Расчет двугранной логопериодической антенны
Расчет геометрических параметров логопериодических антенн (ЛПА). Параметры для синтеза плоскостных и проволочных двугранных ЛПА. Расчетные значения координат вибраторов. Мостиковое симметрирующее устройство. Расчет системы питания проволочной ЛПА.
Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
Вид | курсовая работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 22.01.2012 |
Размер файла | 1,9 M |
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://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Оглавление
Введение
1. Расчет геометрических параметров антенны
2. Расчет электрических параметров антенны
3. Система питания проволочной ЛПА
Заключение
Библиографический список
Приложение А (Диаграммы направленности проволочной ЛПА)
Приложение Б
Приложение В (Замечания руководителя)
ВВЕДЕНИЕ
Логопериодические антенны (ЛПА) относятся к классу широкополосных антенн, сохраняющих при изменении частоты как форму ДН, так и входное сопротивление. Их конструкция основана на принципе электродинамического подобия. ЛПА представляют собой в самом общем случае набор щелевых и вибраторных излучателей увеличивающихся размеров. [1]
Каждый излучатель интенсивно возбуждается в определенной полосе частот, близкой к его резонансной частоте. Если размеры излучателя выбраны так, что в этой полосе его ДН и входное сопротивление меняются незначительно, а периодичность изменения размеров излучателей такова, что рабочие полосы примыкают друг к другу, то антенна будет сохранять свои характеристики в весьма широкой полосе частот. Так как свойства излучателей изменяются в зависимости от относительного изменения частоты, то электрические свойства антенны оказываются периодической функцией логарифма частоты. Отсюда и происходит название рассматриваемого класса антенн: логопериодические антенны.
На рисунке 1 изображена двугранная логопериодическая антенна с плоскостными трапецеидальными выступами.
Рисунок 1 - ЛПА с плоскостными трапецеидальными выступами
Если плоскости, в которых расположены оба полотна плоской ЛПА, повернуть к друг другу около штрих-пунктирной линии, так, чтобы они образовали двугранный угол величиной ?, то образуется двугранная ЛПА.
Размеры излучающих элементов ЛПА пропорциональны их расстоянию от вершины структуры (точки возбуждения). Поэтому в соответствии с рисунком 1 для двугранных ЛПА основными параметрами являются: углы ?, ? и ?; ? - отношение расстояний от вершины до одноимённых краёв двух соседних трапецеидальных (или другой формы) выступов; ? - отношение расстояний от вершины до внутреннего и внешнего края одного выступа.
Параметр называется периодом структуры ЛПА. Он определяет ее конструктивные размеры и частотные свойства.
Двугранные ЛПА из плоскостных элементов имеют более стабильные характеристики в диапазоне частот и наибольшую диапазонность при заданных габаритах. Но их конструкция сложнее, они имеют заметный вес и парусность, поэтому удобно реализуемы в сантиметровом и коротковолновой части дециметрового диапазона. В коротковолновом, метровом и дециметровом диапазонах более подходящими являются ЛПА с проволочными структурами, с трапецеидальными или треугольными зубцами. Длина треугольных зубцов должна быть примерно на 20% больше, чем длина трапецеидальных зубцов.
Логопериодические антенны широко применяются как самостоятельные широкополосные антенны в УКВ и КВ диапазонах. Для увеличения направленности из ЛПА часто формируют линейные и плоские антенные решетки. Двугранные ЛПА с плоскостными трапецеидальными элементами рекомендуются как облучатели зеркальных и линзовых антенн [2].
1. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ
Исходя из поставленного задания для проектирования двухгранной ЛПА, приведенного в таблице 1 (вариант 02), произведем расчет геометрических параметров.
