Разработка методики расчета и программы для исследования параболической антенны с полосковым облучателем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень сокращений

Введение

1. Основные типы параболической антенны

2. Патентные исследования

3. Методика расчета параболической антенны с полосковым излучателем

4. Исследование характеристик излучения параболических антенн

4.1 Модифицированный резонансный метод

4.2 Излучение пространственных волн

4.3 Излучение поверхностных волн

4.4 Учет потерь в параболической антенне. Эффективность излучения. Коэффициент полезного действия параболической антенне

4.5 Диаграмма направленности параболической антенны

5. Анализ результатов исследования

6. Безопасность параболической антенны

6.1 Воздействие электромагнитных излучений на организм человека

6.2 Допустимые уровни воздействия электромагнитного поля

6.3 Средства защиты от воздействия электромагнитных волн

6.4 Устройство помещений и размещение оборудования в них

6.5 Защита от электрических и магнитных полей и электромагнитных излучений

7. Экологическая экспертиза

7.1 Влияние радиоволн на окружающую среду

7.2 Биофизика воздействия электромагнитного поля СВЧ излучения на организм

7.3 Допустимые нормы облучения СВЧ излучением

7.4 Методы защиты от электромагнитных полей

7.5 Измерение напряженности и плотности потока энергии электромагнитных полей

8. Технико-экономическое обоснование исследования эффективности излучения параболической антенне

Заключение

Список использованных источников

Приложение 1. Алгоритм программы расчета характеристик параболической антенне

Приложение 2. Текст программы расчета характеристик параболической антенне

Ведомость дипломной работы

Перечень сокращений

ПА - полосковая антенна

ИЭ - излучающий элемент

ФАР - фазированная антенная решетка

РЭА - радиоэлектронная аппаратура

КПД - коэффициент полезного действия

КНД - коэффициент направленного действия

ДН - диаграмма направленности

АР - антенная решетка

ТЭО - технико-экономическое обоснование

СВЧ - сверхвысокие частоты

НИР - научно-исследовательская работа

МП - малое предприятие

Введение

В данной дипломной работе было целью разработка методики расчета и программы для исследования параболической антенны с полосковым облучателем. Назначение антенны - прием передач спутникового телевидения.

Прием сигналов спутникового телевидения осуществляется специальными приемными устройствами, составной частью которых является антенна. Для профессионального и любительского приемов передач с ИСЗ наиболее популярны параболические антенны, благодаря свойству параболоида вращения отражать падающие на его апертуру параллельные оси лучи в одну точку, называемую фокусом. Апертура -- это часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения.

Параболические антенны - антенны, фокусирующие сигнал со спутника в центре своей окружности. Спутниковая антенна -- единственный усиливающий элемент приемной системы, который не вносит собственных шумов и не ухудшает сигнал, а следовательно, и изображение. Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный . Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй -- офсетными.

Качество материала также влияет на характеристики антенны. Для изготовления спутниковых антенн в основном используют сталь и дюралюминий. Одной из основных тенденций развития современной радиоэлектроники СВЧ является миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Значительные успехи в этом направлении получены при самом широком использовании последних достижений микроэлектроники как в части низкочастотных блоков РЭА, так и её СВЧ модулей. Применение интегральной технологии при создании антенно-фидерных устройств позволяет успешно выполнять противоречивые требования к электродинамическим, аэродинамическим, габаритным, весовым, стоимостным, конструктивным и другим параметрам.

Параболические антенны, изготавливаемые по интегральной технологии, обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малую металлоемкость, габаритные размеры, массу. Для сравнения: турникетная антенна на полуволновых вибраторах с рефлектором имеет массу 200…300 г., аналогичная ПА с теми же электродинамическими характеристиками - на порядок меньше . ПА способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, допускают удобные конструктивные решения для обеспечения работы в двух- или многочастотных режимах, легко позволяют объединить многие ИЭ в ФАР и разместить их на поверхностях сложной формы. Кроме того, ПА обладают высокими аэродинамическими, механическими и температурными характеристиками.

К недостаткам ПА относятся прочность, трудность конструирования перестраиваемых устройств и измерения параметров печатных элементов.

Антенны в печатном исполнении применяются в диапазоне частот от 100 МГц до 30 ГГц при малых и средних уровнях мощности. На очень низких частотах масса и размеры антенны, сравнимые с длиной волны, становятся весьма значительными. На более высоких частотах эти антенны не имеют преимуществ по сравнению с другими.

Рис.1Эскиз параболической антенны

Параболическая антенна состоит из облучателя и зеркала, которое, преобразуя волну, пришедшую от облучателя в плоскую, формирует остронаправленное излучение. На рис.1 приведен эскиз параболического зеркала с указанием лучей, идущих из фокуса зеркала F, где находится точечный источник сферических волн. Отрезок OF называется фокусным расстоянием и обозначается ѓо. Часть плоскости (при Z = Z0), ограниченная кромкой параболоида, называется раскрывом зеркала. Линия CD представляет собой сечение плоскости раскрыва параболоида.

Ломаная линия FAB обозначает путь произвольного луча электромагнитной волны облучателя. Из аналитической геометрии известно, что длина этого пути не зависит от положения точки на поверхности параболоида. Поэтому все, отраженные от зеркала, лучи в плоскости раскрыва и плоскостях, параллельных ей, оказываются в фазе. Таким образом, параболическая антенна преобразует сферическую волну точечного источника в плоскую. Реальные облучатели не являются точечными. Однако, если фазовый центр облучателя совпадает с фокусом параболоида, можно считать, что облучатель является точечным источником, расположенным в фокусе параболы.

Рис 2. К формированию диаграммы направленности антенны

Увеличение смещения ДX приводит к появлению фазовых искажений (преимущественно кубических) в раскрыве антенны. Чтобы величина фазовых искажений не превышала допустимой (450), должно выполняться условие

Дх 0,6 л/sinШ0, (1)

где л - длина волны,

Ш0 - угол раскрыва зеркала.

