SLY_G 26 января 2017 в 19:25

Справочник по антеннам для радаров

• Компьютерное железо ,
• Сотовая связь

• Перевод

Статья на перевод предложена . Материал взят с обширного справочного сайта, описывающего, в частности, принципы работы и устройство радаров.

Антенна – это электрическое устройство, преобразующее электроэнергию в радиоволны и наоборот. Антенна используется не только в радарах, но и в глушилках, системах предупреждения об облучении и в системах коммуникаций. При передаче антенна концентрирует энергию передатчика радара и формирует луч, направляемый в нужную сторону. При приёме антенна собирает возвращающуюся энергию радара, содержащуюся в отражённых сигналах, и передаёт их на приёмник. Антенны часто различаются по форме луча и эффективности.

Слева – изотропная антенна, справа – направленная

Дипольная антенна

Дипольная антенна, или диполь – самый простой и популярный класс антенн. Состоит из двух одинаковых проводников, проводов или стержней, обычно с двусторонней симметрией. У передающих устройств к ней подаётся ток, а у принимающих – принимается сигнал между двумя половинами антенны. Обе стороны фидера у передатчика или приёмника соединены с одним из проводников. Диполи – резонирующие антенны, то есть их элементы служат резонаторами, в которых стоячие волны переходят от одного конца к другому. Так что длина элементов диполя определяется длиной радиоволны.

Диаграмма направленности

Диполи – это ненаправленные антенны. В связи с этим их часто используют в системах связи.

Антенна в виде несимметричного вибратора (монопольная)

Несимметричная антенна представляет собой половину дипольной, и монтируется перпендикулярно проводящей поверхности, горизонтальному отражающему элементу. Коэффициент направленного действия монопольной антенны вдвое больше, чем у дипольной антенны удвоенной длины, поскольку под горизонтальным отражающим элементом нет никакого излучения. В связи с этим КНД такой антенны в два раза выше, и она способна передавать волны дальше, используя ту же самую мощность передачи.

Диаграмма направленности

Антенна "волновой канал ", антенна Яги-Уда, антенна Яги

Диаграмма направленности

Уголковая антенна

Тип антенны, часто используемой на УКВ и УВЧ-передатчиках. Состоит из облучателя (это может быть диполь или массив Яги), укреплённого перед двумя плоскими прямоугольными отражающими экранами, соединёнными под углом, обычно в 90°. В качестве отражателя может выступать лист металла или решётка (для низкочастотных радаров), уменьшающая вес и уменьшающая сопротивление ветру. У уголковых антенн широкий диапазон, а усиление составляет порядка 10-15 дБ.

Диаграмма направленности

Вибраторная логопериодическая (логарифмическая периодическая) антенна, или логопериодическая решетка из симметричных вибраторов

Логопериодическая антенна (ЛПА) состоит из нескольких полуволновых дипольных излучателей постепенно увеличивающейся длины. Каждый состоит из пары металлических стержней. Диполи крепятся близко, один за другим, и подключаются к фидеру параллельно, с противоположными фазами. По виду такая антенна похожа на антенну Яги, но работает она по-другому. Добавление элементов к антенне Яги увеличивает её направленность (усиление), а добавление элементов к ЛПА увеличивает её полосу частот. Её главное преимущество перед другими антеннами – чрезвычайно широкий диапазон рабочих частот. Длины элементов антенны относятся друг к другу по логарифмическому закону. Длина самого длинного из элементов составляет 1/2 от длины волны самой низкой из частот, а самого короткого – 1/2 от длины волны самой высокой частоты.

Диаграмма направленности

Спиральная антенна

Спиральная антенна состоит из проводника, закрученного в виде спирали. Обычно они монтируются над горизонтальным отражающим элементом. Фидер соединяется с нижней частью спирали и горизонтальной плоскостью. Они могут работать в двух режимах – нормальном и осевом.

Нормальный (поперечный) режим: размеры спирали (диаметр и наклон) малы по сравнению с длиной волны передаваемой частоты. Антенна работает так же, как закороченный диполь или монополь, с такой же схемой излучения. Излучение линейно поляризуется параллельно оси спирали. Такой режим используется в компактных антеннах у портативных и мобильных раций.

