная. Зеркальные антенны являются наиболее распространенными остронаправленными антеннами. Их широкое распространение объясняется простой конструкцией, возможность получение различных видов диаграмм направленности (ДН), высоким КПД, хорошими диапазонными свойствами и т.д.

Различают зеркальные антенны:

1) Параболические антенны они различаются по виду фигуры образующие их:

- Параболоид вращения;

- Параболический цилиндр;

- Закрытой конструкции.

2) длинно фокусные и коротко фокусные параболические антенны.

В ходе данной курсовой работы будет рассчитана параболическая антенна, в основании которой лежит параболоид вращение. Данная конструкция выбрана из - за своих более лучших параметров направленности, простоты конструкции и реализации.

В качестве облучателя будет применяться рупорная антенна. Различают несколько видов рупорных антенн:

1) Коническая рупорная антенна, из-за кроссполяризации не возможно добиться стабильной диаграммы направленности, поэтому рассматривать данный вид антенн в этой работе рассматриваться не будет;

2) Прямоугольная рупорная антенна, в данном виде антенн сравнительно легко добиваются стабильной диаграммы направленности, поэтому именно данный вид антенн будет рассмотрен в данной работе. Различают два вида прямоугольных рупорных антенн:

- секторальная антенна - раскрыв рупора происходит только по одной из стенок;

- пирамидальная антенна - раскрыв рупора происходит по обеим стенкам.

Для окончательного выбора конструкции антенны необходимо рассчитать диаметр зеркала по формуле

где: л - длина волны равная

с - скорость света

Выражаем диаметр и он равен

Рисунок 2 - Эскиз облучателя

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 3 - эскиз зеркала антенны

И так, в ходе выполнения данного пункта мы определились с конструкцией приемной антенны, была выбрана зеркальная в основе которой параболоид вращения. В качестве облучателя взят пирамидальный рупор из - за своей стабильной диаграммы направленности. Выбраны размеры питающего волновода 35х5мм.

3. Расчет антенны

Расчет антенны проводится в следующем порядке.

Выбираем соотношение

принимаем это соотношение равное 0,6

Определяем угол раскрыва зеркала

Определяем фокусное расстояние из соотношения

где: Rз - радиус зеркала

Строим профиль параболы образующую параболоид зеркала

где: ш изменяется от до

Рисунок 4 - Профиль зеркала антенны

Определяем размеры раскрыва рупора облучателя

Для чего необходимо построить графики

Рисунок 5 - График для определения величины раскрыва рупора bр?0,053м



Рисунок 6 - График для определения величины раскрыва рупора ар?0,074м

При определении bр и ар учитываются требования оптимального соотношения направленности зеркальной антенны и её коэффициента усиления.

Оптимальное соотношение между ними достигается при условии спада поля на краю раскрыва на 10 дБ по сравнению с уровнем поля в центре.

Расчет диаграммы направленности

Определяем распределения поля по раскрыву зеркала

Рисунок 7 - Распределение поля в горизонтальной области

антенна фильтр зеркало делитель

Рисунок 8 - Распределение поля в вертикальной области

Теперь строим сами ДН по формуле

Рисунок 9 - ДН в горизонтальной плоскости

Рисунок 10 - ДН в вертикальной области

Итак, в ходе выполнения данного раздела полностью определились с конструкцией антенны. Облучатель будет представлять собой пирамидальный рупор. Определили все необходимые размеры зеркала, а также как видно из ДН данная антенна полностью соответствует техническому заданию.

4. Выбор варианта конструкции элементов СВЧ части антенны

4.1 Выбор варианта используемой линии передачи ЛП

Заданное f0 соответствует сантиметровому диапазону, в котором возможно использовать:

- Коаксиальная ЛП в данном диапазоне частот линия имеет большие потери, поэтому использование её в рамках данной курсовой невозможна;

- Волноводная ЛП в данном диапазоне частот линия имеет незначительные потери и возможность работы при высоких уровнях входного напряжения, но линия получатся достаточно габаритная, и образуется большое количество соединений между функциональными частями устройства;

- Микрополосковая ЛП в данном диапазоне частот линия имеет малые габариты, возможность реализовать устройство на одной диэлектрической основе, следовательно, минимум соединений и потерь, однако есть ограничение, связанное с малым уровнем рабочей мощности до 10Вт.

В данной курсовой работе низкий уровень входной мощности применим, поэтому в качестве линии передач применим микрополосковую ЛП.

Выбираем материал, используемый в ЛП

Подложка выполняется из материала способного выдержать сложные тепловые, механические и химические воздействия, возникающие при образовании пленочных материалов.

Требования к подложке: малые потери, высокое значение диэлектрической проницаемости е, чистота поверхности, чистота материала, хорошая обрабатываемость механическим способом.