Смещение облучателя из фокуса в направлении перпендикуляра к оси параболы широко используется в практике для управления диаграммой направленности параболической антенны. При этом обычно облучатель перемещается не перпендикулярно оси Z, а по дуге, радиус которой равен фокусному расстоянию.

При смещении облучателя вдоль фокальной оси (вдоль оси Z) также возникают нелинейные (преимущественно квадратичные) фазовые искажения поля в раскрыве антенны, которые приводят к расширению диаграммы направленности параболической антенны и исчезновению нулей на ней.

Диаграммы направленности реальных облучателей таковы, что не вся, излученная облучателем, энергия попадает на зеркало. Часть энергии облучателя проходит мимо зеркала, что увеличивает уровни боковых лепестков диаграммы направленности зеркальной антенны.

Коэффициент направленного действия (КНД) параболической антенны можно рассчитать по формуле (1.2).

, (2)

где S - площадь поверхности раскрыва;

нрез = нз1 - результирующий КИП (коэффициент использования поверхности раскрыва) зеркальной антенны;

н - КИП раскрыва зеркала (апертурный КИП), определяемый только амплитудным распределением в раскрыве (если раскрыв возбуждается синфазно);

з1 = РУ/ РОБЛ- отношение мощности, излученной зеркалом, к мощности излученной облучателем (потери в зеркале здесь не учитываются).

Коэффициент усиления (КУ) G можно определить по формуле

G = з2*D, (3)

где з2 = РУ / РОБЛ;

Р ОБЛ - мощность подведенная к облучателю.

Коэффициент з2, который можно назвать КПД зеркальной антенны, учитывает тепловые потери энергии в облучателе, в элементах крепления облучателя, в краске, покрывающей внутреннюю поверхность зеркала и т.д.

Если при заданной форме зеркала (R0/ѓ0 = const) расширять диаграмму направленности облучателя, то облучение зеркала становиться более равномерным (апертурный КИП растет), что ведет к росту н рез и КНД. Однако вместе с тем увеличивается доля энергии, проходящей мимо зеркала (уменьшается з1), что уменьшает нрез и КНД.

При сужении диаграммы направленности облучателя возрастает неравномерность амплитудного распределения (уменьшается н), при этом уменьшается нрез и КНД, но одновременно уменьшается переливание энергии через края зеркала (растет з1), что вызывает увеличение нрез и КНД.

Два, противоположно действующих на КНД антенны, фактора при постоянной величине R0/ѓ0 или угла раскрыва зеркала (2Ш0) и при изменяемой ширине диаграммы направленности облучателя, определяют условия оптимального облучения зеркала, при котором КНД становится максимальным.

Для большинства, применяющихся на практике, облучателей оптимальное условие облучения зеркала выполняется, если диаграмма направленности облучателя обеспечивает уменьшение напряженности поля на краях зеркала (ЕКР) относительно напряженности поля у его вершины (Е0) на 10 дБ, т.е. 20lg(ЕКР /Е0) = -10 дБ или ЕКР /Е0 = 0,316.

Диаграмма направленности параболической антенны определяется диаграммой направленности облучателя и формой зеркала (R0 /f0)

1. Основные типы параболической антенны

Исследуемая в данной работе антенна состоит из параболического зеркала 1 и облучателя 2, помещенного в фокус параболоида (рис.3). В качестве облучателя используется слабонаправленная полосковая антенна, а в качестве зеркала - поверхность, образованная вращением параболы вокруг своей оси Z (параболоид вращения).

Антенна характеризуется следующими геометрическими размерами (рис.3):

-радиусом раскрыва R;

-фокусным расстоянием F;

-углом раскрыва 0 .

В прямоугольной системе координат (рис.3) поверхность параболоида описывается выражением:

x2 + y2 = 4Fz (4).

Антенна сохраняет все свои характеристики при выполнении следующего условия:

(R,F) (5) .

Здесь - длина волны в свободном пространстве, соответствующая излучаемому или принимаемому сигналу. Условие позволяет при анализе принципа действия антенны пренебречь в первом приближении дифракционными эффектами и рассматривать ее с позиции геометрической оптики.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис.4 изображено сечение параболоида плоскостью, проходящей через ось Z (рис.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Следует отметить два свойства рассматриваемой поверхности зеркала, которые формулируются следующим образом.

1. Расстояние от точки F называемой фокусом параболоида, лежащего на его оси (ось z), до любой точки Мi , лежащей на прямой МN, перпендикулярной оси, по ломаным путям FPiMi (Pi - точка на зеркале) одинаковы (FP1M1 = FP2M2 = );

2. Нормаль n к поверхности зеркала в любой точке лежит в плоскости чертежа рис.2 и составляет угол /2 с прямой, соединяющей эту точку на зеркале с точкой F и с прямой параллельной оси.

Эти геометрические свойства поверхности определяют принцип действия антенны. Рассмотрим ее работу в режиме передачи. Волна, формируемая полосковым излучателем малых размеров 2 , близка по своим свойствам к неоднородной сферической. С позиций геометрической оптики ее можно представить лучами FPi (рис.4), которые падают на поверхность параболоида. Вследствие второго свойства параболического зеркала, после отражения от него лучи будут распространяться по траекториям, параллельным оси антенны. Таким образом ломанные линии FPiMi представляют собой части траекторий этих лучей.

Благодаря первому свойству параболического зеркала фазовый набег на различных частях траекторий FPiMi оказывается одинаковым. Легко понять, что поверхность, на которой фазы лучей, отраженных от зеркала, будут одинаковы (фазовый фронт волны), представляет собой плоскость, перпендикулярную к оси z (рис.3,4). Это означает, что созданная облучателем волна, близкая по свойствам к сферической, преобразуется в плоскую. Таким образом, параболическое зеркало трансформирует относительно широкую диаграмму направленности излучателя (400 - 700) в узкую, шириной в доли градуса.