Осевой режим: размеры спирали сравнимы с длиной волны. Антенна работает как направленная, передавая луч с конца спирали вдоль её оси. Излучает радиоволны круговой поляризации. Часто используется для спутниковой связи.

Диаграмма направленности

Ромбическая антенна

Ромбическая антенна – широкополосная направленная антенна, состоящего из одного-трёх параллельных проводов, закреплённых над землёй в виде ромба, поддерживаемого в каждой вершине вышками или столбами, к которым провода крепятся при помощи изоляторов. Все четыре стороны антенны одинаковой длины, обычно не менее одной длины волны, или длиннее. Часто используются для связи и работы в диапазоне декаметровых волн.

Диаграмма направленности

Двумерная антенная решётка

Многоэлементный массив диполей, используемых в КВ диапазонах (1,6 – 30 МГц), состоящий из рядов и столбцов диполей. Количество рядов может быть 1, 2, 3, 4 или 6. Количество столбцов – 2 или 4. Диполи горизонтально поляризованы, а отражающий экран располагается за массивом диполей для обеспечения усиленного луча. Количество столбцов диполей определяет ширину азимутального луча. Для 2 столбцов ширина диаграммы направленности составляет около 50°, для 4 столбцов - 30°. Главный луч можно отклонять на 15° или 30° для получения максимального охвата в 90°.

Количество рядов и высота самого нижнего элемента над землёй определяет угол возвышения и размер обслуживаемой территории. Массив из двух рядов обладает углом в 20°, а из четырёх – в 10°. Излучение двумерной решётки обычно подходит к ионосфере под небольшим углом, и из-за низкой частоты часто отражается обратно к поверхности земли. Поскольку излучение может многократно отражаться между ионосферой и землёй, действие антенны не ограничено горизонтом. В результате такая антенна часто используется для связи на дальние расстояния.

Диаграмма направленности

Рупорная антенна

Рупорная антенна состоит из расширяющегося металлического волновода в форме рупора, собирающего радиоволны в луч. У рупорных антенн очень широкий диапазон рабочих частот, они могут работать с 20-кратным разрывом его границ – к примеру, от 1 до 20 ГГц. Усиление варьируется от 10 до 25 дБ, и часто они используются в качестве облучателей более крупных антенн.

Диаграмма направленности

Параболическая антенна

Одна из самых популярных антенн для радаров – параболический отражатель. Облучатель располагается в фокусе параболы, и энергия радара направляется на поверхность отражателя. Чаще всего в качестве облучателя используется рупорная антенна, но можно использовать и дипольную, и спиральную.

Поскольку точечный источник энергии находится в фокусе, он преобразуется в волновой фронт постоянной фазы, что делает параболу хорошо приспособленной для использования в радарах. Изменяя размер и форму отражающей поверхности, можно создавать лучи и схемы излучения различной формы. Направленность параболических антенн гораздо лучше, чем у Яги или дипольной, усиление может достигать 30-35 дБ. Главный их недостаток – неприспособленность к низким частотам из-за размера. Ещё один – облучатель может блокировать часть сигнала.

Диаграмма направленности

Антенна Кассегрена

Антенна Кассегрена очень похожа на обычную параболическую, но использует систему из двух отражателей для создания и фокусировки луча радара. Основной отражатель параболический, а вспомогательный – гиперболический. Облучатель находится в одном из двух фокусов гиперболы. Энергия радара из передатчика отражается от вспомогательного отражателя на основной и фокусируется. Возвращающаяся от цели энергия собирается основным отражателем и отражается в виде сходящегося в одной точке луча на вспомогательный. Затем она отражается вспомогательным отражателем и собирается в точке, где расположен облучатель. Чем больше вспомогательный отражатель, тем ближе он может быть к основному. Такая конструкция уменьшает осевые размеры радара, но увеличивает затенение раскрыва. Небольшой вспомогательный отражатель, наоборот, уменьшает затенение раскрыва, но его нужно располагать подальше от основного. Преимущества по сравнению с параболической антенной: компактность (несмотря на наличие второго отражателя, общее расстояние между двумя отражателями меньше, чем расстояние от облучателя до рефлектора параболической антенны), уменьшение потерь (приёмник можно разместить близко от рупорного излучателя), уменьшение интерференции по боковому лепестку для наземных радаров. Основные недостатки: сильнее блокируется луч (размер вспомогательного отражателя и облучателя больше, чем размер облучателя обычной параболической антенны), плохо работает с широким диапазоном волн.