Излишне малые значения е повлияют на излучение, т.к. поле в основном концентрируется в подложке, но при очень высоких е возможно возникновение поверхностных волн, а также возрастает требования к допускам на размеры элементов т.к. с увеличением е размеры устройств уменьшаются.

Для подложек сантиметрового диапазона СВЧ устройств выбирают материалы с е от 8 до 12 например, ситалл, поликор, феррит, сапфир.

Таблица 1 - Параметры подложки слоя

Название диэлектрика	е	tgд
Поликор	9,8	1·10-4

Толщина подложки выбирается из стандартного ряда 0,25мм; 0,5мм; 1мм; 1,5мм; и реже 2мм. Чем толще подложка, тем меньше потери в диэлектрике, но и меньше все геометрические размеры устройств, что может вызвать трудности его изготовления.

Проводящий слой должен обладать следующими параметрами:

- хорошая адгезия к подложке;

- высокая коррозийная стойкость;

- высокая проводимость.

Для обеспечения данных свойств проводник выполняют многослойным.

Адгезионный слой обеспечивает:

- хорошее сцепление проводника и подложки

Толщина адгезионного слоя от 0,03 до 0,05 мкм, выберем для этого слоя хром

Таблица 2 - Параметры проводящего слоя

Название материала	Объёмная проводимость у, (Ом·м)-1·10-7	Нормированная толщина скин слоя , мкм
Золото	4,1	2,1
Хром	0,7	5,75



4.2 Выбор варианта конструкции полоскового делителя мощности

Полосковые делители мощности делятся на: направленные и ненаправленные

К ненаправленным делителям мощности относят тройники. Данные устройства при правильном согласовании делит энергию подаваемою подаваемое в одно плечо по полам между двумя оставшимися, однако плечи, между которыми делиться мощность не развязаны, именно из-за этого мы не применяем данное устройство в этой курсовой работе.

К направленным делителям мощности относят:

1. кольцевой делитель с развязывающим сопротивлением;

2. кольцевой мост с длиной кольца 3л/2;

3. двухшлейфный мост;

4. трехшлейфный мост;

5. направленный ответвитель на связанных линиях.

Для того чтобы выбрать направленный полосковый делитель мощности, не обходимо определить полосу пропускания по формуле

Исходя из этого расчета, выбираем трехшлейфный мост, который обладает ПП =15%

Рисунок 12 - топология трехшлейфного моста

Рисунок 12 - Топология согласованной нагрузки

4.3 Выбор варианта конструкции полосно-пропускающих фильтров (ППФ)

Существует два вида аппроксимации частотной характеритики с максимально плоской характеристикой и с Чебышевской аппроксимация.

Выбираем Чебышевскую аппроксимацию частотной характе-ристики, поскольку она обеспечивает более крутые склоны при меньшем числе звеньев фильтра по сравнению с максимально плос-кой характеристикой. Следовательно, и суммарное затухание в по-лосе пропускания будет тоже наименьшим, что весьма важно для микрополосковых фильтров, активные потери которых относитель-но велики.

По формуле определяем необходимое число элементов прототипной схемы ФНЧ

Полученный результат округляем до ближайшего целого п = 7 (семь полуволновых резонатора). Следовательно, необходимое число связанных четвертьволновых звеньев фильтра равно п + 1 = 8.

Из справочника [Л6] 537 выписываем параметры элементов фильтров-прототипов

Таблица 3 - Параметры элементов фильтров-прототипов

	g1	g2	g3	g4	g5	g6	g7
n=4	1,7373	1,2582	2,6383	1,3443	2,6383	1,2582	1,7373

Рисунок 13 - ППФ при n=2

5. Расчет элементов СВЧ части антенны

5.1 Синтез регулярной полосковой линии

Примем волновое сопротивление регулярной линии 50Ом

Вычисляем ширину проводников линии

где: бк - определяется по формуле

Выбираем толщину подложки h из условия обеспечения регулярной линии

W?1

Принимаем h=1мм, и тогда W=1мм. для обеспечения необходимого условия точности.

Определяем эффективную диэлектрическую проницаемость

Рассчитываем волновое сопротивление линии с W/h

Находим погрешность исполнение волнового сопротивления регулярной линии

Вычисляем длину волны в линии передачи

Где л - определяется по формуле

Определяем погонные потери в ЛП

Где: бм - Поглощение потерь в материале проводника, и определяется по формуле

RS - поверхностное сопротивление, определяется по формуле

бд - погонный коэффициент потерь в материале подложке

5.2 Расчет полоскового делителя мощности

Исходя из выше приведенных расчетов, мы выбрали трехшлейфный мост, в данной курсовой работе это устройство будет работать как направленный ответвитель.