Работа антенны в режиме приема рассматривается аналогичным образом. Плоская волна, падающая на зеркало, фокусируется им (преобразуется в сходящуюся) на облучатель.

В качестве облучателей параболических антенн могут быть использованы:

- вибраторные облучатели, представляющие собой систему "активный - пассивный вибратор", "активный вибратор - плоский контррефлектор";

- рупорные облучатели (пирамидальные рупоры, конические рупоры);

- щелевые облучатели;

- спиральные облучатели.

В настоящей работе в качестве облучателя используется малогабаритная полосковая антенна, методы ее анализа рассмотрены в отдельном разделе.

При строгом анализе зеркальной параболической антенны используется волновой подход для определения поля в ее дальней зоне. Например, при анализе ее работы в качестве передающей, определяются вторичные токи, распределенные по поверхности параболического зеркала. Появление этих токов обусловлено падающей на зеркало электромагнитной волной от облучателя. Вторичные токи и формируют излучение антенны в дальней зоне.

Каждый тип облучателя обеспечивает отличное от других распределение вторичных токов по поверхности параболического зеркала. Следовательно, тип облучателя влияет на характеристики направленности антенны в целом.

Важным моментом при разработке конструкции зеркальной параболической антенны является согласование характеристик направленности облучателя и геометрических размеров зеркала. На рис.5 изображено сечение параболоида плоскостью, проходящей через ось Z (рис.5) и отмечены точка фокуса F, в которой расположен облучатель и угол раскрыва ц0.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

С практической точки зрения важно, чтобы энергия электромагнитной волны, создаваемой облучателем, по возможности полно перехватывалась и переотражалась зеркалом. Для этого диаграмма направленности облучателя должна быть ограничена прямыми AF и BF (рис.5).

На рис.5 изображена диаграмма направленности облучателя в полярной системе координат и отмечены два уровня 1 и 0,3. Им соответствуют две пунктирные окружности. Пересечение этих окружностей с диаграммой направленности облучателя определяет направление главного максимума и направления, в котором амплитуда излучаемой волны уменьшается до уровня 0,3 от максимального значения.

На рис.5 прямые AF и BF проходят через эти точки пересечений. Это значит, что энергия электромагнитной волны облучателя, выходящая за пределы угла AFB не перехватывается облучателем и безвозвратно теряется. С практической точки зрения такой выбор соотношения между геометрией зеркала и характеристиками направленности облучателя оказывается оптимальным. Увеличения доли энергии, перехватываемой зеркалом требует увеличения геометрических размеров антенны в целом, что ведет к увеличению ее веса, площади и стоимости. С другой стороны это не приводит к существенному увеличению КПД антенны. Компенсировать энергетические потери в этом случае проще за счет незначительного увеличения мощности передатчика (при работе на прием) или чувствительности приемника ( при работе на передачу).

Большое влияние на характеристики зеркальной параболической антенны оказывает точность, с которой фазовый центр используемого облучателя совмещен с точкой фокуса. На рис.6.а показано, что продольное смещение облучателя из фокуса приводит к распространению переизлученных зеркалом лучей (рассматривается режим работы антенны на передачу) по направлениям, составляющим различные углы с продольной осью антенны (ось z). Следовательно, фазовый фронт MN (рис. 6.а) переизлученной волны уже не является плоским. Легко понять, что это соответствует увеличению ширины диаграммы направленности антенны в целом.

На рис.6.б показано, что смещение облучателя из фокуса в поперечном направлении приводит к изменению направления главного максимума. Теоретический анализ показывает, что при незначительных смещениях d облучателя в поперечном направлении (порядка длины волны л принимаемого или передаваемого излучения) не происходит (в первом приближении) увеличения ширины главного максимума диаграммы направленности. Поэтому на практике часто механические перемещения облучателя используются для целей сканирования или подстройки характеристик направленности антенны.

При разработке конструкции антенны большое внимание уделяется минимизации "теневого эффекта". Он состоит в экранировке части параболического зеркала облучателем, имеющим конечные размеры. С одной стороны это ведет к неполному использованию энергии излученной или принимаемой волны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

С другой стороны этот эффект ведет к рассогласованию облучателя с питающей линией. Данный эффект иллюстрируется рисунком 7, на котором показано наличие в питающем облучатель фидере двух волн, распространяющихся во встречных направлениях - от генератора и от зеркала.

Для устранения "теневого эффекта" используются различные методы. На сегодняшний день наиболее эффективным из них является использование в качестве зеркала не центральной, а боковой части параболоида вращения. Как следует из рис.7, облучатель при этом уже не перекрывает зеркало и в питающем фидере не возникают волны, порожденные отражением от параболического зеркала.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретический анализ показывает, что требования к точности выполнения геометрических размеров зеркала определяют допустимые отклонения порядка /8. При увеличении частоты требования к точности изготовления ужесточаются, что ведет к существенному удорожанию антенны в целом.

2. Патентные исследования

Изобретение относится к антенной технике и может использоваться в качестве облучателя однозеркальных параболических антенн космических аппаратов.

Известны конструкции антенн, которые могут быть использованы в качестве облучателей параболических антенн (патенты США N 3434166 и N 4636798, кл. 343 753). Эти облучатели представляют собой открытый конец круглого волновода с фланцем.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является конструкция облучателя (патент США N 4636798 прототип), которая представляет собой открытый конец круглого волновода с импедансным фланцем, в апертуре волновода установлена диэлектрическая линза в форме полутора. Диэлектрическая линза расширяет диаграмму направленности (ДН) и придает ей форму, близкую к столообразной, что позволяет использовать ее в качестве облучателя зеркальных антенн с укороченным фокусным расстоянием.

Однако ДН известного облучателя не в достаточной степени приближена к идеальной диаграмме облучения главного зеркала параболических антенн, что приводит к снижению коэффициента использования поверхности (КИП) зеркальных антенн. Кроме того, данный облучатель не позволяет получить оптимальное облучение зеркала с углом раскрыва 2?o? 180°, что не позволяет использовать короткофокусные зеркальные антенны, которые имеют минимальные габариты и вес.

