Расчет параметров микрополосковой антенной решетки
Назначение, принцип работы и параметры микрополосковой антенны. Выбор материала, питающей линии и ориентировочное определение конструктивных размеров МПИ. Определение эффективной диэлектрической проницаемости, волнового, входного сопротивления, размеров.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.03.2013 |
| Размер файла | 325,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru/
Введение
Назначение, принцип работы и параметры микрополосковых антенн.
В наше время бурно развивается электроника. Одним из основных требований, которые предъявляются к радиоэлектронным устройствам - это их массогабаритные показатели. Вследствие этого разработчики радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) стремятся к ее миниатюризации. Как известно, основные качественные характеристики РЭА определяются свойствами и конструктивно-электрическими параметрами антенно-фидерных устройств (АФУ). Применение интегральной технологии позволяет успешно решать задачи по созданию АФУ при весьма противоречивых требованиях к электродинамическим, аэродинамическим, габаритным, весовым, конструктивным и экономическим показателям. Одним из типов АФУ, которые изготавливают по интегральной технологии, являются микрополосковые антенны (МПА). Элементами МПА являются микрополосковые излучатели (МПИ). МПИ бывают различных форм, канонические формы представлены на рисунке 1.
Размещено на http://allbest.ru/
Рис. 1. Канонические формы полосковых излучателей:
а - вибраторный, б - прямоугольный, в - дисковый, г - секторный,
д - треугольный, е - ромбический, ж - кольцевой, з - щелевой.
Конструктивной основой МПИ является слоистый диэлектрик с одним или несколькими металлическими экранами. Тот факт, что МПИ изготавливают по интегральной технологии, обеспечивает высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры и массу.
Конструктивная основа и технология изготовления МПИ и полосковых линий (ПЛ) одинаковы. Поэтому знание теории ПЛ является важным условием для понимания принципа работы и проектирования МПА.
Назначение.
МПА предназначена для приема и излучения электромагнитной энергии, в диапазоне дециметровых длин волн.
Принцип работы.
Для понимания принципа работы МПА, рассмотрим модель МПИ прямоугольного типа в виде отрезка разомкнутой несимметричной полосковой линии (НПЛ). НПЛ - это двухпроводная линия. Используем приближенный подход, основанный на теории длинных линий. В этом случае, в указанном отрезке учитывается возбуждение лишь квази-Т волны. Предполагается, что излучение энергии происходит через торцевые щели, образованные кромками концов отрезка полоскового проводника и экраном. При этом можно сделать допущение о пренебрежимо малом излучении боковых щелей.
Мощность, излучаемая торцевыми щелями, невелика по сравнению с мощностью квази-Т волны, набегающей на щель. Поэтому коэффициент отражения в плоскости торцевых щелей близок к единице. При этом распределение тока, а также поля, вдоль оси ПЛ между торцевыми щелями мало отличаются от соответствующих распределений в НПЛ со стоячей квази-Т волной.
При определенной длине отрезка ПЛ происходит синфазное сложение волн, отраженных от его концов, что соответствует резонансному режиму работы.
Рассмотрим прямоугольный МПИ, возбуждаемый штырем (рис. 2).
Рис. 2. МПИ, возбуждаемый штырем.
Расположим отрезок ПЛ так, чтобы его направление совпадало с осью Oy прямоугольной системы координат.
Тогда резонанс квази-Т волны, распространяющейся в этом направлении, определяется размером b пластинки. Размер a в основном определяет величину входного сопротивления при резонансе. Торцевыми щелями, излучающими волны с основной поляризацией, являются щели 1 и 3. Боковые щели 2 и 4 излучают волны перекрестной поляризации.
Если резонансный размер излучателя кратен нечетному числу полуволн квази-т волны, т.е.
, (1)
то колебания поля в торцевых щелях противофазны. Направление и величина эквивалентного магнитного тока в торцевых и боковых щелях определяются соотношением
,
где - единичный вектор нормали к плоскости щелей.
Распределение амплитуд и направления этих токов показаны на рисунке 3.
Размещено на http://allbest.ru/
Рис. 3. Распределение амплитуд и направления токов в щелях.
Эквивалентные магнитные токи торцевых щелей при выполнении условия (1) синфазны. Следовательно, излучение этих щелей имеет максимум в направлении нормали к плоскости экрана.
Если длина отрезка ПЛ кратна четному числу полуволн квази-Т волны
,
то такой МПИ в направлении нормали к плоскости экрана не излучает.
Параметры.
Входное сопротивление - это эквивалентное сопротивление линии на ее входе, которое определяется отношением напряжения к току в сечении линии.
Рабочая полоса частот - полоса частот в пределах, которой другие параметры не выходят за пределы допусков, установленных техническим заданием. Коэффициент полезного действия (КПД) - отношение мощностей излученной антенной и подводимой к антенне.
Коэффициент направленного действия (КНД) - численная величина показывающая во сколько раз мощность излучаемая в данном направлении отнесенная к единице телесного угла (интенсивность излучения в данном направлении) больше интенсивности излучения абсолютно ненаправленной антенны, при условии равенства полных мощностей, излучаемых обеими антеннами.