Диаграмма направленности

Антенна Грегори

Слева – антенна Грегори, справа - Кассегрена

Параболическая антенна Грегори очень похожа по структуре на антенну Кассегрена. Отличие в том, что вспомогательный отражатель искривлён в противоположную сторону. Конструкция Грегори может использовать меньший по размерам вспомогательный отражатель по сравнению с антенной Кассегрена, в результате чего перекрывается меньшая часть луча.

Офсетная (асимметричная) антенна

Как следует из названия, излучатель и вспомогательный отражатель (если это антенна Грегори) у офсетной антенны смещены от центра основного отражателя, чтобы не блокировать луч. Такая схема часто используется на параболических антеннах и антеннах Грегори для увеличения эффективности.

Антенна Кассегрена с плоской фазовой пластиной

Ещё одна схема, предназначенная для борьбы с блокированием луча вспомогательным отражателем,- это антенна Кассегрена с плоской пластиной. Она работает с учётом поляризации волн. У электромагнитной волны есть 2 компоненты, магнитная и электрическая, всегда находящиеся перпендикулярно друг другу и направлению движения. Поляризация волны определяется ориентацией электрического поля, она бывает линейной (вертикальной/горизонтальной) или круговой (круговой или эллиптической, закрученной по или против часовой стрелки). Самое интересное в поляризации – это поляризатор, или процесс фильтрации волн, оставляющий только волны, поляризованные в одном направлении или в одной плоскости. Обычно поляризатор изготавливают из материала с параллельным расположением атомов, или это может быть решётка из параллельных проводов, расстояние между которыми меньше, чем длина волны. Часто принимается, что расстояние должно быть примерно в половину длины волны.

Распространённое заблуждение состоит в том, что электромагнитная волна и поляризатор работают схожим образом с колеблющимся тросом и дощатым забором – то есть, к примеру, горизонтально поляризованная волна должна блокироваться экраном с вертикальными щелями.

На самом деле, электромагнитные волны ведут себя не так, как механические. Решётка из параллельных горизонтальных проводов полностью блокирует и отражает горизонтально поляризованную радиоволну и пропускает вертикально поляризованную – и на оборот. Причина следующая: когда электрическое поле, или волна, параллельны проводу, они возбуждают электроны по длина провода, и поскольку длина провода многократно превышает его толщину, электроны могут легко двигаться и поглощают большую часть энергии волны. Движение электронов приведёт к появлению тока, а ток создаст свои волны. Эти волны погасят волны передачи и будут вести себя как отражённые. С другой стороны, когда электрическое поле волны перпендикулярно проводам, оно будет возбуждать электроны по ширине провода. Поскольку электроны не смогут активно двигаться таким образом, отражаться будет очень малая часть энергии.

Важно отметить, что, хотя на большинстве иллюстраций у радиоволн всего 1 магнитное и 1 электрическое поле, это не значит, что они осциллируют строго в одной плоскости. На самом деле можно представлять, что электрические и магнитные поля состоят из нескольких подполей, складывающихся векторно. К примеру, у вертикально поляризованной волны из двух подполей результат сложения их векторов вертикальный. Когда два подполя совпадают по фазе, результирующее электрическое поле всегда будет стационарным в одной плоскости. Но если одно из подполей медленнее другого, тогда результирующее поле начнёт вращаться вокруг направления движения волны (это часто называют эллиптической поляризацией). Если одно подполе медленнее других ровно на четверть длины волны (фаза отличается на 90 градусов), то мы получим круговую поляризацию:

Для преобразования линейной поляризации волны в круговую поляризацию и обратно необходимо замедлить одно из подполей относительно других ровно на четверть длины волны. Для этого чаще всего используется решётка (четвертьволновая фазовая пластина) из параллельных проводов с расстоянием между ними в 1/4 длины волны, расположенных под углом в 45 градусов к горизонтали.
У проходящей через устройство волны линейная поляризация превращается в круговую, а круговая – в линейную.