Технический результат заключается в повышении эффективности облучения зеркала короткофокусной параболической антенны за счет формирования диаграммы облучения близкой к идеальной.

Для этого в известной антенне, имеющей круглый волновод с фланцем и диэлектрическую линзу, последняя выполнена в виде цилиндра с коническим углублением, вершина которого направлена к открытому концу волновода, в котором размещен диэлектрический стержень, непосредственно связанный с линзой.

На фиг.1 изображен предлагаемый облучатель. Он состоит из круглого волновода 1 с волной H11, металлического фланца 2, который может иметь как плоскую, так и импедансную поверхность, и диэлектрической линзы 3, которая имеет продолжение внутрь волновода.

В данной конструкции используется явление отражения и преломления электромагнитных волн на границе раздела 2-х диэлектриков.

Электромагнитная волна, распространяясь из среды оптически более плотной и в менее плотную, претерпевает полное внутреннее отражение на диэлектрическом конусе, что позволяет сформировать ДН антенны с провалом по оси.

Из законов геометрической оптики угол раствора максимумов 2н диаграммы направленности облучателя определяется углом при вершине конуса vк 2н = 2?к. Наибольшее значение КИП достигается при угле раствора 2н максимумов в диаграмме облучения

2н = 2?o- 20°

где 2?o угол раскрыва зеркала антенны, в которой устанавливается данный облучатель.

Поэтому угол при вершине конуса определяется по формуле

Чтобы волна претерпевала полное внутреннее отражение на конусе, необходимо, чтобы материал, из которого изготовлена линза, имел относительную диэлектрическую проницаемость е большую, чем emin, где еmin определяется по формуле

где

Облучатель данной конструкции целесообразно использовать в зеркальных антеннах с углом раскрыва 2Ш ? 140°. Увеличивать этот угол свыше 240o нецелесообразно, т.к. при этом снижается КИП. Поэтому в соответствии с формулой (1) угол ?к практически лежит в пределах 60° ?к 110°.

Диаметр конуса dк должен быть больше диаметра круглого волновода, т.е. dк? 0,7л (лямбда рабочая длина волны). Увеличивать dк больше 2л не имеет смысла, т.к. это приведет к росту диэлектрических потерь и массы, практически не увеличивая степень взаимодействия линзы с полем.

Для придания линзе достаточной механической прочности ее диаметр d целесообразно выбрать на 2 5 мм больше диаметра конуса dк. Высота линзы h определяется по формуле

При больших значениях угла при вершине конуса ?к>70°, значительно возрастает уровень заднего излучения облучателя.

Для уменьшения утечки энергии за края зеркала путем уменьшения уровня заднего излучения облучателя предлагается конструкция диэлектрической линзы в виде усеченного конуса(фиг.2). Экспериментально установлено, что если угол наклона образующей конуса составляет 15 30o (фиг. 2), то уровень заднего излучения облучения уменьшается на 3 5 дБ. Диэлектрическая линза имеет возможность перемещаться вдоль оси волновода, что позволяет управлять формой ДН облучателя в широких пределах. При выдвижении диэлектрической линзы из волновода на величину больше (2ч3)л, антенна будет подобна диэлектрической стержневой антенне, т.е. антенне осевого излучения.

При погружении линзы в волновод она работает как рассеивающая структура, что позволяет регулировать глубину "провала" ДН по оси. Линза, входящая в конструкцию облучателя, изготовлена из высокочастотного диэлектрика (е = 2,56).

Угол при вершине конического углубления ?к= 80°, диаметр dк= 1,1л, угол б = 15°.

3. Методика расчета полосковых излучателей для параболических антенн

Как отмечалось во введении, параболические антенны широко распространены в качестве источников или приемников направленного излучения дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. Существенное влияние на характеристики параболической антенны играет выбор типа излучателя. Хорошо известны антенны с излучателями в виде рупоров, спиралей, вибраторов.

В данной работе предполагается изучение свойств параболической антенны с облучателем в виде миниатюрной по сравнению с размерами зеркала полосковой антенны (ПА). Этому выбору способствовали простота конструкции, высокая технологичность, малая масса, повторяемость размеров, низкая стоимость изготовления и др. Широкому распространению ПА содействовало появление новых типов диэлектриков, обладающих малыми потерями и высокой степенью однородности материала. Наличие диэлектрика позволяет существенно уменьшить линейные размеры излучающих элементов и использовать их при создании миниатюрных антенных систем. Однако, присутствие этого покрытия и связанных с ним поверхностных волн существенно усложняет определение характеристик излучения ПА. В связи со сложностью механизма излучения ПА, трудностями экспериментальной отладки их образцов значительно возрастает роль расчетных методов, основанных на строгих подходах и дающих необходимую для инженерной практики точность расчета основных характеристик. К настоящему времени известно достаточно большое число методов расчета и анализа ПА.

Один из первых методов расчета характеристик излучения ПА основан на представлении прямоугольной антенны размерами в виде двух магнитных вибраторов - щелей, разнесенных на расстояние b друг от друга [13]. Связь излучающих щелей по внутреннему пространству осуществляется введением соединяющего отрезка полосковой линии с постоянной распространения в и характеристическим сопротивлением ZC, определяемым шириной антенны a. Полагают, что линия поддерживает только квази-Т волну. ПА заменяется эквивалентной схемой , составленной с использованием теории длинных линий. Отрезок линии длиной b считается нагруженным с двух сторон на проводимости излучения щелей [13,14].

,

где d - ширина щели, равная приблизительно толщине подложки.

Выражение для проводимости излучения щели без жестких ограничений на ее относительную ширину получено в [15].

,

где - функции Бесселя и Неймана порядка n.