Т а б л и ц а 1 - Параметры для синтеза плоскостных и проволочных двугранных ЛПА
Последняя цифра номера студ. билета |
2 |
|
fмин...fмакс, МГц |
150...900 |
|
L/?макс(± 10%) |
2,5 |
|
Предпоследняя цифра номера студ. билета |
0 |
|
???0,5 ср в пл. Е (не более) |
75 |
|
???0,5 ср в пл. Н (не более) |
90 |
|
КСВ (не более) |
1,8 |
Рассчитаем диапазон длин волн , м, и , м, по формуле:
, , (1)
, .
Коэффициент перекрытия будет равен:
.
Определяем максимальную и минимальную длины вибраторов lmax,м, и lmin,м по формуле:
,, (2)
,
.
Руководствуясь полученными данными выберем тип конструкции. Опираясь на расчетные размеры, отдадим предпочтение проволочной двугранной ЛПА, поскольку плоскостная двугранная ЛПА при таких габаритах будет иметь большую парусность.
Сопоставив задание и данные таблицы 2, выберем подходящие геометрические параметры (таблица 3).
Т а б л и ц а 2 - Параметры двугранных проволочных ЛПА для ? ? 0,7
Геометрические параметры |
Средняя ширина ДН |
Gмакс относительно 1,5 дБ |
Fб.макс, дБ |
||||
, град |
|
, град |
20,5 (Е), град |
20,5 (Н), град |
|
||
75 |
0,4 |
30 |
74 |
155 |
3,5 |
12,4 |
|
75 |
0,4 |
45 |
72 |
125 |
4,5 |
11,4 |
|
75 |
0,4 |
60 |
73 |
103 |
5,3 |
8,6 |
|
60 |
0,4 |
30 |
85 |
153 |
3,0 |
12,0 |
|
60 |
0,4 |
45 |
86 |
112 |
4,2 |
8,6 |
|
60 |
0,4 |
60 |
87 |
87 |
5,3 |
7,0 |
|
75 |
0,5 |
30 |
66 |
126 |
4,9 |
17,0 |
|
75 |
0,5 |
45 |
67 |
106 |
5,6 |
14,9 |
|
75 |
0,5 |
60 |
68 |
93 |
6,1 |
12,75 |
|
60 |
0,5 |
30 |
70 |
118 |
4,9 |
17,7 |
|
60 |
0,5 |
45 |
71 |
95 |
5,8 |
14,0 |
|
60 |
0,5 |
60 |
71 |
77 |
6,7 |
9,5 |
|
60 |
0,6 |
45 |
67 |
85 |
6,5 |
15,8 |
|
60 |
0,707 |
45 |
64 |
79 |
7,0 |
15,8 |
|
45 |
0,707 |
45 |
66 |
66 |
7,7 |
12,3 |
Т а б л и ц а 3 - Параметры двугранных проволочных ЛПА для ? ? 0,7
Геометрические параметры |
Средняя ширина ДН |
Gмакс относительно 1,5 дБ |
Fб.макс, дБ |
||||
, град |
|
, град |
20,5 (Е), град |
20,5 (Н), град |
|
||
60 |
0,5 |
60 |
71 |
77 |
6,7 |
9,5 |
Выбор типа конструкции двугранной ЛПА произведём по таблице 4:
Т а б л и ц а 4 - Усредненные характеристики ЛПА
Тип ЛПА |
Кп |
Форма ДН |
2? в пл. Е |
2? в пл. Н |
Gмакс, дБ |
Zвх, Ом |
КСВ (макс) |
|
Проволочные двугранные ЛПА с треугольными зубцами |
10 |
однонаправленная |
70 |
89 |
100 |
1,5 |
Примем период структуры равным .
Обычно ? принимают , при этом отношение ширины выступа к ширине паза с обеих сторон от оси каждого полотна ЛПА оказывается одинаковым.
Отсюда:
0,7
Исходя из значения периода структуры находим требуемое число вибраторов ЛПА по формуле (5):
, (5)
где n - число вибраторов,
отсюда:
,
.
Примем число вибраторов равным n = 3.