Работающая по этому принципу антенна Кассегрена с плоской фазовой пластиной состоит из двух отражателей равного размера. Вспомогательный отражает только волны с горизонтальной поляризацией и пропускает волны с вертикальной поляризацией. Основной отражает все волны. Пластина вспомогательного отражателя располагается перед основным. Он состоит из двух частей – это пластина со щелями, идущими под углом в 45°, и пластина с горизонтальными щелями шириной менее 1/4 длины волны.

Допустим, облучатель передаёт волну с круговой поляризацией против часовой стрелки. Волна проходит через четвертьволновую пластину и превращается в волну с горизонтальной поляризацией. Она отражается от горизонтальных проводов. Она опять проходит через четвертьволновую пластину, уже с другой стороны, и для неё провода пластины ориентированы уже зеркально, то есть, будто бы повёрнуты на 90°. Предыдущее изменение поляризации отменяется, так что волна снова приобретает круговую поляризацию против часовой стрелки и идёт обратно к основному отражателю. Отражатель меняет поляризацию с идущей против часовой стрелки на идущую по часовой. Она проходит через горизонтальные щели вспомогательного отражателя без сопротивления и уходит в направлении целей вертикально поляризованной. В режиме приёма всё происходит наоборот.

Щелевая антенна

Хотя у описанных антенн довольно большое усиление по отношению к размеру апертуры, у всех них есть общие недостатки: большая восприимчивость по боковым лепесткам (подверженность мешающим отражениям от земной поверхности и чувствительность к целям с низкой эффективной площадью рассеяния), уменьшение эффективности из-за блокирования луча (проблема с блокированием есть у малых радаров, которые можно использовать на летающих аппаратах; большие радары, где проблема с блокированием меньше, нельзя использовать в воздухе). В результате была придумана новая схема антенны – щелевая. Она выполнена в виде металлической поверхности, обычно плоской, в котором прорезаны отверстия или щели. Когда её облучают на нужной частоте, электромагнитные волны испускаются из каждого слота – то есть, слоты выступают в роли отдельных антенн и формируют массив. Поскольку луч, идущий из каждого слота, слабый, их боковые лепестки также очень малы. Щелевые антенны характеризуются высоким усилением, малыми боковыми лепестками и малым весом. В них могут отсутствовать выступающие части, что в ряде случаев является их важным преимуществом (например, при установке на летательных аппаратах).

Диаграмма направленности

Пассивная фазированная антенная решётка (ПФАР)

Радар с МИГ-31

С ранних времён создания радаров разработчиков преследовала одна проблема: баланс между точностью, дальностью и временем сканирования радара. Она возникает оттого, что у радаров с более узкой шириной пучка повышается точность (увеличивается разрешение) и дальность при той же мощности (концентрация мощности). Но чем меньше ширина пучка, тем дольше радар сканирует всё поле зрения. Более того, радару с большим усилением потребуются антенны большего размера, что неудобно для быстрого сканирования. Для достижения практичной точности на низких частотах радару потребовались бы настолько громадные антенны, что их было бы затруднительно поворачивать с механической точки зрения. Для решения этой проблемы была создана пассивная фазированная антенная решётка. Она полагается не на механику, а на интерференцию волн для управления лучом. Если две или более волн одного типа осциллируют и встречаются в одной точке пространства, суммарная амплитуда волн складывается примерно так же, как складываются волны на воде. В зависимости от фаз этих волн интерференция может усиливать или ослаблять их.

Луч можно формировать и управлять им электронным способом, контролируя разность фаз группы передающих элементов – таким образом можно контролировать, в каких местах происходит усиливающая или ослабляющая интерференция. Из этого следует, что в радаре самолёта для управления лучом из стороны в сторону должно быть не менее двух передающих элементов.

Обычно радар с ПФАР состоит из 1 облучателя, одного МШУ (малошумящего усилителя), одного распределителя мощности, 1000-2000 передающих элементов и равного количества фазовращателей.