Трехшлейфный мост состоит из трех участков полосковой линии:

1. основная линия передач

2. участок линии с сопротивлением Zшл=2,415Z0

3. участок линии с сопротивлением Zл=

Основную линию передач мы рассчитывали выше, поэтому осталось рассчитать оставшиеся два участка.

Рассчитываем линию с сопротивлением Zшл=2,415Z0

Определяем сопротивление линии с сопротивлением Zш=2,415Z0

Данное сопротивление приводит к тому, что невозможно провести дальнейший расчет, поэтому между основной линей и линей с сопротивлением Zш=2,415Z0 ставится четвертьволновый трансформатор. В результате чего сопротивление Zш равно

Определяем ширину линей с сопротивлением Zш=2,415Z0

Определяем эффективную диэлектрическую проницаемость

Определяем длину волны в линии

Определяем длину линей с сопротивлением Zшл=2,415Z0

Определяем сопротивление трансформаторной линии из соотношения

Где Z1 определяется из соотношения Zш=2,415Z1 определяем требуемое значение волнового сопротивления проводящих линий

Определяем ширину трансформаторной линии

Определяем эффективную диэлектрическую проницаемость

Определяем длину волны в линии

Определяем длину трансформаторной линии

Рассчитываем линию с сопротивлением Zл=

Определяем сопротивление линии с сопротивлением Zл=

Определяем ширину линей с сопротивлением Zл=

Определяем эффективную диэлектрическую проницаемость

Определяем длину волны в линии

Определяем длину линей с сопротивлением Zл=

Определяем длину резистивной части согласованной нагрузки lсн (Рисунок 6) из формулы

Где с - поверхностное сопротивление материала из которого выполняется резистивная часть согласованной нагрузки, обычно выбирается с=100, материал например нихром

5.3 Расчет ППФ

Проведем расчет одного звена фильтра, а расчет остальных звеньев выполняются аналогично

Определяем обобщенный параметр и gi+1

Определяем коэффициент Аi

Где gi - Коэффициенты таблицы 3

Находим волновое сопротивление синфазной и противофазной волн для каждой пары звена четвертьволнового отрезка

Теперь из графиков (Рискнок 14) определяем Wсв и S для первого звена Wсв1=0,55мм, S1=0,2

Рисунок 15 - Графики для определения S и Wсв

Определяем эффективную диэлектрическую проницаемость

Определяем длину волны в отрезке

Определяем длину отрезка

Размеры остальных звеньев ППФ1 и ППФ2 приведем в таблице 5

Таблица 5 - Размеры звеньев ППФ1 и ППФ2

	n	Wсв,мм	S,мм	l,мм
ППФ1	1	0,55	0,2	3,7
	2	0,59	0,4	3,69
	3	0,62	0,4	3,688
	4	0,64	0,4	3,68
	5	0,64	0,4	3,68
	6	0,62	0,4	3,688
	7	0,59	0,4	3,69
	8	0,3	0,3	3,666

Итак входе выполнения данного раздела была рассчитана полосковая линия и все элементы включенные в СВЧ части приемника:

- Направленный ответвитель;

- ППФ.

Заключение

И так в ходе расчета данной курсовой работы были рассчитаны антенна и СВЧ часть приемной радиосистемы.

По техническому заданию нужно было рассчитать зеркальную антенну с шириной диаграмм направленности 2ДИ0,5= 2Дц0,5=20. Исходя из проведенного исследования была антенна, в основании которой параболоид вращения, т.к. он обладает более лучшими показателями по направленности, и на основании проведенных расчетов нарисовали чертеж (Приложение А).

Далее был проведен выбор ЛП для СВЧ части приемной радио системы, была выбрана микро-полосковая ЛП, из - за своих параметров: малые габариты, хорошие показатели при передачи сигналов.

После чего выбрали делитель мощности, который в данной приемной части радиосистемы выполняет роль направленного ответвителя, для обеспечения параметров технического задания был выбран трехшлейфный мост, т.к. он обеспечивает необходимую нам ПП 15%.

Затем выбрали ППФ, из проведенных расчетов определили, что ППФ состоит из 7-х звеньев.

И последним выбрали фазовращатель, выбранный ФВ обеспечивает необходимый поворот фаз за счет участков полосковой линии определенной длины.

В последнем пятом пункте мы провели расчет всех выше перечисленных элементов СВЧ часть приемной радиосистемы, и по полученным данным нарисовали чертеж СВЧ части (Приложение Б).

Список используемой литературы

Драбкин А.Л. и др Антеннофидерные устройства - М. Сов. Радио, 1947г.

Айзенберг Г.З. и др Антенны УКВ - М. Связь, 1977г.

Микроэлектронные устройства СВЧ Под ред. Г.И. Веселова М.: Высшая школа 1988г.

Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А.П. Сиверса - М: Сов. Радио 1976г.

Маларадцкий Л.Г. Явич Л.Р. Проектирование и расчет элементов СВЧ на полосковых линиях - М: Сов. Радио 1976

Фельдштейн А.Л. и др Справочник по элементам волноводной техники - М: Сов. Радио 1967г.

Приложение

Таблица 1 - Координаты точек

Обозначения	Номер точки	Координаты	Обозначения	Номер точки	Координаты
		X	Y			X	Y
А	1	0	39,08	Ж	3	24,1	31,7
	2	1	39,08		4	27,8	31,7
	3	1	38,08		5	27,8	31,12
	4	2	38,08		6	20,44	31,12
	5	2	37,64	З	1	24,1	30,7
	6	5,7	37,64		2	27,8	30,7
	7	5,7	37,08		3	27,8	30,42
	8	1	37,08		4	31,52	30,42
	9	1	36,08		5	31,52	30,16
	10	0	36,08		6	24,1	30,16
Б	1	9,28	36,98	И	1	38,7	33,1
	2	1,99	36,98		2	38,7	29,32
	3	1,99	36,32		3	38,7	28,84
	4	5,7	36,32		4	38,7	27,84
	5	5,7	36,28		5	38,24	27,84
	6	9,28	36,28		6	38,24	24,36
В	1	13,06	35,88		7	33,98	24,36
	2	5,7	35,88		8	33,98	27,8
	3	5,7	35,3		9	33,58	27,98
	4	9,28	35,3		10	33,58	28,8
	5	9,28	35,26		11	32,5	29,8
	6	13,06	35,26		12	27,82	29,8
Г	1	16,74	34,86		13	27,82	29,52
	2	9,28	34,86		14	31,46	29,52
	3	9,28	34,24		15	31,46	28,84
	4	13,06	34,24		16	32,5	28,84
	5	13,06	34,22		17	32,5	27,86
	6	16,74	34,22		18	32	27,86
Д	1	20,4	33,8		19	32	24,2
	2	13,06	33,8		20	31,06	24,2
	3	13,06	33,2		21	31,06	16,22
	4	20,4	33,2		22	31,92	16,22
Е	1	24	32,78		23	31,92	12,76
	2	20,4	32,78		24	32,5	12,76
	3	20,4	32,79		25	32,5	11,8
	4	16,66	32,79		26	19,46	11,8
	5	16,66	32,14		27	19,46	7
	6	24	32,14		28	19,06	7
Ж	1	20,44	31,76		29	19,06	6
	2	24,1	31,76		30	20	6
Обозначения	Номер точки	Координаты	Обозначения	Номер точки	Координаты
		X	Y			X	Y
И	31	20	7	К	15	19,48	13,52
	32	19,6	7		16	20,5	12,52
	33	19,6	10,8		17	20,5	12,44
	34	32,5	10,8		18	24,34	12,44
	35	33,54	11,8		19	24,34	16,28
	36	33,54	12,8		20	27,22	16,28
	37	34	12,8		21	27,22	13,32
	38	34	16,2		22	28,36	13,32
	39	38	16,2		23	28,36	18,32
	40	38	12,82		24	1	18,32
	41	38,68	12,82		25	1	17,32
	42	38,68	11,8	Л	1	0	17,32
	43	38,68	11,76		2	0	12,82
	44	38,68	7,56		3	1	12,78
	45	39,7	7,56		4	1	1,182
	46	39,7	11,76		5	14,76	1,182
	47	39,7	11,8		6	14,76	15,6
	48	39,7	12,82		7	14,34	15,6
	49	40,02	12,82		8	14,34	16,66
	50	40,02	16,3		9	15,32	16,66
	51	41,1	16,3		10	15,32	15,62
	52	41,1	24,34		11	14,88	15,62
	53	40,26	24,34		12	14,88	11,8
	54	40,26	27,82		13	16	11,8
	55	39,7	27,82		14	16	10,8
	56	39,7	28,84		15	1	10,8
	57	39,7	29,32		16	1	9,8
	58	39,7	33,1	М	1	0	9,8
К	1	0	20,2		2	0	4
	2	1	20,2		3	1	4
	3	1	19,2		4	1	3
	4	28,23	19,2		5	15,76	3
	5	29,3	18,32		6	15,76	4
	6	29,3	13,32		7	12,7	4
	7	28,28	12,32		8	12,7	7
	8	19,48	12,32		9	16,56	7
	9	19,48	12,5		10	16,56	11,74
	10	16,08	12,5		11	18,94	11,74
	11	16,08	12,2		12	18,94	10,8
	12	15,06	12,2		13	16,7	10,8
	13	15,06	12,4		14	17,1	3
	14	16,08	13,52		15	1	3

Размещено на www.allbest.

...