Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Пространственный спектр (ДН) волноводной антенны, питаемой волной Н10

Введение

Антенна-устройство для излучения и/или приема электромагнитных волн путем прямого преобразования электрического тока в излучение (при передаче) или излучения в электрический ток (при приеме).

Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны. Форма, размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначении антенны. Нашли широкое применение антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников, металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов, волноводов с системой прорезанных щелей, а также многие другие типы.

Целью курсовой работы является обозначение основных параметров антенн, расчет характеристик таких как: коэффициент направленного действия и диаграмма направленности антенны, которые не однократно будут упомянуты в ходе данной работы.

Данная курсовая работа носит больше обзорный характер, чем практический. Основной уклон будет идти в сторону объяснения назначения и роли антенны, а также способах её применения.

1.Антенна в системе приема-передачи информации. Основные параметры современных антенных комплексов

антенна сигнал спектр

Диаграммой направленности (ДН) антенны по полю часто называют зависимость модуля комплексной амплитуды вектора напряженности Е электрической компоненты электромагнитного поля, создаваемой антенной в дальней зоне, от угловых координат и и ц точки наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость E(и,ц).

Чаще ДН обозначается символом ѓ(и,ц). ДН нормируют - все значения E(и,ц) делят на максимальное значение и обозначают нормированную ДН символом F(и,ц).

Диаграмму направленности передающей антенны можно снимать поворачивая её и измеряя напряженность поля в фиксированной точке на частоте передачи. Это измерения дают диаграмму направленности в полярных координатах.

Полярная диаграмма показывает направление, в котором концентрируется энергия антенны.

Если антенна излучает одинаковую мощность во всех направлениях, она называется изотропной или математической моделью, обычно на практике коэффициент усиления (КУ) выражают в децибелах по отношению к эталонному диполю.

Коэффициент усиления (КУ) антенны -- отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности .

Ширина основного лепестка антенны.

Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентрации излучаемой электромагнитной энергии.

Ширина ДН - это угол между двумя направлениями в пределах главного лепестка, в которых амплитуда напряжённости электромагнитного поля составляет уровень 0,707 от максимального значения (или уровень 0,5 от максимального значения по плотности мощности).

2.Волноводные антенны

Классификация волн в волноводах

В основу классификации волн в волноводах положены различия в структурах силовых линий векторов E и H. Эти различия обусловлены характером поляризации плоских волн, отраженных от стенок волновода (парциальных волн) и образующих суммарное поле. Различают три типа волн (полей) в вол-новодах:

· поперечно-магнитные волны, обозначаемые символом ТМ (TransversionMagnetic -поперечно-магнитное);

· поперечно-электрические волны, обозначаемые символом ТЕ, (TransversionElectric - поперечно-электрическое);

· поперечно-электромагнитные волны, обозначаемые символом ТЕМ (TransversionElectro-Magnetic) или волны типа Т;

· смешанные (гибридные) волны.

Рассмотрим подробнее волны типа ТМ, ТЕ и Т.

Волны типа ТМ.Эти волны образуются при сложении плоских волн,от-раженных от стенок, имеющих вертикальную линейную поляризацию. Образо-вание волн типа ТМ иллюстрируется рис.3, где для упрощения рассмотрения показана только одна плоская стенка волновода.

В вертикально поляризованной волне вектор падающей на стенку волны Ei, вектор отраженной от стенки волны ER лежат в плоскости падения (плос-кости XZ) и имеют проекции на оси X и Z: в падающей волне -Eix, Eiz, в отраженной волне - ERX, ERZ.



Рис.3. Образование волны типа Е

Векторы магнитного поля параллельны границе раздела: в падающей волне - Hi, в отраженной волне - HR . Эти векторы перпендикулярны оси вол-новода Z (параллельны оси Y) т.е. имеют составляющие Hiy и H Ry. В волне, равной сумме волн, отраженных от противоположных стенок, векторы поля бу-дут иметь следующие составляющие:

Волна, описываемая выражениями (7), (8), имеющая поперечные по отношению к оси волновода Z составляющие векторов E и H и продольную составляющую вектора E, называется поперечно-магнитной волной (полем типа ТМ). Эта волна называется также волной (полем) типа Е. Таким названием подчеркивается наличие у вектора E продольной и поперечной составляющих. В общем случае при произвольной форме поперечного сечения волновода вектор E в волне типа Е имеет проекцию на ось волновода Z -Ez и поперечную к оси Z составляющую - EЃЫ , а вектор H имеет только поперечную по отношению к оси волновода Z составляющую - HЃЫ. Для такой волны векторы E и H удобно записать в виде:

Е= EЃЫ + Ez,

Волны типа ТЕ. Эти волны образуются при сложении плоских волн, от-раженных от стенок, имеющих горизонтальную линейную поляризацию. Об-разование волн типа ТЕ иллюстрируется рис. 4, где для упрощения рассмотре-ния показана только одна плоская стенка волновода.

