Расчет антенного устройства и частотно избирательной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Самарский Государственный Аэрокосмический Университет имени академика С.П. Королева

Пояснительная записка

по дисциплине “Устройства СВЧ и антенны”

Расчёт антенного устройства и частотно избирательной системы

Выполнил:

Дорофеев А.С.

Проверил:

Рахаев А. А.

Самара 2011

Содержание

Введение

1. Расчёт антенны

1.1 Выбор типа антенны

1.2 Расчет размеров рупора

1.3 Расчёт диаграммы направленности

1.4 Расчёт фазирующей секции

1.5 Расчёт размеров волновода и возбуждающего устройства

2. Расчёт частотно избирательного устройства

2.1 Выбор типа ЧИС и общих параметров МПЛ

2.1 Расчёт полосового фильтра первого канала

2.1 Расчёт полосового фильтра второго канала

2.2 Расчёт основных параметров

2.3 Моделирование в программе Microwave Office

Заключение

Список использованных источников

Перечень сокращений

Введение

Проектирование СВЧ устройства является наиболее актуальным вопросом сегодняшнего дня. Объем передаваемой информации с каждым годом возрастает, поэтому системы связи должны непрерывно совершенствоваться. Техника СВЧ, особенно широкое применение, находит в системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации, радиоастрономии и медицине.

В данной курсовой работе рассматривается антенное устройство, обеспечивающее прием сигнала, рассчитываются характеристики отдельных блоков.

Данное устройство может быть установлено в качестве бортовой аппаратуры на летательных аппаратах.

1. Расчёт антенны

1.1 Выбор типа антенны

Для решения данного задания выберем в качестве антенны рупор, так как по заданию не требуется острая диаграмма направленности, антенна должна быть достаточно диапазонной и она должна работать в широком диапазоне частот. Данными характеристиками и обладает рупорная антенна. Для формирования круговой поляризации применим фазирующую секцию в раскрыве антенны.

Рупорная антенна с круговой поляризацией (рисунок 1) состоит из следующих элементов:

1. Возбуждающего устройства;

2. Волновод;

3. Рупор;

4. Фазирующая секция.

Рисунок 1 - Рупорная антенна с круговой поляризацией

1.2 Расчет размеров рупора

Все расчёты рупора в данной части расчёта относятся к расчёту оптимального рупора, то есть фазовая ошибка в раскрыве рупора не превышает допустимой величины, и фронт волны в раскрыве считается плоским [1]. На рисунке 2 показаны основные размеры рупора в Н и Е плоскостях. Тип рупора возьмём пирамидальный клинообразный.

Из заданного диапазона работы антенны берём минимальную рабочую частоту антенны = 8,85 ГГц, тем самым обеспечим максимально заданную ширину диаграммы направленности рупора в самых плохих условиях.

Тогда максимальная длина волны в свободном пространстве будет равна:

;

где: с - скорость света;

- минимальная рабочая частота антенны.

Рисунок 2 - Размеры рупора в Н и Е плоскостях

По заданной ширине диаграммы направленности рассчитаем размеры раскрыва рупора ap и bp по формулам 1 и 2.

где: - максимальная ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по мощности в рабочем диапазоне частот в горизонтальной плоскости;

- максимальная ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по мощности в рабочем диапазоне частот в вертикальной плоскости.

Рассчитав ap и bp, по по формулам 3 и 4 находим оптимальные размеры рупора и .

Для пирамидального рупора размеры и могут быть различными и несовместимыми. В этом случае берётся наибольшее значение с там, чтобы фазовые искажения в раскрыве рупора не превысили допустимых [1].

Вычислим углы раскрыва рупора по формулам 6 и 7:

Коэффициент направленного действия рупора определяется по формуле 8, для оптимального пирамидального рупора коэффициент использования поверхности =0,52.

Коэффициент усиления рупора определяется по формуле 9, для рупоров коэффициент полезного действия =1.



Найдём значение волнового числа k по формуле 10:

1.3 Расчёт диаграммы направленности

Для пирамидального рупора с оптимальной фазовой ошибкой в раскрыве рупора диаграмма направленности в плоскостях Е и Н может быть приближенно рассчитана по формулам 11 и 12 [2].

