Размещено на http://www.allbest.ru/

Параметрический синтез антенны базовой станции по заданным требованиям к диаграмме направленности



Оглавление

1. Введение

2. Теоретические сведения о синтезируемой антенне

3. Моделирование антенны

4. Аналитический расчет синтезируемой антенны

5. Расчет согласующего устройства

6. Заключение

7. Список использованной литературы

8. Чертеж габаритный синтезированной антенны

9. Диаграмма направленности синтезированной антенны

1. Введение

В данном индивидуальном задании необходимо произвести синтез антенны базовой станции, представляющей из себя эквидистантную фазированную антенную решётку, по заданным требованиям к диаграмме направленности с последующим расчетом согласующего устройства.

Содержание работы:

Синтез антенны по заданным требованиям диаграммы направленности.

Общие сведения:

Антенна представляет собой двумерную эквидистантную решётку линейных симметричных вибраторов с рефлектором. Возбуждение решётки равноамплитудное. Поляризация вертикальная.

Определению подлежат:

1. количество вибраторов в этаже антенны;

2. количество этажей;

3. расстояние между вибраторами в этаже

4. межэтажное расстояние;

5. длина короткозамкнутых шлейфов, компенсирующих реактивную составляющую входных сопротивлений вибраторов;

Рекомендуемые оптимальные значения некоторых параметров:

1. Длина вибратора 0,5.

2. Межэтажное расстояние около 0,1 -0,75.

3. Расстояние до рефлектора 0,25.

4. Выступание рефлектора за активное полотно антенны по вертикали не менее 0,1.

2. Теоретические сведения о синтезируемой антенне

Фазированная антенная решётка -- тип антенн, в виде группы антенных излучателей, в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях.

Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения. Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы, часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов, щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны.

Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР. В ряде случаев, например когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР.

В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов:

вдоль линии (прямой или дуги);

по поверхности (например, плоской - в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической);

в заданном объёме (объёмные ФАР).

Иногда форма излучающей поверхности ФАР - раскрыва, определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР. ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву (как в синфазной антенне) до направления вдоль раскрыва (как в антенне бегущей волны). Коэффициент направленного действия (КНД) плоской ФАР при отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения широкоугольного сканирования (в больших пространственных углах - вплоть до 4 стерадиан без заметного снижения КНД используют ФАР с неплоским (например, сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР, ориентированных в различных направлениях. Сканирование в этих системах осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей и их фазирования.

По характеру распределения излучателей в раскрыве различают эквидистантные и неэквидистантные ФАР. В эквидистантных ФАР расстояния между соседними элементами одинаковы по всему раскрыву. В плоских эквидистантных ФАР излучатели чаще всего располагают в узлах прямоугольной решётки (прямоугольное расположение) или в узлах треугольной сетки (гексагональное расположение).

Расстояния между излучателями в эквидистантных ФАР обычно выбирают достаточно малыми (часто меньше рабочей длины волны), что позволяет формировать в секторе сканирования ДН с одним главным лепестком (без побочных дифракционных максимумов - т. н. паразитных лучей) и низким уровнем боковых лепестков; однако для формирования узкого луча (т. е. в ФАР с большим раскрывом) необходимо использовать большое число элементов.

В неэквидистантных ФАР элементы располагают на неодинаковых расстояниях друг от друга (расстояние может быть, например, случайной величиной). В таких ФАР даже при больших расстояниях между соседними излучателями можно избежать образования паразитных лучей и получать ДН с одним главным лепестком. Это позволяет в случае больших раскрывов сформировать очень узкий луч при сравнительно небольшом числе элементов; однако такие неэквидистантные ФАР с большим раскрывом при малом числе излучателей имеют более высокий уровень боковых лепестков и, соответственно, более низкий КНД, чем ФАР с большим числом элементов. В неэквидистантных ФАР с малыми расстояниями между излучателями при равных мощностях волн, излучаемых отдельными элементами, можно получать (в результате неравномерного распределения плотности излучения в раскрыве антенны) ДН с более низким уровнем боковых лепестков, чем в эквидистантных ФАР с таким же раскрывом и таким же числом элементов.

3. Моделирование антенны

антенна шлейф реактивный сопротивление

В системе MMANA-GAL создадим два вибратора длиной 0,5, так как в задании требуется использовать четвертьволновый вибратор, и рефлектор на рекомендуемом расстоянии, состоящий из семи проволок отстоящих друг от друга на расстоянии 0,05. Начальное расстояние между вибраторами примем равным 0,2 Для упрощения расчетов зададим число сегментов в поле Seg равным 10. Запустим расчет и получим следующую диаграмму направленности:



Рисунок 1. Диаграммы направленности моделируемой антенны

Рисунок 2. Трехмерное изображение моделируемой антенны

Так как ширина главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости превышает необходимую величину, будем последовательно увеличивать расстояние между вибраторами и наблюдая за ДН.

После ряда наблюдений получили необходимую ширину главного лепестка ДН, расстояние между вибраторами составило 0,62, а число проволок в рефлекторе увеличилось и стало ровняться пятнадцати.