Передающими элементами могут быть изотропные или направленные антенны. Некоторые типичные виды передающих элементов:

На первых поколениях истребителей чаще всего использовались патч-антенны (полосковые антенны), поскольку их проще всего разрабатывать.

Современные массивы с активной фазой используют желобковые излучатели из-за их широкополосных возможностей и улучшенного усиления:

Вне зависимости от типа используемой антенны увеличение количества излучающих элементов улучшает характеристики направленности радара.

Как мы знаем, при одинаковой частоте радара увеличение апертуры приводит к уменьшению ширины пучка, что увеличивает дальность и точность. Но у фазированных решёток не стоит увеличивать расстояние между излучающими элементами в попытке увеличения апертуры и уменьшения стоимости радара. Поскольку если расстояние между элементами больше, чем рабочая частота, могут появляться побочные лепестки, заметно ухудшающие эффективность радара.

Самая важная и дорогая часть ПФАР – фазовращатели. Без них невозможно управлять фазой сигнала и направлением луча.

Они бывают разных видов, но в целом их можно разделить на четыре типа.

Фазовращатели с временной задержкой

Простейший тип фазовращателей. Сигналу на прохождение линии передачи нужно время. Эта задержка, равная фазовому сдвигу сигнала, зависит от длины линии передачи, частоты сигнала и фазовой скорости сигнала в передающем материале. Переключая сигнал между двумя или более линиями передач заданной длины, можно управлять фазовым сдвигом. Переключающие элементы – это механические реле, pin-диоды, полевые транзисторы или микроэлектромеханические системы. pin-диоды часто используются из-за высокой скорости, низких потерь и простых цепей смещения, обеспечивающих изменение сопротивления от 10 кОм до 1 Ом.

Задержка, сек = фазовый сдвиг ° / (360 * частота, Гц)

Их недостаток в увеличении фазовой ошибки с увеличением частоты и увеличении размера с уменьшением частоты. Также изменение фазы изменяется в зависимости от частоты, поэтому для слишком малых и больших частот они неприменимы.

Отражательный/квадратурный фазовращатель

Обычно это квадратурное устройство связи, разделяющее входной сигнал на два сигнала, различающихся по фазе на 90°, которые затем отражаются. Затем они комбинируются по фазе на выходе. Эта схема работает благодаря тому, что отражение сигнала от проводящих линий могут быть смещены по фазе по отношению к падавшему сигналу. Сдвиг по фазе изменяется от 0° (открытая цепь, нулевая ёмкость варактора) до -180° (цепь закорочена, ёмкость варактора бесконечна). Такие фазовращателя обладают широким диапазоном работы. Однако физические ограничения варакторов приводят к тому, что на практике сдвиг по фазе может достигать только 160°. Но для большего сдвига возможно комбинировать несколько таких цепей.

Векторный IQ-модулятор

Так же, как и у отражательного фазовращателя, здесь сигнал разделяется на два выхода с 90-градусным смещением фазы. Входящая фаза без смещения называется I-каналом, а квадратура с 90-градусным смещением называется Q-каналом. Затем каждый сигнал проходит через двухфазный модулятор, способный сдвигать фазу сигнала. Каждый сигнал подвергается сдвигу фазы на 0° или 180°, что позволяет выбрать любую пару квадратурных векторов. Затем два сигнала рекомбинируются. Поскольку затухание обоих сигналов можно контролировать, у выходящего сигнала контролируется не только фаза, но и амплитуда.

Фазовращатель на фильтрах верхних/нижних частот

Был изготовлен для решения проблемы фазовращателей с временной задержкой, не способных работать на большом диапазоне частот. Работает путём переключения пути сигнала между фильтрами верхних и нижних частот. Похож на фазовращатель с временной задержкой, только вместо линий передачи используются фильтры. Фильтр верхних частот состоит из последовательности индукторов и конденсаторов, обеспечивающих опережение по фазе. Такой фазовращатель обеспечивает постоянный сдвиг фазы в диапазоне рабочих частот. Также его размер гораздо меньше, чем у предыдущих перечисленных фазовращателей, поэтому он чаще всего используется в радарах.