Расчёт и построение графиков ДН пирамидального рупора в Н и Е плоскостях по формулам 11 и 12, проведём в программе Mathcad 14. Графики ДН пирамидального рупора в Н и Е плоскостях показаны на Рисунке 3 в декартовой системе координат и на Рисуноке 4 в полярной системе координат.



Рисунок 3 - График ДН рупора в Н и Е плоскостях декартовой системе координат

Рисунок 4 - График ДН рупора в Н и Е плоскостях полярной системе координат

Из графиков Рисунок 3 и Рисунок 4 видно, что ширина диаграммы направленности для Н и Е плоскостей по уровню 0,707 приближённо равна 66 градусов, что соответствует заданной максимальной ширине ДН в Н и Е плоскостях.

Также из графиков мы видим, что боковые лепестки отсутствуют, в следствии заданной оптимальной фазовой ошибки в раскрыве рупора, а значит и не превышают заданного уровня 20 дБ.

1.4 Расчёт фазирующей секции

Для обеспечения круговой поляризации в рупорную антенну помещают фазирующие секции. Поместим в раскрыв рупора фазирующую секцию.

Рисунок 5-Рупорная антенна с фазирующей секцией

Такая фазирующая секция состоит из наклоненных под углом 45 градусов параллельных металлических пластин, расположенных в раскрыве рупора. Принцип работы таких пластин основан на том, что падающее на пластины линейно поляризованное поле (например, вертикально поляризованное поле) может быть разложено на две взаимно перпендикулярные составляющие поля (Etg и En) с одинаковыми фазами и амплитудами (рисунок 6). Тонкие металлические пластинки влияют на скорость распространения только той составляющей поля, электрический вектор которой параллелен пластинам т.е. Etg.



Рисунок 6- Разложение поля металлическими пластинами в раскрыве рупора

Выбирая расстояние между пластинами X и их ширину l, можно получить необходимый сдвиг фаз между составляющими поля.

Расстояние между пластинами выбирается из следующего неравенства:

Возьмём .

Ширина пластин l фазирующей секции, при которой на ее выходе две взаимно перпендикулярные составляющие поля Etg и En будут сдвинуты по фазе на 90 градусов, определяется по формуле 14 [3]:

1.5 Расчёт размеров волновода и возбуждающего устройства

Выбор размеров поперечного сечения прямоугольного волновода а и b рисунок 7, производится из условия распространения в волноводе только одного типа волны H10:

Примем .

Размер b должен удовлетворять условию:

(16)

В

Рисунок 7 - Прямоугольный волновод с установленным наклонным штырем

Длина отрезка волновода L от возбуждающего штыря до закорачивающей стенки выбирается из условия согласования с питающей коаксиальной линией.

Длина волновода L1 от возбуждающего устройства до горловины рупора выбирается из условия фильтрации высших типов волн. Вблизи штыря кроме волны H10 возбуждается множество высших типов волн, все они оказываются в за критическом режиме и по мере движения к рупору затухают по экспоненте. Высшие типы волн не должны проходить в горловину рупора, а затем в его раскрыв, для этого их амплитуда должна уменьшиться на длине L1 примерно в 100 раз. Ближайшей к основной высшей волной в таком возбуждающем устройстве является волна H20. Для уменьшения её амплитуды в 100 раз величину L1 выражают из уравнения:

Где kН20, kН10- постоянные распространения волн Н20 и Н10 соответственно.

Вычисляя формулу 10 в программе Mathcad 14, находим что L1=0,0195м=19,5мм

Найдем расстояние от раскрыва до горловины рупора h, взяв наибольшее значение :

Находим положение штыря на широкой стенке волновода (по середине);

Вычисляем длину волны в волноводе:

Волновое сопротивление волновода вычисляем по формуле (10):

Критерием согласования возбуждающего устройства с волноводом служит режим бегущей волны в коаксиальном питающем фидере, т.е. равенство входного сопротивления Rвх возбуждающего устройства волновому сопротивлению фидера ф, Rвх=ф по заданию 50 Ом.