Коэффициент усиления (КУ). Различают абсолютный и относительный КУ.
Абсолютный (изотропный) КУ антенны показывает во сколько раз интенсивность излучения в данном направлении, больше интенсивности абсолютно ненаправленной (гипотетической) антенны с КПД равным 100%, при условии равенства подводимых к обеим антеннам мощностей.
Диаграмма направленности может быть амплитудной и фазовой. Она показывает зависимость амплитуда или фазы вектора напряженности электрического поля от угловых координат точки наблюдения, находящейся на фиксированном расстоянии в дальней зоне.
Поляризация - ориентационная характеристика векторов электромагнитной волны.
1. Выбор материала, питающей линии и ориентировочное определение конструктивных размеров МПИ
1.1 Выбор материала и исходных параметров
Для расчета МПА существует методика, которой будем придерживаться. Зададимся исходным значением относительной диэлектрической проницаемости е материала подложки. Пусть е=2,5.
Будем осуществлять питание МПИ полосковой линией.
Выберем материал для изготовления излучающих элементов и схемы питания антенны. При этом необходимо учитывать требования, предъявляемые к материалу:
· нужное значение диэлектрической проницаемости,
· малые потери,
· высокая механическая прочность, теплоемкость, однородность материала, устойчивость параметров во времени, малая гигроскопичность,
· возможность изготовления листов фольгированного материала требуемого размера.
Подходящим является материал САМ-Э характеристики, которого представлены в таблице 1.
Таблица 1.
|
еr |
tgд·104 |
Пробивное напряжение, МВ/м |
Плотность, г/см2 |
|
|
2,5±0,1 |
6 |
30 |
1,12 |
Зададимся значением волнового сопротивления питающей линии - 50 Ом.
1.2 Определение ориентировочных размеров
Выберем ориентировочные размеры МПИ в соответствии с соотношениями:
, ,
где л0 - средняя длина волны рабочего диапазона в воздухе.
(мм),
где с=108 м/с - скорость света в вакууме,
fср=2,425 ГГц - средняя частота рабочего диапазона.
Из-за наличия емкостной реактивной составляющей сопротивления щелей резонансный размер МПИ выбирают несколько меньше значения определяемого формулой (1), поэтому при расчете b используют коэффициенты 0,48…0,49.
Подставляя необходимы данные в формулы для расчета размеров МПИ, получим
мм, мм. Примем мм.
Выберем ориентировочное значение толщины подложки h. Для этого воспользуемся графиком зависимости потерь в МПИ от толщины подложки (рис. 14 [1]). Оптимальная, с точки зрения потерь, толщина соответствует точке перегиба кривой:
,
откуда мм.
1.3 Определение эффективной диэлектрической проницаемости
Рассчитаем эффективную диэлектрическую проницаемость эквивалентной НПЛ шириной a. В соответствии с соотношением (где w=a=40 мм) расчет будем производить по следующей формуле:
,
результат .
1.4 Определение волнового сопротивления
Волновое сопротивление эквивалентной НПЛ шириной а вычислим в соответствии с соотношением по формуле
,
в результате Ом.
1.5 Определение входного сопротивления
Для того чтобы определить входное сопротивление МПИ рассмотрим эквивалентную схему излучающего элемента с прямоугольной пластинкой, возбуждаемого ПЛ в соответствии с рисунком 4, показана на рисунке 5. На этой схеме прямоугольная пластинка, расположенная над экраном, представлена отрезком эквивалентной двухпроводной линии, нагруженным на проводимости торцевых щелей. Указанные проводимости являются комплексными с емкостной реактивной частью, обусловленной концентрацией поля у торцевой кромки. Возбуждающее устройство излучателя - ПЛ - представлено параллельным реактивным сопротивлением и идеальным трансформатором. Можно положить коэффициент трансформации идеального трансформатора равным единице, а параллельную реактивность - нулю.
антенна микрополосной волновой сопротивление
Размещено на http://allbest.ru/
Рис. 4. Возбуждение МПИ полосковой линией.
Размещено на http://allbest.ru/
Рис. 5. Эквивалентная схема МПИ.
Найдем значение входного сопротивления МПИ при питании с краю (т.е. утп=b/2) на резонансной частоте (Zвх0). Для этого воспользуемся следующими формулами:
,
где
- входное сопротивление отрезка эквивалентной двухпроводной линии, длинной , нагруженной на сопротивление торцевой щели Zщ1,
- входное сопротивление отрезка эквивалентной двухпроводной линии, длинной , нагруженной на сопротивление торцевой щели Zщ2.
В приведенных выше формулах Wи - волновое сопротивление ПЛ (без учета потерь), Zшт - индуктивное сопротивление штыря (при питании штырем), в - постоянная распространения квази-Т волны, yтп - смещение точки питания вдоль оси Оу относительно средней точки.
Постоянная распространения квази-Т волны рассчитывается по формуле
,
где
- волновое число.