Нix	Н i	Н R	НRX
Е i+	Нiz	НRZ	+ ЕR
	? i	?R

Z

Стенка волновода

Рис. 4. Образование волны типа Н

В горизонтально поляризованной волне вектор падающий на стенку вол-ны Hi, вектор отраженной от стенки волны HR лежат в плоскости падения (плоскости XZ) и имеют проекции на оси X и Z: в падающей волне - Hix, Hiz, в отраженной волне - HRX, HRZ. Векторы электрического поля параллельны границе раздела: в падающей волне - Ei, в отраженной волне - ER. Эти векторы перпендикулярны оси волновода Z (параллельны оси Y) т.е имеют состав-ляющие Eiy и ERy . В волне, равной сумме волн, отраженных от противоположных стенок, векторы поля будут иметь следующие составляющие:

H= Hxxo+ Hzzo ,(11)

E= Eyyo (12)

где Hx = Hix + HRX , Hy = Hiy + HRy.

Волна, описываемая выражениями (11), (12), имеющая поперечные по отношению к оси волновода Z составляющие векторов E и H и продольную составляющую вектора H, называется поперечно электрической волной (полем типа ТЕ). Эта волна называется также волной (полем) типа Н. Таким названием подчеркивается наличие у вектора H продольной и поперечной составляющих. В общем случае при произвольной форме поперечного сечения волновода вектор H в волне типа Н имеет проекцию на ось волновода Z - Hz и поперечную к оси Z составляющую - HЃЫ, а вектор E имеет только поперечную по отношению к оси волновода Z составляющую - EЃЫ . Для такой волны векторы E и H удобно записать в виде:

E= EЃЫ,

H= HЃЫ+ Hz ,.

Волны типа Т

Волны этого типа имеют векторы E иH ,перпендикулярные оси волновода Z. Эти волны не распространяются путем многократных отражений от стенок волновода, а представляют собой плоскую волну, распространяющуюся вдоль оси волновода. Для волн типа Т справедливы соотношения:

E = EЃЫ, H = HЃЫ, и=0, Vф =Vэ = с, лв = л

· Волна H10

Выражения для векторов поля и критической длины волны находятся путем решения уравнений Максвелла.

Из выражений (21) следует, что составляющие векторов поля E и H вдоль сторон волновода a и b меняются по закону синуса или косинуса, причем на стороне a укладывается m полупериодов, на стороне b - n полупериодов. В соответствии с этим поля в прямоугольном волноводе обозначаются символами Emn и Hmn. Символы m и n не могут одновременно принимать нулевые значения, так как при этом все составляющие векторов E иH становятся равными нулю.

В прямоугольных волноводах обычно a ? b. В этом случае, как следует из (22), максимальная критическая длина волны соответствует значениям m=1, n=0и равна2a.Следовательно,основной волной в прямоугольном волноводеявляется волна Н10. Критические длины волн в прямоугольном волноводе для полей типа Е и Н обозначаются символами лemn и лhmn.

Таким образом, для основной волны лh10 =2а. Ближайшая к основной является волна Н20, ее критическая длина волны лh20 =а. В волноводе будет распространяться только волна Н10, если выполняется условие ее единственности лh20<л<лh10 или

а <л< 2a.(23)

Структура силовых линий векторов Eи H волны Н10 показана на рис. 7

в трех проекциях.

Силовые линии вектора Е

Силовые линии вектора Н

Рис. 7. Структура силовых линий векторов поля волны Н10

Вектор E имеет проекцию только на ось Y - Ey , а вектор H - проекции на оси:

X,Z - Hx и Hz.

Силовые линии вектора E соединяют между собой широкие стенки волновода. Силовые линии вектора H представляют собой эллипсы, лежащие в плоскости XZ. Направление силовых линий меняется два раза за период колебания.

На рис.8 показаны зависимости указанных составляющих поля от координат X и Y. Показана также структура силовых линий векторов E и H в поперечном сечении волновода. Как видно, на стороне волновода "а" укладывается один полупериод (одна полуволна) изменения поля, а от координаты Y поле не зависит - на стороне "b" укладывается ноль полупериодов. Сказанное подтверждает физический смысл индексов m и n. Подставив значение лh10 =2а получим для волны Н10:

Графики зависимости лв , Vф , Vэотл показаны на рис. 9.