Действующая высота штыря в волноводе hд, геометрическая высота которого l определяется по следующей формуле:

Из формулы (12) найдем геометрическую высоту штыря

2. Расчёт частотно избирательного устройства

2.1 Выбор типа ЧИС и общих параметров МПЛ

В соответствии с заданием необходимо спроектировать частотно-избирательное устройство, состоящее из делителя мощности и двух фильтров. Полоса пропускания первого фильтра 8,0…9 ГГц, второго 9,3…9,7 ГГц. Первым делом перед проектированием фильтров выбираем материал и толщину подложки. Эти параметры нужно выбирать первыми, так как они относятся не только к фильтрам, но ко всему устройству в целом. Согласно заданию делитель и фильтры должны выполняться на микрополосковых линиях. Целесообразно их выполнить на одной подложке. В качестве материала подложки выбираем ситалл марки СТ32-1, характеристики которого приведены в таблице 1. Отличительные характеристики ситаллов: малая пористость, очень низкое водопоглощение (менее 0,02%) и газопроницаемость, высокая термостойкость, малая теплопроводность, возможность получения подложек с высоким классом обработки поверхности (до 14-го класса). По твердости ситаллы превосходят стекло, обычную керамику и металлы. Наиболее твердые ситаллы близки к закаленным сталям. Стабильные диэлектрические свойства на СВЧ и совместимость ситаллов с технологией интегральных микросхем обусловили их широкое применение и перспективность использования в качестве подложек интегральных микросхем СВЧ.

Таблица 1 - Характеристики материала подложки.

Материал	Марка	ГОСТ или ТУ	Толщина мм	Допуск мм		tg 10-4	Диапазон температур
Ситалл	СТ32-1	ТХ0.781.004ТУ	0,5…2,0	±0,05	9,7…10	4…6	-50…+700

По таблице 1 выбираем =9,8, tg=5·10-4. Выбираем толщину подложки h=1мм

На рисунке 8 приведено поперечное сечение микрополосковой линии.

Рисунок 8 - Поперечное сечение микрополосковой линии.

В качестве слоя металлизации выбираем медь у которой на 10ГГц толщина скин-слоя дс=0,66 мкм. Далее выбирает толщину слоя металлизации Т она должна удовлетворять условию

T?3дс ()

Выбираем Т=2 мкм. Этот параметр так же выбирается для всего устройства.

Отношение

.

2.1 Расчёт полосового фильтра первого канала

Средняя частота полосы пропускания , на границах полосы заграждения затухание равно , на границах полосы пропускания затухание равно .

Произведём расчёт полосового фильтра, используя в качестве прототипа фильтр низкой частоты. Наибольшее распространение получила чебышевская и максимально плоская аппроксимации частотных характеристик. Выбираем чебышевскую аппроксимацию поскольку она обеспечивает более крутые склоны при меньшем числе звеньев фильтра.

Находим число звеньев фильтра

Полученное количество звеньев фильтра полученное по формуле 12 округляем до большего целого числа n=7. Число каскадно-соединенных звеньев фильтра на связанных линиях n+1=8.

Находим значения элементов по рисунку 9 [5] для относительной полосы прототипа равной. рупорный антенна избирательный фазирующий

;

Рисунок 9 - Прототипный ступенчатый переход с чебышевской характеристикой

Тогда:

; ;; .

Определяем велечину переходных затуханий (дБ) связанных звеньев:

;

;

.

По данным расчета определяем контcруктивные размеры элементов фильтра, используя рисунок 10, график рисунка 11, график рисунка 13 полученные результаты сведём в таблицу 2.

Таблица 13 - Конструктивные размеры элементов фильтра первого канала

	0,742	0,964	0,983	0,984
	0,172	1,010	1,44	1,55
	0,742	0,964	0,983	0,984
	0,172	1,01	1,44	1,55
	73	65	65	65
	0,475	0,465	0,465	0,465

Длинна отрезков связанных линий вычисляем по формуле [5]



Далее корректируем длину отрезков связанных линий, уменьшая их на величину[3.4]

Вычислим длину отрезков связанных линий с учётом коррекции

Ширина оконечных 50-омных полосок находится по графику рисунка 13.

Величину активных потерь в фильтре на средней частоте полосы пропускания можно определить по формуле:

,

где - ненагруженная добротность центрально резонатора.

Величину - ненагруженная добротность центрально резонатора, определяем по формуле:

,

,

= 4,62; =65.

Подставляя значения в формулу 39 получим:

.