Проводимость излучения каждой из торцевых щелей может быть представлена в виде суммы
,
где величины Ga и Gr определяются соотношениями
, ,
постоянные е0=8,85·10-12 Ф/м, м0=4·р·10-7 Гн/м.
Из этих формул нетрудно выразить и рассчитать значение входного сопротивления для соответствующей щели. Так как питание МПИ осуществляется ПЛ, то индуктивное сопротивление штыря Zшт=0. Входное сопротивление МПИ в резонансном режиме существенно зависит от положения точки питания. Смещение точки питания относительно середины излучателя позволяет получить нужное значение входного сопротивления МПИ на резонансной частоте и осуществить согласование.
Подставляя все необходимы значения величин в формулы для расчета входного сопротивления МПИ при питании с краю на резонансной частоте (Zвх0), получим следующий результат: Ом.
1.6 Определим ориентировочное положение точки питания
Исходя из требований согласования МПИ с линией питания (Zвх=Wл=50 Ом), при f=f0, определяется ориентировочное положение точки питания утп. При этом используется приближенное соотношение, связывающее Zвх0 со входным сопротивлением при питании в точке на расстоянии утп от центра пластины МПИ
,
откуда следует:
,
результат мм.
В результате выполнения данного пункта были определены ориентировочные геометрические параметры МПИ: а=40 мм, b=37,95 мм, h=3,09 мм, утп=16,93 мм. Получены также: еэфф=2,29, Zв=13,387 Ом, Zвх0=51,461+i82,282 Ом.
2. Расчет зависимости входного сопротивления МПИ от частоты и уточнение конструктивных размеров МПИ
2.1 Расчет зависимости входного сопротивления от частоты
Рассчитаем зависимость входного сопротивления МПИ от частоты Zвх(f), при выбранных значениях:
а=40 мм, b=37,95 мм ,Wл=50 Ом , h=3,09 мм, yтп=16,93 мм, е=2,29.
Для расчета зависимости от частоты используем формулы для расчета входного сопротивления МПИ, приведенные выше (п. 2.5). В результате расчетов получена зависимость, изображенная на рисунке 6.
Рис. 6. График зависимости входного сопротивления МПИ от частоты (сплошная линия - зависимость активной части сопротивления, пунктирная линия - зависимость реактивной части сопротивления).
2.2 Коррекция размеров МПИ
Из приведенной зависимости (рис. 6) определяем резонансную частоту, т.е. частоту, на которой реактивная часть входного сопротивления обращается в нуль:
f0=2,518 ГГц.
Так как резонансная частота не совпадает со средней частотой рабочего диапазона (fср=2,425 ГГц), то необходимо произвести коррекцию размеров МПИ. Для того чтобы реактивная часть входного сопротивления МПИ равнялась нулю на средней частоте рабочего диапазона, необходимо произвести подбор размера b МПИ.
Как уже отмечалось выше, для того чтобы осуществить согласование на резонансной частоте, необходимо подобрать нужное значение входного сопротивления МПИ. Согласование можно осуществить подбором смещения точки питания относительно середины излучателя. Необходимо добиться, чтобы Zвх0=50 Ом. В результате выполнения всех действий по коррекции размеров МПИ, добились следующих результатов:
Zвх0=50,023-i0,189 Ом,
при b=39,46 мм, h=3,1 мм и утп=7,08 мм.
Зависимость входного сопротивления МПИ от частоты после коррекции представлена на рисунке 7.
Рис. 7. График зависимости входного сопротивления от частоты после коррекции размеров МПИ (сплошная линия - зависимость активной части сопротивления, пунктирная линия - зависимость реактивной части сопротивления).
2.3 Определение рабочей полосы частот
Определим рабочую полосу частот. Для этого рассчитаем зависимость коэффициента отражения на входе МПИ от частоты:
,
зависимость изображена на рисунке 8.
Рис. 8. График зависимости коэффициента отражения на входе МПИ от частоты.
Для определения полосы рабочих частот необходимо знать допустимый коэффициент отражения на входе МПИ. Его определим по формуле
,
где КБВдоп=0,8 - допустимый коэффициент бегущей волны в питающей линии,
в результате рдоп=0,111. Отметим его на рисунке 8. Теперь полосу рабочих частот определяем по пересечению графика зависимости коэффициента отражения на входе МПИ от частоты и линии допустимого коэффициента отражения. Рабочая полоса частот (рис. 8):
Дf=2,412…2,438 (ГГц),
что составляет 1,07 % от средней частоты рабочего диапазона.
Рассчитали зависимости входного сопротивления МПИ от частоты (рис. 6, 7), откорректировали геометрические размеры МПИ: а=40 мм, b=39,46 мм, h=3,1 мм, утп=7,08 мм. При этом получили следующее значение входного сопротивления МПИ на резонансной частоте Zвх0=50,023-i0,189 Ом, что вполне удовлетворяет требованиям. Несоответствие полученного значения входного сопротивления на резонансной частоте идеальному значению (Zвх0=50 Ом) обусловлена тем, что технология изготовления излучателей ограничивает точность подбора размеров МПИ до 0,01 мм. Полоса рабочих частот Дf=2,412…2,438 (ГГц).