Длина отрезка линии выбирается из условия резонанса и должна составлять примерно лД/2, где лД - длина волны в диэлектрике подложки с относительной диэлектрической проницаемостью еr (). Однако на практике длину отрезка линии выбирают порядка (0,48…0,49) лД [13]. Это объясняется тем, что при длине отрезка линии лД/2, проводимости излучения щелей будут включены параллельно по отношению к входным клеммам и входное сопротивление антенны будет иметь комплексный характер. При размерах, меньших лД/2, преобразованная проводимость будет иметь реактивную составляющую противоположного знака, и при этой длине входное сопротивление излучателя будет чисто активным, т.е. наиболее оптимальными будут размеры прямоугольного ИЭ, при которых

(6)

Входная проводимость антенны Yвх=1/Zвх - результат сложения проводимости щели на входе антенны (клеммы 1-1|) и щели, трансформируемой по входу через отрезок линии длиной b, так что [14]

,

где в - постоянная распространения линии; YС=1/ZС.

Если считать антенну настроенной в резонанс, то упрощенно входную проводимость можно считать равной 2G.

В первом приближении излучение щелей считается независимым. При более точном решении учитывают их взаимную связь по внешнему пространству введением взаимной проводимости излучения [1]

,

где G12 - взаимная проводимость излучения; J0(x) - функция Бесселя нулевого порядка.

КНД ПА в рамках данной модели рассчитывается как для решетки из двух щелей, разнесенных на расстояние b в плоскости E [1]

,

где g12 - нормированная к проводимости свободного пространства взаимная проводимость излучения щелей.

Наличие диэлектрика учитывают введением для отрезка линии шириной а эффективной диэлектрической проницаемости подложки. Данный метод позволяет приближенно оценить резонансную длину полоскового излучателя и рассчитать его ДН как результат излучения двухэлементной антенной решетки магнитных вибраторов.

В рамках аппроксимации ПА щелями, прорезанными в проводящем экране, были предприняты попытки уточнения формулы для расчета проводимости излучения щели [13].

, (7)

где si(x) - интегральный синус.

Выражение (3.2) получено на основе асимптотического разложения в формуле для идеальной проводимости бесконечной щели в экране.

Физические соображения подсказывают наличие зависимости проводимости излучения ПА не только от ширины пластины а, но и от ее длины b. В [13] предложен эмпирический множитель «формы» пластины

,

на который следует множить проводимость излучения в формуле (3.2), чтобы учесть этот фактор.

Входное сопротивление ПА в точке резонанса с учетом взаимодействия щелей во внешней области может быть определено [13]

,

где G - проводимость излучения одиночной щели; J0(x) - функция Бесселя нулевого порядка.

Дальнейшее развитие этого метода привело к созданию математической модели в виде прямоугольного резонатора с магнитными стенками по его периметру.

В 50-е годы был предложен метод для анализа полосковых линий на основе модели, при которой линия передачи заменялась эквивалентным волноводом с магнитными стенками (модель Олинера) [16]. Ширина волновода aэф и диэлектрическая проницаемость материала еэф, заполняющего его внутреннее пространство, выбирались из условия равенства характеристических сопротивлений и постоянных распространения линии и эквивалентного ей волновода. Метод применим и для анализа антенн, выполненных на базе полосковых линий. Полосковая антенна заменяется отрезком волновода и ее излучение определяется как излучение торцов волновода. По принятому распределению тока на торцах определяется векторный потенциал, через который выражаются компоненты поля в дальней зоне.

Другой метод нахождения характеристик излучения ПА заключается в разбиении полупространства, ограниченного проводящим экраном со слоем диэлектрика на несколько областей с постоянными параметрами и определении потенциала для каждой из этих областей с учетом выполнения граничных условий между ними [17]. В свою очередь компоненты возбуждаемого поля определяются через найденный потенциал.

Указанным методам свойственен общий недостаток - косвенный учет слоя диэлектрика и, как следствие, отсутствие какой-либо информации о поверхностных волнах, возбуждаемых в структуре слой диэлектрика - экран. Как будет показано в дальнейшем, наличие поверхностных волн при определенных параметрах подложки может привести к существенному снижению эффективности ПА, когда значительная часть подводимой мощности будет затрачиваться на возбуждение паразитных поверхностных волн.

В последнее время получили развитие несколько новых методов [18,19,20], позволяющих рассчитать характеристики излучения ПА с учетом поверхностных волн. Одним из наиболее эффективных и универсальных является метод, основанный на решении уравнения Поклингтока относительно неизвестного распределения тока по антенне с использованием соответствующей функции Грина, полученной для задачи возбуждения поля горизонтальным диполем Герца на диэлектрической подложке [21]. Представление функции Грина используется для полупространства, ограниченного проводящим экраном со слоем диэлектрика в виде разложения по волнам LE и LM [13]. В этом случае подынтегральные выражения не имеют особенностей и задача может быть легко подготовлена для численного решения на ЭВМ [19,22]. Данное представление позволяет достаточно просто записать выражения сопротивления излучения волн, связанных с диэлектриком (поверхностных) и излучаемых в открытое пространство, а также произвести расчет частотных и геометрических параметров ПА [17]. Кроме того, данный метод не представляет сколь-нибудь заметных трудностей при анализе ПА сложной конфигурации [23,24].

4. Исследование характеристик излучения полосковой антенны - излучателя параболической антенны

Обладая рядом достоинств, ПА имеют пониженный КПД, обусловленный тепловыми потерями в материале проводника и диэлектрика, а также возбуждением паразитных поверхностных волн. Поэтому видится целесообразным проведение исследования характеристик излучения ПА в зависимости от геометрических размеров, диэлектрической проницаемости материала подложки и т.д. и выработка рекомендаций по оптимальному с точки зрения эффективности работы ПА выбору этих параметров.