Если подытожить, то по сравнению с обычной отражающей антенной, основными преимуществами ПФАР будут: высокая скорость сканирования (увеличение количества отслеживаемых целей, уменьшение вероятности обнаружения станцией предупреждения об облучении), оптимизация времени нахождения на цели, высокое усиление и малые боковые лепестки (тяжелее заглушить и обнаружить), случайная последовательность сканирования (сложнее заглушить), возможность использовать особые техники модуляции и обнаружения для извлечения сигнала из шума. Основные недостатки – высокая стоимость, невозможность сканирования шире 60 градусов в ширину (поле зрения стационарного фазового массива – 120 градусов, механический радар может расширить его до 360).

Активная фазированная антенная решётка

Снаружи АФАР (AESA) и ПФАР (PESA) отличить сложно, но внутри они кардинально различаются. ПФАР использует один или два высокомощных усилителя, передающего один сигнал, который затем делится на тысячи путей для тысяч фазовращателей и элементов. Радар с АФАР состоит из тысячи модулей приёма/передачи. Поскольку передатчики находятся непосредственно в самих элементах, у него нет отдельных приёмника и передатчика. Различия в архитектуре представлены на картинке.

У АФАР большинство компонентов, таких, как усилитель слабых сигналов, усилитель большой мощности, дуплексор, фазовращатель уменьшены и собраны в одном корпусе под названием модуля приёма/передачи. Каждый из модулей представляет собой небольшой радар. Архитектура их следующая:

Хотя АФАР (AESA) и ПФАР (PESA) используют интерференцию волн для формирования и отклонения луча, уникальный дизайн АФАР даёт много преимуществ по сравнению с ПФАР. К примеру, усилитель слабого сигнала находится рядом с приёмником, до компонентов, где теряется часть сигнала, поэтому у него отношение сигнал/шум лучше, чем у ПФАР.

Более того, при равных возможностях обнаружения у АФАР меньше рабочий цикл и пиковая мощность. Также, поскольку отдельные модули АФАР не полагаются на один усилитель, они могут одновременно передавать сигналы с разными частотами. В результате АФАР может создавать несколько отдельных лучей, разделяя массив на подмассивы. Возможность работать на нескольких частотах приносит многозадачность и способность развёртывать системы радиоэлектронного подавления в любом месте по отношению к радару. Но формирование слишком большого количества одновременных лучей уменьшает дальность действия радара.

Два главных недостатка АФАР – высокая стоимость и ограниченность поля зрения 60 градусами.

Гибридные электронно-механические фазированная антенные решётки

Очень высокая скорость сканирования ФАР сочетается с ограничением поля зрения. Для решения этой проблемы на современных радарах ФАР располагаются на подвижном диске, что увеличивает поле зрения. Не стоит путать поле зрения с шириной пучка. Ширина пучка относится к лучу радара, а поле зрения – общий размер сканируемого пространства. Узкие пучки часто нужны для улучшения точности и дальности действия, а узкое поле зрения обычно не нужно.

Теги:

• радар
• антенна

Добавить метки

Cтраница 1

Диаграмма направленности спиральной антенны стабильна в широкой полосе частот; например, спираль с постепенно изменяющимся диаметром отдельных витков имела рабочий диапазон частот 120 - 450 Мгц ; начальный диаметр равнялся 60 см, а через 10 витков, осевая длина которых составляла 112 см, диаметр уменьшался до 20 см; точка возбуждения находилась в вершине. Было показано , что размеры проводника слабо влияют а характеристики излучения.  

Поскольку диаграмма направленности равноугольной спиральной антенны поворачивается при изменении частоты, при детальном изучении изменения диаграммы с частотой необходимо осуществлять поворот антенны для каждого сдвига частоты. При обычном способе работы антенна, как правило, неподвижна и желательно знать изменения положения диаграммы относительно начального состояния антенны.  

Ширина диаграммы направленности спиральной антенны уменьшается с увеличением угла подъема, числа витков спирали и уменьшением диаметра экрана.  

Ширина диаграммы направленности спиральной антенны уменьшается обратно пропорционально корню квадратному из длины спирали в длинах волн. Соотношения (21 - 21) - (21 - 23) будут проиллюстрированы на следующем примере.  