3. Расчет КПД и ДН МПИ в Е и Н плоскостях на трех частотах рабочего диапазона
3.1 Расчет КПД излучателя и потерь
Рассчитаем КПД МПИ. Эффективность МПИ может быть определена по нескольким критериям. Первое, это по излученной мощности пространственных волн основной поляризации (излучение щелями 1 и 3, рис. 2). В этом случае КПД определяется по формуле
,
где - входная проводимость,
G1r, G1s - проводимость излучения, соответственно, пространственных и поверхностных (распространяющихся в подложке) волн, через торцевые щели, G2r, G2s - проводимости излучения через боковые щели и имеющие тот же смысл, что и G1r, G1s,
Gу - проводимость потерь в металле,
Gе - проводимость тепловых потерь в диэлектрике подложки.
Этим величинам соответствуют мощности (которые в сумме представляют мощность, подводимую к излучателю)
,
отнесенные к квадрату тока в точке питания. Второй критерий определения эффективности МПИ - это по всей излученной (как пространственными, так и поверхностными волнами) мощности
.
Для расчета КПД необходимо знать соответствующие величины проводимостей. Расчет этих величин достаточно сложен, но с точностью, пригодной для инженерных расчетов, их значения можно определить по графикам зависимости проводимостей МПИ от толщины подложки (рис. 12 [1]). Так как зависимости проводимостей построены для двух значений относительной диэлектрической проницаемости (е=2,3 и е=5), а для расчета параметров МПИ была выбрана диэлектрическая проницаемость (е=2,5), необходимо провести линейную интерполяцию значений, взятых из графиков. Таким образом, получим значения проводимостей для диэлектрической проницаемости, выбранного материала. Интерполяцию производят по следующей формуле
,
где Gi(е1) и Gi(е2) - проводимости, определяемые из рисунка 12 [1].
Так как зависимости, изображенные на рисунке 12 [1], определены для тангенса диэлектрических потерь подложки равного 10-3, то полученную величину проводимости G(е), следует скорректировать, умножив ее на поправочный коэффициент Д=103·tgд. После выполнения всех описанных действий, получаем результат
, .
Найдем соответствующие потери ( в децибелах):
, ,
дБ, дБ.
3.2 Расчет характеристики направленности МПИ
Произведем расчет характеристики направленности МПИ. В случае прямоугольного излучателя, характеристику направленности по основной поляризации можно рассматривать как характеристику направленности системы, состоящей из двух синфазных торцевых щелей с равномерным распределением амплитуды поля вдоль каждой щели. Такой подход достаточно точен для инженерных расчетов. Формула для расчета характеристики направленности по основной поляризации имеет вид:
.
Примем положение излучателя относительно системы координат XYZ, как это показано на рисунке 2. В этом случае торцевые щели 1 и 3 расположены параллельно оси Ox, тогда коэффициенты Lx и Ly равны:
, ,
, .
3.2.1 Расчет ДН в Н плоскости
Итак, имеем все необходимые формулы для расчета характеристик направленности МПИ по основной поляризации. Рассчитаем ДН в плоскости Н, ц=0, так как вектор Н ориентирован вдоль оси Ox (рис. 4), а угол ц отсчитывается от оси Ох (рис. 2). Расчет будем производить на трех частотах рабочего диапазона. Частоты возьмем равные граничным частотам рабочего диапазона и среднюю частоту рабочего диапазона. Результаты представлены на следующих рисунках (рис. 9-11).
Рис. 9. ДН по основной поляризации в плоскости Н (f=2,412 ГГц).
Рис. 10. ДН по основной поляризации в плоскости Н (f=2,425 ГГц).
Рис. 11. ДН по основной поляризации в плоскости Н (f=2,438 ГГц).
3.2.2 Расчет ДН в Е плоскости
Рассчитаем ДН в плоскости Е, ц=р/2, так как вектор Е ориентирован вдоль оси Oу (рис. 4), а угол ц отсчитывается от оси Ох (рис. 2). Расчет будем выполнять на трех частотах рабочего диапазона (частоты такие же, как и для расчета ДН в плоскости Н (п. 4.2.1)). Результаты представлены на рисунках 12-14.
Рис. 12. ДН по основной поляризации в плоскости Е (f=2,412 ГГц).
Рис. 13. ДН по основной поляризации в плоскости Е (f=2,425 ГГц).
Рис. 14. ДН по основной поляризации в плоскости Е (f=2,438 ГГц).
В этом пункте получены значения КПД: зи=76,1 %, зи'=88,8 %. Рассчитаны характеристики направленности МПИ, ДН отображены на рисунках 9-14. ДН практически не отличаются друг от друг вследствие того, что ДН МПИ довольно широки.