В настоящей главе излагается метод определения характеристик излучения ПА, основанный на строгом электродинамическом подходе с использованием представлении функции Грина для слоя диэлектрика под проводящим экраном. Предлагаемый подход учитывает конструкторско - технологические параметры устройства, потери в диэлектрике и металле, количественные соотношения между мощностями, переносимыми поверхностными и пространственными волнами, более строгий расчет внешних проводимостей и сопротивлений излучения. Возможность учета многоходового характера полей в ПА и окружающей структуре, содержащей диэлектрик, и строгий учет вклада поверхностных волн позволяет использовать данную методику расчета ПА вплоть до волн миллиметрового диапазона и субмиллиметрового диапазонов. Данный метод представляет модель Мансона и получил в литературе [13] название модифицированный резонансный.

4.1 Модифицированный резонансный метод

ПА антенна возбуждается излучателем в виде прямоугольной линии и предоставлена на рис. 9

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для анализа характеристик такой антенны воспользуемся уточненным резонаторным методом. Его уточнение - модификация - связана как с внутренней, так и с внешней частью соответствующей граничной задачи. Внутренняя - резонаторная задача решается в два этапа. На первом - определяются электромагнитные поля в прямоугольном резонаторе с магнитными (x=0,a;y=0,b) и электрическими (z=0,h) стенками . Для резонаторов, когда h<<л0, поле внутри резонатора является суперпозицией колебаний Emn0.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В этом случае продольная составляющая электрического поля [13]

, (8)

где .

Составляющая Ez в (3) получена интегрированием Грина Г11 с характеристической частью, связанной с осью y.

На втором этапе напряженность поля Ez используется для определения эквивалентных магнитных токов на всех или только синфазно излучающих стенках резонатора. В этом случае стенки полагаются электрическими, и эквивалентный магнитный ток равным:

(9)

где n - внешняя нормаль к стенке.

Во внешней области улучшение метода связано с более корректным определением проводимостей излучения в присутствии диэлектрического слоя и с учетом возбуждения как пространственных, так и поверхностных волн.

Используем указанные выше особенности модифицированного резонаторного метода при анализе характеристик прямоугольной ПА.

4.2 Излучение пространственных волн

Для любой ПА мощность излучения пространственных волн является единственно полезной.

Будем рассматривать внутреннюю область ПА как объединенный резонатор, заполненный диэлектриком и функционирующий вблизи первого резонанса (наибольшая рабочая длина волны). На рис. 11 показаны эпюры и направления эквивалентных токов на открытых стенках резонатора. Токи на торцевых стенках (y=0,b) в этом случаем синфазны и формируют основные компоненты поля излучения, в то время как токи на боковых стенках (x=0,a) содержат противофазные участки и слабо участвуют в излучении. Это излучение формирует кроссполяризационную составляющую поля во внешней области, снижающую эффективность ПА. Расход энергии на образование этого излучения будет учтен в дальнейшем при определении добротности, рабочей полосы и КПД антенны.

С учетом этих замечаний активные части проводимости излучения по пространственным волнам для торцевых отверстий резонатора

(10)

Аналогично для боковых отверстий

, (11)

где , (12)

, , (13)

YE и YH - нормированные проводимости по электрическим и магнитным волнам.

В формулах (5)-(8) учитывается взаимодействие излучающих отверстий резонатора во внешней области.

При вычислении внешней проводимости отверстий резонатора по пространственным волнам было использовано следующее предположение: мощность, излученная открытым торцом резонатора (рис. 11,а), делится на две части - мощность, излученную плоским магнитным током в правую часть полупространства, содержащего слой диэлектрика (рис. 11,в) и мощность, излученную в левую часть полупространства линейным магнитным током (рис. 11,б), как бы «высвечивающим» край металлической пластины при наблюдении под углами, отсчитываемыми влево от оси z (рис. 1,а).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коэффициенты M1 и M2 в выражениях определяются распределением магнитного тока на кромках резонатора, то есть зависят от типа колебаний в резонаторе. Для волны E010 (низший тип)

, (14)

. (15)

4.3 Излучение поверхностных волн

При расчете проводимостей излучения отверстий резонатора по поверхностным волнам используются представления функции Грина для области, частично заполненной диэлектриком, в виде разложения по волнам LE, LM [13]. При этом проводимость разделяется на две части, соответствующие волнам упомянутых типов. Однако для тонких слоев диэлектрика, что представляет основной практический интерес, в структуре распространяется лишь поверхностная волна LM1. Для этой волны проводимость любого из четырех отверстий прямоугольного резонатора [17].

, (16)

где для торцевых отверстий (y=0,b)

, (17)

для боковых отверстий (x=0,a)

. (18)

где

, (19)

, (20)

и находятся из решения системы трансцендентных уравнений [13]

(21)

Из первого уравнения системы выразим

,

и подставим во второе

.

Полученное трансцендентное уравнение относительно легко решается численными методами.

4.4 Учет потерь в ПА. Эффективность излучения. Коэффициент полезного действия ПА

Учет всех видов потерь в ПА является существенным моментом их проектирования. Резонансный характер работы, наличие слоя диэлектрика, малые размеры - вот факторы, приводящие к потере части полезной мощности и снижению эффективности антенны.

Для волны типа E010 потери в диэлектрике подложки ПА с тангенсом угла диэлектрических потерь tgд определяются как проводимость потерь в диэлектрике

. (22)

Проводимость потерь в металле

, (23)

где , Ом - сопротивление металлических стенок резонатора, связанное с удельной проводимостью металла полоски д и длиной волны л0.

Общая проводимость прямоугольной ПА

. (24)

Эффективность ПА может быть определена по нескольким критериям. Во-первых, по излученной мощности пространственных волн основной поляризации (излучение торцевых отверстий резонатора). КПД по этому параметру

. (25)

Во-вторых, КПД по всей излученной (как пространственными, так и поверхностными волнами) мощности

. (26)

Соответствующие потери в децибелах связаны с величинами КПД непосредственно

, . (27)

Наконец, проводимость используют для вычисления КНД антенны по основной поляризации поля:

. (28)

Добротность излучения ПА может быть определена по формуле [2]

. (29)

Для прямоугольных ПА характерные значения добротности излучения составляют 30…80.