Рис.8

3. Основные параметры и применение антенн

Антенны широко применяются в качестве приёмных и передающих устройств в системах беспроводной передачи данных, в радиолюбительской связи, в прочих системах связи, в радиолокации. Широкому их распространению способствуют высокое усиление, хорошая направленность, компактность, простота, небольшая масса. Антенну применяют на диапазонах, начиная с коротких волн, в диапазонах метровых и дециметровых волн и на более высоких частотах, на СВЧ-диапазонах.

К основным характеристикам и параметрам приёмных и передающих антенн относятся:

· полоса пропускания

· поляризация

· входной импеданс

· коэффициент стоячей волны

· диаграмма направленности

· коэффициент направленного действия

· коэффициент усиления антенны

· коэффициент полезного действия антенны

· шумовая температура антенны

Полоса пропускания антенны

Ширина полосы пропускания - это область рабочих частот антенны, где уровень принимаемого или излучаемого антенной сигнала находится в пределах 0.7 от максимальной амплитуды сигнала, а мощность в пределах 0.5 от максимальной мощности сигнала. Ширина полосы пропускания измеряется в единицах частоты (например, в кГц).

Поляризация электромагнитных волн

Поляризация электромагнитных волн - нарушение осевой симметрии поперечной волны относительно направления распространения этой волны. В неполяризованной волне колебания векторов s и v смещения и скорости в случае упругих волн или векторов Е и Н напряжённостей электрических и магнитного полей в случае электромагнитных волн в каждой точке пространства по всевозможным направлениям в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, быстро и беспорядочно сменяют друг друга, так что ни одно из этих направлений колебаний не является преимущественным.

Поляризованная волна может возникнуть: вследствие отсутствия осевой симметрии в возбуждающем волну излучателе; при отражении и преломлении волн на границе раздела двух сред или при распространении волны в анизотропной среде .

Входной импеданс антенны

Важным параметром антенн является входное сопротивление: (входной импеданс антенны), характеризующее её как нагрузку для передающего устройства или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения между точкой подключения (точкой возбуждения) антенны к фидеру, к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте.

Коэффициент стоячей волны (KСВ)

Коэффициент стоячей волны характеризует степень согласования антенны с фидером, а также согласование выхода передатчика и фидера. На практике всегда часть передаваемой энергии отражается и возвращается в передатчик. Отраженная энергия вызывает перегрев передатчика и может его повредить. Коэффициент направленного действия (КНД) передающей антенны -- отношение квадрата напряженности поля, создаваемой антенной в направлении главного лепестка, к квадрату напряженности поля создаваемой ненаправленной или направленной эталонной антенной при одинаковой подводимой мощности. КНД является безразмерной величиной, может выражаться в децибелах (дБ, дБи, дБд).

Коэффициент полезного действия (КПД)

В режиме передачи, (КПД ) - это отношение мощности излучаемой антенной к мощности, подведённой к ней, так как существуют потери в выходном каскаде передатчика, в фидере и самой антенне, КПД антенны всегда меньше 1. В приёмных телевизионных антеннах КПД находится в пределах 0,93…0,96.

Шумовая температура

Шумовая температура антенны - характеристика мощности шумов антенны по всём диапазоне принимаемых частот. Чем уже диаграмма направленности антенны, тем меньше влияют на неё шумы. На Земле" шумят" все предметы, атмосфера и сама Земля, поэтому шумы антенны зависят от её угла места и наличия посторонних предметов в направлении приёма (ветки деревьев и др.).Источниками шумов являются и электромагнитные излучения, вызванные деятельностью человека. Типичная шумовая температура параболической антенны диаметром 90 см в Ku-диапазоне для угла места 30 градусов - 25-30 К.

Радиооптика и радиофизика

Радиооптика - новое научное направление, возникшее на стыке радиофизики и оптике. Лазеры положили начало радиооптике. Переход к оптическому диапазону (занимает полосу частот приблизительно от до Гц) открывает новые возможности для передачи большего количества информации. Таким образом, многие процессы, свойственные СВЧ сигналам (с полосой частот приблизительно до Гц), являются аналогичными процессам в радиооптике для временных пространств U(t) и U(о,з)

Преобразование Фурье -- операция, сопоставляющая функции вещественной переменной другую функцию вещественной переменной. Эта новая функция описывает коэффициенты («амплитуды») при разложении исходной функции на элементарные составляющие -- гармонические колебания с разными частотами.

Свёртка функций -- операция в функциональном анализе, показывающая «схожесть» одной функции с отражённой и сдвинутой копией другой. В математике, свёртка -- это математическая операция двух функций f и g, порождающая третью функцию, которая обычно может рассматриваться как модифицированная версия одной из первоначальных. По существу, это особый вид интегрального преобразования.