4. Расчет допусков и влияния разброса параметров на характеристики МПИ
В связи с тем, что изменяются геометрические параметры излучателя, отклоняется диэлектрическая проницаемость материала подложки и ее толщина, происходит расхождение между расчетными и истинными значениями параметров МПИ. Это, прежде всего, касается резонансной частоты. Рассмотрим влияние допусков на резонансную частоту прямоугольного МПИ, функционирующего в режиме основного типа колебаний.
Так как полоса рабочих частот МПИ составляет всего несколько процентов (в нашем случае 1,07 %) от средней частоты, то важной является необходимость определения истинного значения резонансной частоты. Ее можно определить, используя формулы:
,
,
с - скорость света в вакууме.
В результате получаем истинное значение резонансной частоты - f=2,416 ГГц.
Точность изготовления пластины МПИ определяется способом производства и при использовании современных технологий может быть довольно высокой. Листовые диэлектрические материалы промышленного производства на базе полиэтилена и полистирола имеют допуски на относительную диэлектрическую проницаемость ±1% и ±5% на толщину.
На основании формулы для резонансной частоты получена формула для относительной девиации частоты:
,
где Дh=0,05·h, Де=0,1 (см. таблицу 1).
Так как , то членом можно пренебречь.
Частные производные, входящие в формулу для относительной девиации частоты определяются по формулам:
.
Производя необходимы вычисления, получаем значение относительной девиации частоты
.
При изготовлении МПИ необходимо использовать материалы со следующими допусками: Дh=0,05h, Де=0,1. При этом истинная резонансная частота будет равна 2,416 ГГц. Отклонение истинной резонансной частоты от расчетной составляет 0,37%, что является допустимым. Относительная девиация частоты равна 0,044.
5. Расчет конструктивных размеров и системы питания элементов антенной решетки
Для расчета конструктивных размеров и системы питания элементов антенной решетки рассмотрим плоскую синфазную равномерно возбужденную эквидистантную решетку. N?N одинаковых элементов - МПИ прямоугольного типа (фрагмент представлен на рисунке 15).
Питание элементов решетки может быть осуществлено при помощи параллельной или последовательной схемы. Последовательная схема используется сравнительно редко из-за высоких потерь, узкополосности и сложности расчета. В ней так же трудно обеспечить требуемое амплитудное распределение. Параллельная схема питания (рис. 15), носит название «ветвистой», не имеет перечисленных выше недостатков. Но в такой схеме питания несколько выше уровень потерь энергии в точках ветвления. Питание рассчитываемой антенной решетки будет осуществлено по параллельной схеме питания.
При проектировании решетки большое значение имеет шаг решетки (расстояние между фазовыми центрами излучателей) вдоль соответствующих осей (рис. 15). Шаг решетки необходимо выбирать, исходя из следующих фактов.
Размещено на http://allbest.ru/
Рис. 15. Фрагмент решетки (2?2 элемента), 1 - излучатель, 2 - трансформаторы сопротивлений.
Необходимо исключить возможность появления вторичных главных максимумов характеристик направленности. Для этого должно выполняться неравенство . Еще одна особенность выбора шага решетки заключается в том, что при расположении МПИ в антенной решетке они неизменно влияют друг на друга. Это влияние приводит к изменению параметров излучателей, например, входного сопротивления, резонансной частоты. А также ухудшается согласование в рабочей полосе частот и КПД антенны. Для устранения этого явления, расстояние между излучателями следует выбирать исходя из условия .
5.1 Расчет шага решетки и количества элементов
Рассчитаем параллельную схему питания, придерживаясь необходимого порядка.
Исходя из приведенных рекомендаций, шаг решетки должен лежать в пределах .
Выразим это неравенство через единицы длинны:
мм.
5.1.1 Расчет шага решетки и количества излучателей в горизонтальной плоскости
Примем шаг решетки в горизонтальной плоскости: dx=0,7·л0=86,6 мм. Исходя из заданного значения ширины главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости (Ди0,5<60?=59?) и формулы для его расчета:
, (2)
где N - количество элементов (излучателей) вдоль соответствующей оси, имеем Nx·dx=1,03·л0=127,9 мм. Из этого равенства определим количество излучателей в горизонтальной плоскости: Nx=1,48, округлим значение в большую сторону, учитывая необходимость в симметрии схемы питания, Nx=2 (при этом незначительно уменьшиться ширина главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости).
5.1.2 Расчет шага решетки и количества элементов излучателей в вертикальной плоскости
Примем шаг решетки в вертикальной плоскости: dу=0,8·л0=98,97 мм. Имеем заданное значение ширины главного лепестка ДН в вертикальной плоскости (Ди0,5=10?). По формуле 2 определяем Nу·dу=6,1·л0=754,631 мм. По этому равенству определим количество излучателей в вертикальной плоскости: Nу=7,62, округлим в большую сторону, учитывая необходимость симметрии схемы питания, Nу=8 (при этом ширина главного лепестка несколько уменьшиться).