Множитель / с (6) диаграммы направленности спиральной антенны имеет максимум, направленный вдоль оси спирали в положительном направлении для волны тока Jv (n), в отрицательном направлении для волны тока J v (n 1), если значения ka выбраны в интервалах, соответствующих сильной дисперсии фазовой скорости этих волн тока.  

Рассмотренные в главе результаты решения задачи о возбуждении собственных волн Т заданными источниками поля в следующей главе используются для анализа зависимости диаграмм направленности спиральных антенн от параметров возбуждающих источников.  

При этом РП - k - Ар, фазовая скорость n - й пространственной гармоники близка к скорости света в свободном пространстве, щ направлена в противоположную сторону по сравнению с волной тока в проводнике спирали. Множитель Ус (9) диаграммы направленности спиральной антенны имеет максимум вдоль оси системы, но направлен навстречу волне тока.  

В технической литературе имеется большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн. Однако в этих работах исследуются диаграммы направленности эквиугольных спиральных антенн с угловыми параметрами fro и а, ограниченными небольшими пределами. В получены формулы для диаграмм направленности конических спиральных антенн с величинами углов конусности и намотки, удовлетворяющих условию sindotgaCl, но использование их для инженерных расчетов затруднительно, поскольку формулы представляют собой суммы комплексных полей витков. По этой же причине выражения для поля излучения, приведенные в , не удобны для получения формул для фазовых и поляризационных характеристик эквиугольных спиральных антенн В известной литературе отсутствуют формулы для расчета диаграммы направленности многозаходных эквиугольных спиральных антенн, а также нет достаточно обширных семейств расчетных графиков диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн для различных угловых параметров до и а и при различном числе заходов антенны.  

Таким образом, поле волны Тп при выполнении условий (3.12), в основном, определяется л-й пространственной гармоникой и имеет фазовую скорость, близкую к скорости света в свободном пространстве. В этом случае множитель / с (9) диаграммы направленности спиральной антенны имеет максимум вдоль оси спирали в направлении распространения волны тока. Поэтому интервал ka, в котором выполняются условия (3.12), называется областью сильной дисперсии фазовой скорости.  

В технической литературе имеется большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн. Однако в этих работах исследуются диаграммы направленности эквиугольных спиральных антенн с угловыми параметрами fro и а, ограниченными небольшими пределами. В получены формулы для диаграмм направленности конических спиральных антенн с величинами углов конусности и намотки, удовлетворяющих условию sindotgaCl, но использование их для инженерных расчетов затруднительно, поскольку формулы представляют собой суммы комплексных полей витков. По этой же причине выражения для поля излучения, приведенные в , не удобны для получения формул для фазовых и поляризационных характеристик эквиугольных спиральных антенн В известной литературе отсутствуют формулы для расчета диаграммы направленности многозаходных эквиугольных спиральных антенн, а также нет достаточно обширных семейств расчетных графиков диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн для различных угловых параметров до и а и при различном числе заходов антенны.  

В технической литературе имеется большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн. Однако в этих работах исследуются диаграммы направленности эквиугольных спиральных антенн с угловыми параметрами fro и а, ограниченными небольшими пределами. В получены формулы для диаграмм направленности конических спиральных антенн с величинами углов конусности и намотки, удовлетворяющих условию sindotgaCl, но использование их для инженерных расчетов затруднительно, поскольку формулы представляют собой суммы комплексных полей витков. По этой же причине выражения для поля излучения, приведенные в , не удобны для получения формул для фазовых и поляризационных характеристик эквиугольных спиральных антенн В известной литературе отсутствуют формулы для расчета диаграммы направленности многозаходных эквиугольных спиральных антенн, а также нет достаточно обширных семейств расчетных графиков диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн для различных угловых параметров до и а и при различном числе заходов антенны.  