Значение берем из графика на рисунке 14.

;

.

Согласно формуле (37) активные потери на средней частоте полосы пропускания фильтра:

.

2.1 Расчёт полосового фильтра второго канала

Средняя частота полосы пропускания , на границах полосы заграждения затухание равно , на границах полосы пропускания затухание равно .

Произведём расчёт полосового фильтра, используя в качестве прототипа фильтр низкой частоты. Наибольшее распространение получила чебышевская и максимально плоская аппроксимации частотных характеристик. Выбираем чебышевскую аппроксимацию поскольку она обеспечивает более крутые склоны при меньшем числе звеньев фильтра.

Находим число звеньев фильтра

Полученное количество звеньев фильтра полученное по формуле 12 округляем до большего целого числа n=4. Число каскадно-соединенных звеньев фильтра на связанных линиях n+1=5.

Находим значения элементов по рисунку 9 [5] для относительной полосы прототипа равной

;

Тогда:

; ;.

Определяем величину переходных затуханий (дБ) связанных звеньев:

;

;

По данным расчета определяем контcруктивные размеры элементов фильтра, используя рисунок 10, график рисунка 11, график рисунка 13 полученные результаты сведём в таблицу 2.

Таблица 13 - Конструктивные размеры элементов фильтра первого канала

	0,872	0,990	0,992
	0,45	2,52	2,90
	0,872	0,990	0,992
	0,45	2,52	2,90
	65	60	60
	0,475	0,467	0,467

Длинна отрезков связанных линий вычисляем по формуле [5]

Далее корректируем длину отрезков связанных линий, уменьшая их на величину[3.4]

Вычислим длину отрезков связанных линий с учётом коррекции

Ширина оконечных 50-омных полосок находится по графику рисунка 13.

Величину активных потерь в фильтре на средней частоте полосы пропускания можно определить по формуле:

,

где - ненагруженная добротность центрально резонатора.

Велечину - ненагруженная добротность центрально резонатора, определяем по формуле:

,

,

= 4,59; =60.

Подставляя значения в формулу 39 получим:

.

Значение берем из графика на рисунке 14.

Рисунок 14 - Графики для опрнеделения добротности полосового фильтра

;

.

Согласно формуле (37) активные потери на средней частоте полосы пропускания фильтра:

.

2.2 Расчёт основных параметров

Частоту пропускания прототипа находим как разность центральной частоты и правой граничной частоты полосы пропускания полосового фильтра fП-f0. Аналогично находим и частоту заграждения прототипа.

Делитель настраивается подбором расстояний L1 и L2 по максимальному ослаблению влияния одного канала на другой.

2.3 Моделирование в программе Microwave Office

Моделирование и проверку расчёта частотно-избирательного устройства проведём в программе Microwave Office.

Рисунок 11 - Схема фильтра на 2.0…2.2 ГГц



Рисунок 12 - Схема фильтра на 2.4…2.5 ГГц

Рисунок 13 - АЧХ фильтров.

Как видно из графика на рисунке 12 АЧХ фильтров не соответствуют заданным. Такую погрешность полученных результатов можно объяснить неточностью расчётов, так как многие формулы, используемые в расчётах имеют определённые допущения и не учитывают всех факторов влияющих на параметры фильтров. Кроме того, некоторые данные определялись по графикам, что также отразилось на погрешности полученных результатов.



Заключение

Разработанное устройство, полностью удовлетворяет требованиям технического задания. Данная конструкция проектировалась с учетом использования ее в качестве бортовой аппаратуры на летательных аппаратах.

Список использованных источников

1. Драбкин А.Л., Лузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. Изд. 2-е, доп. и перераб.- М.: Сов. радио, 1974. 543с., ил.

2. Справочник по элементам полосковой техники /Мазепова О.И., Мещанов В.П./ Под ред. А.Л. Фельдштейна.- М.; Связь, 1979. 336 с., ил.

3. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств/ Под ред. В.И. Вольмана.- М.: Радио и связь, 1982. 328 с., ил.

Перечень сокращений

СВЧ - сверхвысокие частоты,

МПЛ - микрополосковая линия передачи,

ЧИС - частотно-избирательное устройство,

ДН - диаграмма направленности.

Размещено на Allbest.ru

...