Схематический вид антенной решетки представлен на рисунке 17 (пропорции размеров не выдержаны). Как уже отмечалось, основой построения антенной решетки служит подрешетка 2?2 элемента изображенная на рисунке 15. Для того чтобы питание элементов антенны было равноамплитудным синфазным, необходимо, что бы расстояния li (показано пунктирной линией на рисунке 17) от каждого МПИ до начала схемы питания было одинаковым. Выбор в качестве линии питания НПЛ одинаковой ширины обеспечивает простоту расчета и изготовления схемы. При этом необходимо обеспечить согласование ПЛ питания в точках ветвления. Это может быть обеспечено при помощи четвертьволновых трансформаторов (рис.16)
Размещено на http://allbest.ru/
Рис. 16. Схема четвертьволнового трансформатора.
5.3 Расчет геометрических параметров ПЛ
Рассчитаем геометрические параметры ПЛ питания, образующие схему питания. Воспользуемся графиком на рисунке 3 [1]. Рассчитаем величину , где Zв=50 Ом - раннее выбранное значение волнового сопротивления линии питания. В результате вычислений получили Ом. По этому значению находим
,
мм
- ширина линии питания.
Найдем длину линии питания от МПИ до начала схемы питания, как алгебраическую сумму всех выделенных пунктирной линией участков (рис. 16). В результате имеем следующую формулу для схемы питания, изображенной на рисунке 16:
,
где слагаемые в первых квадратных скобках относятся к горизонтальной плоскости, а во вторых квадратных скобках - к вертикальной.
В результате вычислений - lлп=3,79·л0=469,215 мм.
5.4 Расчет параметров четвертьволнового трансформатора
Рассчитаем волновое сопротивление четвертьволнового согласующего трансформатора (рис. 15). Воспользуемся формулой
,
где W1=50 Ом - волновое сопротивление линии,
W2=25 Ом - параллельное соединение двух линий с волновыми сопротивлениями по 50 Ом.
В результате получаем Wтр=35,36 Ом.
По этому значению определим ширину трансформатора wтр (по графику на рисунке 3 [1], методика такая же как и для ширины линии питания (см. выше). Ширина трансформатора wтр=0,11·л0=13,33 мм.
Вычислим длину трансформатора по формуле
.
Получаем lтр=0,165·л0=20,44 мм.
5.5 Расчет КПД схемы питания
Рассчитаем КПД схемы питания. КПД параллельной схемы питания можно рассчитать, воспользуемся соотношением
,
, .
КПД линии длиной li, определяется формулой
,
где P0 - мощность на входе схемы питания,
Pi0 - мощность на входе i-ой линии,
Pil - мощность на ее выходе,
бi - коэффициент затухания в i-ой линии.
Размещено на http://allbest.ru/
Рис. 17. Эскиз, рассчитываемой антенной решетки.
Для полностью симметричной параллельной схемы питания, когда длины всех линий питания одинаковы, злп=зi. Отсюда получаем формулу для расчета КПД схемы питания
. (3)
Коэффициент затухания волны основного типа в НПЛ рассчитывается по формуле
,
где - определяется потерями в проводнике (л0 в см),
- определяется потерями в диэлектрике (л0 в м),
- определяется наличием излучения из ПЛ (л0 в м).
В результате вычислений получаем блп=0,062 Нп/м. Теперь по формуле 3 вычисляем КПД схемы питания: злп=0,944 (94,4 %).
Получили следующие конструктивные размеры антенной решетки: dx=0,7л0=86,8 мм, dу=0,8л0=98,97 мм, Nx=2, Nу=8. Система питания имеет параметры: wлп=0,06л0=7,75 мм, lлп=3,79л0=469,215 мм, Wтр=35,36 Ом, wтр=0,11л0=13,33 мм, lтр=0,165л0=20,44 мм, злп=94,4 %.
6. Расчет КПД, КНД, КУ и ДН антенны в Е и Н плоскостях на трех частотах рабочего диапазона
6.1 Расчет КПД антенны
КПД антенной решетки вычисляется по формуле
,
где - КПД, учитывающий дополнительные потери из-за неполного согласования МПИ с линией питания,
- комплексный коэффициент отражения от входа МПИ.
Так как в полосе рабочих частот значительно меняется, то величина существенно зависит от частоты. При упрощенной оценке можно рассчитать КПД лишь в той точке рабочего диапазона, где потери максимальны. В этом случае (рис. 8). А КПД, в свою очередь, равняется: (98,8 %).
Зная все необходимые величины, определяем КПД антенной решетки: (82,8 %).
6.2 Расчет КНД антенны
Коэффициент направленного действия вычисляется по формуле
,
где L - длина решетки.
В нашем случае длина решетки равна размеру решетки по вертикали: L= (Nу-1)·dу=5,6л0=692,776 мм. Отсюда получаем D=11,2.
6.3 Расчет коэффициента усиления антенны
Расчет КУ выполним по следующей формуле
.
В результате вычислений - G=9,27.
6.4 Расчет ДН антенны
Расчет ДН антенны производится, исходя из следующих соображений: ДН антенны равна произведению ДН элемента на множитель решетки (принцип перемножения). Формула имеет следующий вид:
, (4)
где - ДН одного излучателя,
- множитель решетки.