Длину одной плоскости антенны L, м, получим из формулы [2]:
, (6)
.
Определяем расстояния от вершины до краёв выступов антенны из формул:
где:
Расстояния от вершины до краёв выступов антенны представлены в таблице 5:
Т а б л и ц а 5 - Расcтояния R
№ R |
R1 |
R2 |
R3 |
|
R, м |
0,866 |
0,433 |
0,262 |
Расстояния от вершины до краёв выступов антенны представлены в таблице 6:
Т а б л и ц а 6 - Расстояния r
№ r |
r1 |
r2 |
r3 |
|
r, м |
0,606 |
0,303 |
0,152 |
На рисунке 2 изображен эскиз одной грани логопериодической проволочной антенны.
Рисунок 2 - Эскиз одной грани логопериодической проволочной антенны.
Эскиз одной грани логопериодической проволочной антенны с полученными параметрами приведён в приложении Б - рисунок Б.1.
2. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ
Получим электрические параметры антенны путем моделирования на ПЭВМ в программе MMANA . Для этого введем координаты вибраторов антенны, источник питания и частоту на которой будут произведены расчеты.
В качестве исходных данных для расчета ДН проволочной ЛПА будем использовать геометрические параметры представленные ниже:
- углы ,;
- - отношение расстояний от вершины до одноимённых краёв двух соседних трапецеидальных выступов;
- - отношение расстояний от вершины до внутреннего и внешнего края одного выступа.
Вид смоделированной антенны представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 - Вид смоделированной ЛПА
Проведем расчеты на средней частоте рабочего диапазона - 500 МГц.
Полученные ДН для плоскостей Е и Н приводятся в приложении А. Рабочее окно программы MMANA приводятся в приложении Б - рисунок Б.2.
Ширина луча рассчитанной диаграммы направленности на уровне половинной мощности (уровень минус 3 дБ) для H - плоскости равна , для Е - плоскости равна , что удовлетворяет условиям. В таблице 7 приведены расчётные значения координат вибраторов.
Т а б л и ц а 7 - Расчетные значения координат вибраторов
Расчёт значения координат вибраторов были получены путём моделирования в программе MMANA.
КНД, дБ антенны D равен 7,03 на частоте 500 МГц. На рисунке 4 показаны полученные зависимости КНД (кривая 1, ось GA, дБ) и отношение излучения вперед - назад (кривая 2, ось FB, дБ) от частоты.
Рисунок 4 - Графики зависимости КНД и уровня излучения вперед - назад от частоты
3. СИСТЕМА ПИТАНИЯ проволочной ЛПА
Важную роль в работе антенного устройства играет линия питания (фидерный тракт), которая передает (канализирует) электромагнитную энергию от генератора к антенне (или от антенны к приемнику). Фидер не должен излучать электромагнитные волны и должен иметь минимальные потери. Его необходимо согласовать с выходной цепью передатчика (или с входной цепью приемника) и с входным сопротивлением антенны, т.е. в фидере должен существовать режим бегущей волны или близкий к нему.
В качестве линии питания используем коаксиальный кабель с волновым сопротивлением Ом.
Для симметрирования несимметричного коаксиального кабеля с входом антенны используем мостиковое симметрирующе устройство, представленное на рисунке 5.
Рисунок 5 - Мостиковое симметрирующе устройство
логопериодический антенна питание проволочный
Устройство представляет собой две трубки с закорачивающим мостиком, которые присоединяются к вибратору, образуя четвертьволновой металлический изолятор. Через одну трубку пропускается коаксиальный кабель, внешний проводник которого соединяется с ней в точке , а внутренний проводник соединяется с другой трубкой в точке . Это устраняет возбуждение внешней поверхности кабеля и обеспечивает симметричное питание обеих половин вибратора. Для устранения паразитного излучения и защиты от внешних воздействий симметрирующий шлейф может помещаться в дополнительный экран [4]. Симметрирующий мостик не нарушает согласования, так как его входное сопротивление очень велико во всей полосе частот и не шунтирует антенну.