Коэффициент передачи (также коэффициент преобразования) -- отношение напряжения на выходе той или иной системы, предназначенной для передачи электрических сигналов, к напряжению на входе. В частном случае, когда значения выходного и входного сигнала являются однородными, коэффициент передачи называют коэффициентом усиления.

KП = UВЫХ / UВХ.

Импульсная характеристика дискретной системы является откликом системы на единичную импульсную функцию x0(k), являющуюся аналогом дельта функции при описании дискретных систем и представляющую собой единичный отсчет с единичным значением:

Импульсная характеристика показывает реакцию дискретной системы

на подачу на ее вход единичной импульсной функции.

Фильтрация -- процесс выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных.

Границы диаграммы направленности

В радиофизике диаграммой направленности по называют пространственный спектр или двумерное преобразование Фурье, работающее на расстоянии :

где L - max размер антенны.

Исследование диаграммы направленности небольших антенн производят в безэховых мерах. Для больших антенн , не помещающихся в камеру, используют их уменьшенные модели; длину волны излучения также уменьшают в соответствующее число раз.

4. Расчет КНД и диаграммы направленности антенны

Для простоты анализа найдем КНД и диаграмму направленности антенны, питаемой волной H10 волновода с размерами a,b, выполненной в виде клиновидного рупора.

1. Выбор размеров волновода.

Размеры поперечного сечения прямоугольного волновода и выбираются из условия распространения в волноводе только основного типа волны Н10:

Находим стороны раскрыва рупора при условии, что

Выберем bр=2b:

2. Рассчитаем длину рупора и ширину диаграммы направленности по уровню половинной мощности в Е и Н - плоскостях:

3. Определим коэффициент направленного действия в направлении максимума излучения:

где для рупоров без коррекции фазы

4. Расчёт диаграммы направленности рупорного излучателя:

Поле в раскрыве рупора синфазное. Амплитудное распределение принимаем совпадающим с полем поперечного сечения питающего волновода. Тогда диаграмма направленности будет рассчитываться по следующим формулам:

 - в Н плоскости;

- в Е плоскости.

Соответственно для нашего случая диаграмма направленности примет вид:

- в Н плоскости;

- в Е плоскости.

Рисунок 3 - Диаграмма направленности рупора в Н плоскости:

Рисунок 4 - Диаграмма направленности рупора в Е плоскости

В полярных координатах диаграмма направленности имеет следующий вид:

Если бы мы рассматривали диаграмму направленности антенной решетки, то зависимость имела бы более сложный характер . Например :

В полярных координатах график имеет следующий вид:

Как мы можем наблюдать, на диаграмме направленности помимо основного лепестка присутствуют ещё боковые лепестки.

Уровень боковых лепестков - относительный уровень излучения антенны в направлении боковых лепестков.

На практике стремятся к уменьшению уровня боковых лепестков, что связанно со следующими факторами :

· В режиме приема антенна с низким уровнем боковых лепестков “более помехоустойчива”, поскольку лучше осуществляет селекцию по пространству полезного сигнала на фоне шума и помех, источники которых расположены в направлениях боковых лепестков.

· Антенна с низким уровнем боковых лепестков обеспечивает системе большую электромагнитную совместимость с другими радиоэлектронными средствами и высокочастотными устройствами.

· Антенна с низким уровнем боковых лепестков обеспечивает системе большую скрытность.

· Снижение уровня боковых лепестков (при фиксированной ширине главного лепестка ДН) ведет к росту уровня излучения в направлении главного лепестка .

Заключение

В ходе данной курсовой работы мы рассмотрели основные характеристики и особенности антенн, разобрали типы волн в волноводе, рассчитали КНД и диаграмму направленности антенны с последующим анализом полученных результатов.

В данной курсовой работе не приводятся способы уменьшения уровня боковых лепестков (хотя излучение антенны в направлении, отличном от главного - пустая потеря энергии, различных шумов и помех) , выгодное расположение антенны для приема или передачи информации. Но сведения, в полученные в ходе работе могут способствовать как дальнейшему исследованию проблем антенн, так и являться вступительной литературой для тех , кто хочет начать заниматься исследованием данного вопроса.

Список литературы

1. Драпкин А.П. “Антенно-фидерные устройства”

2. ФрадинА.З.“Антенно-фидерные устройства”

3. Г.Т. Марков, Д.М.Сазонов “Антенны”

4. Лебедев И.В. “Приборы и техника СВЧ”

5. Бахрах Л.Д., Воскресенский Д.И. “Проблемы антенной техники ”

6. Баскаков С.И. “Радиотехнические цепи и сигналы”

7. Воскресенский Д.И. “Антенны, устройства СВЧ”

Размещено на Allbest.ru