Множитель решетки определяется по формуле
, (5)
где ш - сдвиг фазы, но в нашем случае ш=0, так как питание синфазное.
6.4.1 Расчет ДН антенны в Е плоскости
Для этого необходимо подставить в формулу 5 значения N и d для горизонтальной плоскости (п. 6.1.1). Так как задана горизонтальная поляризация, т. е. вектор Е ориентирован в горизонтальной плоскости (рис. 17). Необходимо использовать ДН излучателя рассчитанные для плоскости Е (п. 4.2.2). Расчет произведем для трех частот рабочего диапазона (аналогично п. 4.2.2). Результаты представлены на рисунке 18. Жирной линией представлена ДН при f=2,412 ГГц, тонкой сплошной линией представлена ДН при f=2,425 ГГц, пунктирной линией -ДН при f=2,438 ГГц.
Рис. 18. ДН антенны в Е плоскости.
6.4.2 Расчет ДН антенны в плоскости Н
При расчете ДН антенны в плоскости Н, необходимо в формулу 5 подставить значения N и d для вертикальной плоскости (п. 6.1.2), так как вектор Н ориентирован в вертикальной плоскости (рис. 17). Необходимо использовать ДН излучателя рассчитанные для плоскости Н (п. 4.2.1). Расчет произведем для трех частот рабочего диапазона (аналогично п. 4.2.1). Результаты представлены на рисунке 19. Жирной линией представлена ДН при f=2,412 ГГц, тонкой сплошной линией представлена ДН при f=2,425 ГГц, пунктирной линией - ДН при f=2,438 ГГц.
Рис. 19. ДН антенны в Н плоскости.
Микрополосковая антенная имеет такие параметры: з=82,8 %, КНД - D=11,2, КУ - G=9,27. ДН антенны для различных частот рабочего диапазона отличаются, так как характеристика направленности зависит от многих параметров (d, N, k).
7. Краткое описание конструкции антенны и выводы
7.1 Краткое описание конструкции антенны
Конструкция антенны представляет собой прямоугольный двухсторонне фольгированный лист. Размеры антенны 1,21·л0?5,92·л0 или 149,69?732,36 мм. На одной его стороне находятся пластинки излучателей, линии питания (вытравленные из фольги). А другая его сторона - экран (сплошная фольга). Эскиз (без выдержанных пропорций) показан на рисунке 17. Линию питания, выступающую за крайние границы излучателей, допустимо оставить со стороны излучателей. Так как это не сильно увеличивает размеры антенны.
Питание антенны может быть осуществлено при помощи коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 либо 75 Ом. При этом необходимо обеспечить согласование сопротивления линии питания антенны и кабеля в точке начала схемы питания. Это можно сделать при помощи специальных разъемов.
Поперечное сечение антенны показано на рисунке 20 (линия сечения АА' показана на рисунке 17).
Размещено на http://allbest.ru/
Рис. 20 Поперечное сечение антенны.
Выводы
Целью курсового проекта было изучение особенностей микрополосковой антенной решетки и расчет ее параметров по заданным характеристикам антенны. То есть, поставлена задача синтеза антенны, которая с успехом была решена.
Антенна удовлетворяет заданным параметрам. Она экономически выгодна, так как на ее изготовление требуется относительно мало материала. Ее производство технологично, так как основывается на технологии изготовления интегральных микросхем. А это в свою очередь так же ведет к экономической выгоде.
Она может быть использована как приемная так и передающая антенна в диапазоне частот 2,412…2,438 ГГц.
Антенная решетка имеет довольно высокий КПД (82,8 %), КНД (11,2), КУ (9,27), что говорит о хороших свойствах антенны. Разброс параметров материала оказывает влияние на характеристики антенны, но при допусках оговоренных в пункте 5, разброс оказывает допустимое влияние. И такая антенна пригодна для практического использования.
Методика расчета микрополосковой антенной решетки, используемая в данном курсовом проекте, показала хорошие результаты, она проста и эффективна. Данная методика легко реализуется в виде программы в среде Mathcad, что еще больше делает ее удобной.
Список используемой литературы
1. Цалиев Т.А. Розрахунок мікросмужкових випромінювачів та антен. Навчальній посібник з курсового та дипломного проектування. Одеса, 2003.
2. Панченко Б.А. Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. - М.: Радио и связь, 1986.
3. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. - М.: Радио и связь, 1989.
4. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. - М.: Связь, 1977.
5. Конспект лекций по курсу «Антенны и устройства СВЧ», лектор Цалиев Т.А.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Назначение микрополосковых антенн. Выбор материала антенной решетки и определение конструктивных размеров микрополоскового излучателя. Расчёт зависимости входного сопротивления от частоты. Расчёт конструктивных размеров элементов антенной решетки.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 28.03.2012Определение геометрических параметров антенной решетки. Расчет диаграммы направленности диэлектрической стержневой антенны, антенной решетки. Выбор и расчет схемы питания антенной решетки. Выбор фазовращателя, сектор сканирования, особенности конструкции.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 06.07.2010Методика расчета уголковой антенны, петлевого вибратора, коллинеарной антенной решетки. Выбор размеров уголковой антенны, расчет параметров элемента решетки с учетом уголкового рефлектора, ширины диаграммы направленности. Схема распределения мощности.