Рисунок 3. Трехмерное изображение моделируемой антенны

Рисунок 4. Диаграмма направленности моделируемой антенны

Так как ширина главного лепестка ДН в вертикальной плоскости больше установленной в техническом задании, будем последовательно увеличивать этажность. При этом высота рефлектора также будет увеличиваться.

Увеличив число этажей до четырёх, мы добились необходимого значения ширины главного лепестка ДН в вертикальной плоскости.

В результате данного моделирования мы получили антенну представленную на рисунке 5 в трехмерном виде и диаграмму направленности на рисунке 6.

Рисунок 5. Трехмерный вид моделируемой антенны

Рисунок 6. Диаграмма направленности моделируемой антенны

Далее нам необходимо наклонить главный лепесток ДН в вертикальной плоскости на Так как у нас четное количество этажей, то будем брать фазы кратные .

После выбора нескольких фаз, приходим к выводу, что оптимально взять Подставив соответствующие значения фаз в поле Phase dg и запустив вычисление, получаем диаграмму направленности с необходимым углом наклона главного лепестка в вертикальной плоскости.

Рисунок 7. ДН с наклоном главного лепестка ДН в вертикальной плоскости

Как видно из ДН уровень бокового излучения не более -10дБ, а уровень заднего излучения не превышает -22дб, что удовлетворяет требованиям технического задания.

4. Аналитический расчет синтезируемой антенны

Все размеры смоделированной антенны записаны в относительной величине к длине волны. Для конструирования данной антенны эти величины необходимо перевести в метры и сантиметры.

,

где - скорость света, - частота работы антенны.

Из этой формулы получаем, что длина четвертьволнового вибратора:



тогда длина плеча составляет 2,625см.

Расстояние между соседними вибраторами в этаже составляет:

Расстояние до рефлектора:

Расстояние между проволоками рефлектора:

Длина проволоки рефлектора:

Ширина полотна рефлектора:

Расстояние между этажами:

5. Расчет согласующего устройства

Рисунок 8. Короткозамкнутый реактивный шлейф

Формула трансформации сопротивлений:

,

- коэффициент фазы в линии передачи.

- относительная диэлектрическая проницаемость.

Сопротивление короткозамкнутого шлейфа:

, если .

Отсюда видно, что входное сопротивление короткозамкнутого шлейфа имеет реактивную характеристику.



, иначе

Согласование по активной составляющей входного сопротивления проведём при помощи ступенчатого перехода на коаксиальной линии связи. Рабочую характеристику в полосе частот от до аппроксимируем при помощи полинома Чебышева первого рода n-ого порядка

Перепад волновых сопротивлений:

Масштабный множитель:

КСВ=1,2

Данное КСВ удовлетворяет требованиям технического задания.

6. Заключение

В результате выполнения индивидуального задания была разработана антенна базовой станции, представляющая собой эквидистантную фазированную антенную решетку.

Смоделированная антенна полностью удовлетворяет всем требованиям, которые предъявляются к ней в техническом задании. Из этого можно сделать вывод, что работа выполнена в полном объёме.

Смоделированная антенна имеет следующие геометрические размеры:

длина четвертьволнового вибратора: 5,25(см),

длина плеча вибратора: 2,625(см),

расстояние между соседними вибраторами в этаже составляет: 6,51(см),

расстояние до рефлектора: 2,65(см),

расстояние между проволоками рефлектора: 0,525(см),

длина проволоки рефлектора: 26,25(см),

ширина полотна рефлектора: 7,35(см),

расстояние между этажами: 1,05(см).

7. Список использованной литературы

1. Перепелкин А.И., Баскакова И.В. Усилительные устройства: Методические указания к курсовой работе. - Рязань. : РГРТА, 2007. 36 с.

2. Перепелкин А.И., Баскакова И.В. Анализ электронных схем: Методические указания к лабораторным и практическим занятиям. РГРТА, 2014. 32 с.

3. Лаврененко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам: Киев, «Техника», 2007, 376с.

4. В.В. Шмытинский, В.П. Глушко Многоканальные системы передачи

5. Комаров М.Ю. Контрольно-измерительное оборудование для монтажа и эксплуатации волоконно-оптических линий связи // Метрология. - 2008 - № 1.

6. Иванов А.Б. Волоконная оптика: Компоненты, системы передачи, измерения. - М.: Компания Сайрус Системс, 2011.

8. Чертеж габаритный синтезированной антенны

9. Диаграмма направленности синтезированной антенны

Рисунок 9. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости.

Рисунок 10. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости.

Чтобы измерить ширину главного лепестка ДН в вертикальной плоскости, а также угол наклона главного лепестка, произведём вращение антенны относительно оси У.

Рисунок 11. Угол наклона главного лепестка в вертикальной плоскости.

Данный угол наклона соответствует требованиям индивидуального задания.

Рисунок 12. Ширина главного лепестка ДН в вертикальной плоскости.

Полученная ширина главного лепестка ДН в вертикальной плоскости также соответствует требованиям индивидуального задания.

Размещено на Allbest.ru