Представим общее входное сопротивление , антенны, в виде эквивалентной схемы.
Рисунок 6 - Эквивалентная схема общего входного сопротивления , антенны
Откуда делаем вывод, что сопротивления Zлог,Ом, и Zш,Ом, соединены параллельно, и получаем формулу для нахождения , Ом.
(10)
где
Zлог - волновое сопротивление структуры.
Zш - сопротивление шлейфа.
Входное сопротивление ЛПА в рабочем диапазоне почти чисто активное и колеблется около значения волнового сопротивления структуры Zлог , Ом.
Волновое сопротивление для ЛПА из пластинчатых и проволочных структур определяется формулой[3]:
, (11)
,
,
где
.
Сопротивление шлейфа определяется формулой[4]:
(12)
- электрическая длина отрезка линии передач [4],
- длина симметрирующего устройства,
Zв- волновое сопротивление шлейфа.
Найдём длину симметрирующего устройства , м, по формуле:
, (13)
,
,
.
Для нахождения Zв, введём параметры симметрирующего устройства и воспользуемся формулой[4]:
(14)
d- диаметр проводников, cм;
D- расстояния между центрами проводников, см;
-диэлектрическая проницаемость среды (для воздуха = 1)
d=1.2 cм; D=50 см;
Подставим в формулу (10) все полученные значения и найдём ZвхА, Ом.
В таблице 8 представлены значения общего входного сопротивления антенны
Т а б л и ц а 8 - Общее входное сопротивление антенны.
f, МГц |
150 |
300 |
400 |
500 |
|
ZвхА, Ом |
103.7+17.375i |
106.4+5.12i |
101.5+24.7i |
97.7+29.6i |
|
f, МГц |
600 |
700 |
800 |
900 |
|
ZвхА, Ом |
100.9+23.9i |
105.2+11.7i |
106.5+2.25i |
103.5+17.8i |
Рассчитаем КСВ по формуле:
, (15)
где - коэффициент отражения, который находится по формуле:
, (16)
где
(17)
В таблице 9 представлены значения модуля коэффициента отражения
Т а б л и ц а 9 - Модуль коэффициента отражения
f, МГц |
150 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
|
|
0.186 |
0.174 |
0.199 |
0.21 |
0.198 |
0.179 |
f, МГц |
800 |
900 |
|
|
0.176 |
0.187 |
Расчет КСВ произведем с помощью ЭВМ по формуле (15).
В таблице 10 приводятся расчетные значения КСВ.
Т а б л и ц а 10 - Расчетные значения КСВ
f, МГц |
150 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
|
КСВ |
1.46 |
1.421 |
1.49 |
1.54 |
1.495 |
1.44 |
f, МГц |
800 |
900 |
|
КСВ |
1.43 |
1.46 |
Полученные значения КСВ удовлетворяют заданным требованиям.
График зависимости КСВ от частоты в диапазоне от 150 мГц до 900 мГц показан на рисунке 7.
Рисунок 7 - Зависимость КСВ от частоты в диапазоне от 150 мГц до 900 мГц
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе выполнения курсовой работы спроектирована проволочная двухгранная логопериодическая антенна с треугольными зубцами, которая удовлетворяет требованиям технического задания. Произведен расчет диаграммы направленности, подтверждающий соответствие рассчитанной антенны требованиям технического задания.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кочержевский, Г.Н. Антенно-фидерные устройства [Текст]: Учебник для вузов/ Г.Н. Кочержевский, Г.А. Ерохин, Н.Д. Козырев. - М. : Радио и связь, 1989. - 352 с. : ил.
2. Жук, М.Е. Проектирование линзовых, сканирующих широкодиапазонных антенн и фидерных устройств [Текст] / М.Е. Жук, Ю.Б. Молочков. - М.: Энергия, 1973. - 440 с.