По известному значению добротности и допустимому значению коэффициента стоячей волны по направлению можно определить рабочую полосу ПА

. (30)

Входное сопротивление ПА определяется как величина обратная общей проводимости

. (31)

Необходимо отметить, что входное сопротивление прямоугольной ПА легко регулируется подбором положения точки питания. Входное сопротивление максимально при питании на краю и изменятся пропорционально множителю при расположении точки питания на расстоянии a0 от центра антенны. Если точка питания сдвинута к центру, то в пластине антенны делается характерный вырез.

4.5 Диаграмма направленности ПА

При элементарном подходе ДН прямоугольной ПА в плоскости H эквивалентна диаграмме щели длиной a, прорезанной в плоском проводящем экране и имеющей равномерное распределение поля. В плоскости E излучение МПА определяется как излучение двух таких щелей, разнесенных на расстояние b. При таком подходе влияние подстилающего диэлектрического слоя не принимают во внимание. В некоторых работах [13] это влияние учитывается введением дополнительного множителя , учитывающего зеркальное отображение магнитного тока в экране.

Более корректное интегрирование распределения эквивалентных магнитных токов по апертуре излучающих торцов МПА приводит к выражениям для ДН

В плоскости H (ц=0)

, (32)

в плоскости E (ц=р/2)

, (33)

где .

5. Анализ результатов исследования

Была составлена программа расчета характеристик излучения прямоугольной ПА для IBM PC на языке Turbo Pascal 7.0. Данная программа может быть использована для определения характеристик конкретного ИЭ. Алгоритм и текст программы представлены соответственно в приложениях 1 и 2.

С помощью разработанной программы был проведен ряд расчетов с целю выработки рекомендаций по выбору конструктивных параметров ПА по критерию наибольшей эффективности излучения. Для всех значений характерен рост проводимостей потерь в металле и в диэлектрике (Gm и Gdi) с уменьшением толщины подложки. С другой стороны, с увеличением толщины подложки увеличиваются значения проводимостей торцевых и боковых отверстий по поверхностным волнам (GSтор и Gsбок), что связано с интенсификацией возбуждения поверхностных волн в толстых подложках. Причем для более высоких значений возбуждение поверхностных волн происходит более интенсивно. Однако, с ростом снижается вклад в общее излучение ПА кроссполяризационной составляющей, обусловленной проводимостью излучения боковых отверстий по пространственным волнам Gr.бок, что объясняется уменьшением резонансной длины ИЭ в соответствии с (1) при фиксированной ширине ИЭ (в данном случае a=12,5 мм), а следовательно уменьшением излучающей боковой щели.

Рост проводимостей излучения по поверхностным волнам ограничивает сверху диапазон возможных толщин подложки, так как в противном случае резко снижается КПД параболической антенны и соответственно возрастают потери .

Количественное соотношение между проводимостями (мощностями) излучения торцевых и боковых отверстий резонатора подтверждает правильность принятых при формулировке модифицированного резонаторного метода допущений об определяющем влиянии торцевых отверстий на входное сопротивление антенны.

Таким образом, полученные зависимости показывают, что имеется диапазон толщин подложки, оптимальных с точки зрения эффективности (h/л0=0,0125…0,025). Существенное снижение КПД при уменьшении толщины подложки объясняется ростом тепловых потерь, а падение эффективности для больших h/л0 - потерями на возбуждение поверхностных волн.

Представлен график зависимости рабочей полосы ПА от толщины подложки для Kстu=2. Следует отметить узкополосность ПА, объясняемую в первую очередь резонансным характером работы антенны. Кроме того, характерным является уменьшение рабочей полосы с увеличением относительной диэлектрической проницаемости подложки. Для оптимального с точки зрения КПД диапазона толщин подложки рабочая полоса ПА не превышает 3%. Представлен график зависимости КНД ПА от толщины подложки. Для заданных конструктивных параметров ПА значения КНД в общем-то невелики, причем снижаются с ростом относительной диэлектрической проницаемости подложки.

Ширина ДН ПА по условию половинной мощности довольно велика и составляет порядка 100° в H-плоскости и 120°…130° в E-плоскости, причем зависимость формы ДН от относительной толщины подложки проявляется слабо.

Что касается входного сопротивления ПА , то оно снижается с ростом относительной диэлектрической проницаемости и имеет максимум при оптимальных с точки зрения КПД значениях толщины подложки. Обеспечение согласования ПА с линией питания может быть затруднено при невысоких значениях входного сопротивления, так как в этом случае потребуется введение дополнительных согласующих отрезков линии, что в результате приведет к снижению массогабаритных показателей. Если входное сопротивление ПА выше чем волновое сопротивление линии передачи, то в данном случае согласование может быть обеспечено подбором точки питания, поскольку входное сопротивление прямоугольной ПА максимально при питании на краю и уменьшается пропорционально множителю при положении точки питания на расстоянии b0 от края.

Для рассмотренных графиков ширина ПА полагалась равной 0,5л0. Увеличение ширины антенны, как установлено, не дает существенного роста эффективности , в то же время нарушается равномерность распределения тока на кромках (из-за влияния высших гармоник), снижается входное сопротивление , что затрудняет согласование ПА с линией питания и ухудшает массогабаритные характеристики.

В заключении отметим, что реализованный подход к расчету характеристик параболических антенн позволяет применять его не только для анализа ПА классической прямоугольной формы, но и более сложных конфигураций, интерес к которым значительно вырос в последнее время .

6. Безопасность параболической антенны

Одной из основных характеристик любого устройства, прибора или механизма, является его безопасность для человека. Поэтому важным пунктом дипломной работы стала оценка безопасности анализируемых устройств. В соответствии с системой стандартов безопасности труда (ССБТ) различаются опасные и вредные факторы, но выделения их в отдельные группы не производят. К определяющим признакам опасных и вредных факторов относятся: возможность непосредственного отрицательного воздействия на организм человека; затруднение нормального функционирования органов человека; возможность нарушения нормального состояния элементов производственного процесса, в результате которого могут возникнуть аварии, взрывы, пожары, травмы.