курсовая работа [968,3 K], добавлен 21.03.2011Расчет конструктивных размеров ромбической антенны, построение диаграммы ее направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Параметры волнового сопротивления и сопротивления излучения в рабочей полосе частот. Вычисление диаметра проводов ромба.
курсовая работа [683,1 K], добавлен 24.10.2012Общие сведения о многовибраторных антенных решетках. Определение размеров конструктивных элементов антенны и коэффициента направленного действия. Выбор симметрирующего согласующего устройства и фидера. Расчет радиотрасс, электромагнитная совместимость.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 14.08.2011Определение элементов конструкции антенны. Выбор геометрических размеров рупорной антенны. Определение типа возбуждающего устройства, расчет его размеров. Размеры раскрыва пирамидального рупора. Расчет диаграммы направленности и фидерного тракта антенны.
курсовая работа [811,9 K], добавлен 30.07.2016Проектирование смесителя на микрополосковой линии передачи, который предназначается для работы в приемном устройстве РЛС. Характеристики материалов для создания микросхем СВЧ. Топологическая схема микрополосковой смесительной секции. Оценка надежности.
курсовая работа [476,0 K], добавлен 27.05.2015Расчет размеров диэлектрического стержня. Выбор подводящего коаксиального кабеля. Расчет размеров волновода и возбудителя, характеристики антенны. Результаты моделирования: общий вид проектируемого устройства, диаграмма направленности, согласование.
курсовая работа [107,0 K], добавлен 27.10.2011Выбор типа линий передач, расчет конструктивных и электрических параметров. Расчет геометрических размеров решетки и числа излучателей, параметров одиночного излучателя и схемы питания. Выбор структуры и расчет геометрических размеров фазовращателя.
курсовая работа [892,8 K], добавлен 07.07.2009Геометрические параметры антенны. Определение оптимального сопротивления активного вибратора. Определение расстояний между вибраторами. Построение диаграммы направленности антенны. Расчет коэффициента направленного действия и входного сопротивления.
курсовая работа [177,3 K], добавлен 24.10.2013Понятие и принцип работы передающих антенн и их диаграммы направленности. Расчет размеров и резонансных частот для фрактальных антенн. Проектирование печатной микрополосковой антенны на основании фрактала Коха и 10 макетов антенн проволочного типа.
дипломная работа [450,6 K], добавлен 02.02.2015Щелевые волноводные антенны, выполненные на основе прямоугольного, круглого, змейкового, спирального и других типов волноводов. Выбор размеров волновода. Расчет антенной решетки: длина антенны и проводимость одной щели, диаграмма направленности.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 11.01.2008Геометрический расчет основных размеров облучателя. Определение геометрических размеров параболического зеркала. Расчет ДН облучателя, поля в апертуре и ДН зеркала, конструкции антенны. Выбор фидерного тракта. Расчет диаграммы направленности антенны.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 27.12.2011Расчет геометрических параметров и значений амплитудного распределения фазированной антенной решётки. Выбор излучателя антенны и расчет параметров её волновода и пирамидального рупора. Определение коэффициента отражения, диаграмма направленности антенны.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 22.11.2015Излучатель антенной решетки. Выбор конструкции вибратора и схемы питания. Антенная решетка системы излучателей. Расчет диаграммы направленности и геометрия антенной решетки. Расчет параметров решетки при заданном максимальном секторе сканирования.
контрольная работа [250,6 K], добавлен 03.12.2010Типы разветвления линии передачи. Факторы, приводящие к отказам микрополоскового узла. Описание работы диаграммообразующей схемы. Определение коэффициентов деления мощности между излучателями в антенной решётке. Разработка платы и корпуса делителя.
курсовая работа [751,7 K], добавлен 05.02.2015Особенности проектирования диэлектрических стержневых антенн. Построение диаграммы направленности антенны, расчет ее геометрических размеров. Разработка конструкции и выбор материала возбуждающего устройства. Достоинства и недостатки излучающей части.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 28.12.2014Формы, размеры и конструкции современной фазированной антенной решетки, ее структурная схема и особенности построения. Расчет основных электрических параметров волноводной фазированной антенной решетки, определение ее основных габаритных параметров.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 18.05.2013Определение геометрических параметров антенны. Выбор и расчет параметров облучателя: его геометрические параметры, определение фазового центра, создание требуемой поляризации поля. Расчет электрических характеристик антенны и особенностей ее конструкции.
курсовая работа [499,9 K], добавлен 21.03.2011Расчет размеров и параметров рупорной антенны. Линия передачи - фидерный тракт антенны. Вычисление КПД антенно-фидерного тракта и мощности передатчика. Эксплуатация антенно-фидерного устройства. Определение типа волновода исходя из размеров сечения.
практическая работа [150,7 K], добавлен 05.12.2010