3. Окорочков, А.И. Устройства СВЧ и антенны [Текст]: учебно-методическое пособие для выполнения курсовой работы: В 4-х ч. Ч.2: Линейные излучающие системы./ А.И. Окорочков. - Шахты: ЮРГУЭС, 2006. - 46 с.
4. Сазонов, Д.М. Антенны и устройства СВЧ [Текст]: учебник для радиотехнич. спец. вузов /Д.М. Сазонов. - М.: Высш. шк., 1988. - 432 с.: ил.
5. СТО 01-09. Стандарт организации: Курсовые и дипломные проекты (работы). Основные требования к объёму и оформлению [Текст]. - Взамен СТП 01-01; Дата введ. 2009.04.01 / ЮРГУЭС. - Шахты: ЮРГУЭС, 2009. - 40 с.
6. Окорочков, А.И. Устройства СВЧ и антенны [Текст]: учебно-методическое пособие. Всё о программе MMANA ./ А.И. Окорочков. - Шахты: ЮРГУЭС, 2006. - 27 с.
Приложение А
Диаграммы направленности проволочной ЛПА
а)
б)
Рисунок А.1 - Диаграммы направленности проволочной ЛПА для плоскостей Е(а) и H(б) на частоте 500МГц.
Приложение Б
Рисунок Б.1 - Эскиз одной грани ЛПА
Рисунок Б.2 - Рабочее окно в программе MMANA
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ЗАМЕЧАНИЯ РУКОВОДИТЕЛЯ
Дата |
Содержание замечания |
Отметка об устранении замечания |
|
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Общая характеристика, принцип работы и схематическое изображение логопериодической антенны. Геометрический расчет коэффициента направленного действия и рабочего интервала частот антенны. Проектирование конструкции антенны с помощью программы MMANA.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 27.10.2011Определение 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 21.03.2011Теоретические сведения об антенне. Аналитический расчет синтезируемой антенны. Расчет согласующего устройства. Количество вибраторов в этаже антенны. Длина короткозамкнутых шлейфов, компенсирующих реактивную составляющую входных сопротивлений вибраторов.
курсовая работа [752,1 K], добавлен 10.01.2016Основные соотношения, выбор рабочего типа волны и фидера. Описание конструкции антенны и АФР на ее раскрыве. Расчет параметров геометрических и электрических характеристик антенн круговой поляризации. Результаты численного моделирования антенны.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 20.05.2011Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя и параболоида. Определение геометрических и электродинамических характеристик поля. Построение пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны.
курсовая работа [366,6 K], добавлен 04.03.2011Применение и устройство зеркальных параболических антенн, их преимущества и недостатки. Выбор геометрических размеров рупорного облучателя и зеркала. Построение диаграммы направленности антенны. Расчет фидерного тракта, вращающихся сочленений и узлов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 20.02.2013Преимущество диэлектрических антенн, простота конструкции и малые поперечные размеры. Определение диаметра стержня. Расчет коэффициента замедления. Диаграмма направленности конической диэлектрической стержневой антенны в декартовой системе координат.
контрольная работа [1,4 M], добавлен 16.08.2015Расчет геометрических размеров полотна и рефлектора секторной антенны, реактивного шлейфа. Определение количества вибраторов в этаже и конструкции рефлектора, количества этажей антенны. Диаграмма направленности в вертикальной и горизонтальной плоскости.
контрольная работа [246,3 K], добавлен 20.12.2012Расчет основных электрических характеристик схемы питания и направленных свойств антенн, входящих в состав спутниковых систем радиосвязи, телевидения и радиорелейных линий связи. Определение коэффициента полезного действия фидера бортовой антенны.
курсовая работа [38,9 K], добавлен 12.02.2012Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя и параболоида; геометрических и электродинамических характеристик поля излучения. Определение параметров параболической антенны, ее конструкции и пространственной диаграммы направленности.
курсовая работа [397,5 K], добавлен 19.11.2010