Анализируемые устройства -- волноводы сложного сечения-- вследствие незначительности протекающих токов, использования негорючих материалов можно выделить вредное воздействие -- электромагнитное излучение.

6.1 Воздействие электромагнитных излучений на организм человека

Электромагнитное излучение относится к активной группе опасных и вредных факторов, т.е. может оказать вредное воздействие на человека посредством заключенных в нем энергетических ресурсов.

Длительное воздействие радиоволн на различные системы организма человека по последствиям имеет многообразные проявления.

Наиболее характерными при воздействии радиоволн всех диапазонов являются отклонения от нормального состояния центральной нервной системы и сердечно-сосудистой системы человека. Субъективными ощущениями облучаемого персонала являются: жалобы на частую головную боль, сонливость или бессонницу, утомляемость, вялость, слабость, повышенную потливость, снижение памяти, рассеянность, головокружение, потемнение в глазах, беспричинное чувство тревоги, страха и др.

Воздействие электромагнитных волн радиочастот на сердечно сосудистую систему облучаемый персонал ощущает в виде сильных болей в области сердца, учащенного сердцебиения, сильной одышки, при физических нагрузках, а также удушья. Отклонения от функционирования желудочно-кишечного тракта облучаемого радиоволнами персонала проявляется в виде болей в области желудка и появления изжоги.

К числу перечисленных неблагоприятных воздействий на человека следует добавить мутагенное воздействие, а также временную стерилизацию при облучении интенсивностями выше теплового порога. Для оценки потенциальных неблагоприятных воздействий ЭМ волн приняты допустимые энергетические характеристики ЭМ поля.

Биологическое действие электромагнитной энергии (ЭМЭ) зависит от частоты и интенсивности излучений, длительности и условий облучения. Различают термическое (тепловое) воздействие, морфологические и функциональные изменения. Первичным проявлением действия ЭМЭ на организм человека является нагрев тканей и органов, которые приводят к изменениям и повреждениям. Тепловое воздействие характеризуется общим повышением температуры тела или локализованным нагревом тканей. Нагрев особенно опасен для органов со слабой терморегуляцией (мозг, глаза, органы кишечного и мочеполового тракта). ЭМЭ с длиной волны от 1 до 20 см. оказывает вредное воздействие на глаза, вызывая катаракту (помутнение хрусталика), т.е. потерю зрения.

Морфологические -- изменения строения и внешнего вида тканей и органов тела человека (ожоги, омертвление, кровоизлияния, изменения структуры клеток и т. д.). Они наблюдаются в тканях периферической и центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы, вызывая нарушения регуляторных функций, нервных связей в организм или изменение структуры самих нервных клеток, понижение кровяного давления (гипотонию), замедление ритма сокращений сердца (брадикардию) и т. д.

Функциональные изменения проявляются в головной боли, нарушении сна, повышенной утомляемости, раздражительности, потливости, выпадении волос, болях в области сердца, понижении половой потенции и т. д.

6.2 Допустимые уровни воздействия электромагнитного поля

Электромагнитные поля в диапазоне 300 МГц--300 ГГц оцениваются по поверхностной плотности потока энергии (ППЭ) и создаваемой им энергетической нагрузки (ЭН). Энергетическая нагрузка вычисляется как произведение ППЭ и Т, то есть является суммарным потоком энергии, приходящимся на единицу облучаемой поверхности за время облучения Т.

Значения допустимой энергетической нагрузки электромагнитного поля на рабочих местах и в местах возможного нахождения персонала, связанного профессионально с воздействием электромагнитного поля, установлены в размере от 2 Вт ч/ см при 300 МГц до 20 Вт ч/ см при 300 ГГц (при облучении от вращающихся и сканирующих антенн). Указанные значения не должны превышаться в течение рабочего дня.

Предельно допустимые напряженности электрических и магнитных полей.

Таблица 1

Частота ЭМИ	Допустимая напряженность
	Электрического поля, В/м	Магнитного поля, А/м
60 Кгц…1,5 МГЦ	50	5
1,5…3 МГЦ	50	--
3…30 МГЦ	20	--
30…50 МГЦ	10	0.3
50…300 МГЦ	5	--

6.3 Средства защиты от воздействия электромагнитных волн

Для обеспечения безопасности работ с источниками ЭМ волн производится систематический контроль фактических значений нормируемых параметров на рабочих местах и в местах возможного нахождения персонала. Контроль осуществляется измерением напряженности электрического и магнитного полей, а также измерением плотности потока энергии.

Защита персонала от воздействия радиоволн применяется при всех видах работ, если условия работы не удовлетворяют требованиям норм; эта защита осуществляется следующими средствами и способами:

Ш использованием согласованных нагрузок и поглотителей мощности, снижающих напряженность и плотность потока энергии ЭМ волн;

Ш экранированием рабочего места и источника излучения;

Ш рациональным размещением оборудования в рабочем помещении;

Ш подбором рациональных режимов работы оборудования и режима труда персонала;

Ш применением средств предупредительной защиты.

В диапазоне сверхвысоких частот снижение плотности потока энергии на рабочих местах до предельно допустимых величин интенсивности облучения может осуществляться несколькими путями:

1. При регулировке, настройке и испытании генераторов СВЧ и передающих устройств рекомендуется уменьшение излучения непосредственно у источника. Для этого необходимо, чтобы основная мощность поглощалась в специальных поглотителях мощности и эквивалентах антенн. Поглощение энергии происходит в результате ее рассеяния в заполняющем поглотитель веществе -- графите и его смесях с разными наполнителями (песок, цемент, резина, пластмассы), порошковом железе с бакелитом или керамикой, дереве, воде и др.