В технической литературе имеется большое количество теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн. Однако в этих работах исследуются диаграммы направленности эквиугольных спиральных антенн с угловыми параметрами fro и а, ограниченными небольшими пределами. В получены формулы для диаграмм направленности конических спиральных антенн с величинами углов конусности и намотки, удовлетворяющих условию sindotgaCl, но использование их для инженерных расчетов затруднительно, поскольку формулы представляют собой суммы комплексных полей витков. По этой же причине выражения для поля излучения, приведенные в , не удобны для получения формул для фазовых и поляризационных характеристик эквиугольных спиральных антенн В известной литературе отсутствуют формулы для расчета диаграммы направленности многозаходных эквиугольных спиральных антенн, а также нет достаточно обширных семейств расчетных графиков диаграмм направленности эквиугольных спиральных антенн для различных угловых параметров до и а и при различном числе заходов антенны.  

Страницы:      1

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Кафедра «Антенны и устройства СВЧ»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Антенны и устройства СВЧ»

Тема: Расчёт спиральной антенны круговой поляризации

Минск, 2010 г.

Введение

1. Основные соотношения, выбор рабочего типа волны и фидера

2. Описание конструкции антенны и АФР на ее раскрыве

3. Расчет геометрических и электрических характеристик антенн

3.3 Программа для расчета электрических параметров

3.4 Результаты численного моделирования антенны

Заключение

Список литературы

Введение

спиральная антенна круговая поляризация

Антенна является необходимой частью любой радиотехнической системы. Антенны классифицируются по многим признакам и параметрам.

По направленности излучения и приема различают слабонаправленные, антенны, линейные размеры которых либо много меньше, либо соизмеримы с длиной волны; умеренно направленные - размеры порядка единиц длин волн; остронаправленные - размеры порядка десятков единиц длин волн.

По принципу действия и конструктивному исполнению антенны делятся на: проволочные и штыревые, применяемые на кило-, гекто- и декаметровых волнах; щелевые, состоящие из щелей в экранах или стенках волноводов, использующиеся на дециметровых и сантиметровых волнах; антенны поверхностных волн, где излучение во внешнее пространство происходит в результате замедленного или ускоренного распространения волны по поверхности антенны; апертурные антенны, в которых излучение происходит с большей по сравнению с квадратом длины волны, площади; многоэлементные антенны - антенные решетки, где излучающими элементами служат слабонаправленные антенны.

По полосе частот: узкополосные (полоса частот составляет 5 -10% от средней частоты), широкополосные (полоса в 40 - 50%) и сверхширокополосные (полоса больше 50%).

По области применения антенны подразделяются на связные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные и т.д.

Развитие различных отраслей радиоэлектроники вызвало практическую потребность в антеннах, обеспечивающих излучение и прием эллиптически поляризованного поля в широком диапазоне частот. Среди различных типов широкополосных антенн важное место занимают спиральные антенны, которые являются слабо- и средненаправленными широкополосными антеннами эллиптической и управляемой поляризации. Они применяются в качестве самостоятельных антенн, облучателей зеркальных и линзовых антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн, элементов антенных решеток. В большинстве случаев основными требованиями является способность работать в широком диапазоне частот, обеспечение эллиптической и близкой к круговой поляризации.

Разработано и используется значительное множество типов и конструкций спиральных антенн, отличающихся диапазонными свойствами, поляризацией поля и другими свойствами. Цилиндрическая регулярная однозаходная спиральная антенна в режиме осевого излучения имеет коэффициент перекрытия по частоте 1.8 и излучает поле с круговой поляризацией (правая или левая – зависит от направления скручивания спирали) в направлении оси.

Направитель спиральной антенны может быть выполнен в виде конической спирали, что увеличивает Kf, или плоской спирали, что уменьшает продольный размер антенны (хотя и уменьшает Kf). Число заходов (ветвей) спирали может быть несколько. Это также увеличивает Kf. Если заходы намотаны в разные стороны (правые и левые спирали), появляется возможность управления поляризацией излучения путем изменения амплитуд и фаз токов, возбуждающих отдельные заходы. В зависимости от отношения диаметра спирали к длине волны диаграмма направленности может быть осевой или конической.

С целью уменьшения продольных размеров антенны в качестве направителя используют плоские спирали. Плоская спиральная антенна менее диапазонна, чем цилиндрическая, так как сама спираль одинаково излучает в сторону экрана и в противоположном направлении. Для синфазного сложения этих полей в направлении от экрана расстояние между спиралью и экраном должно быть близким к четверти длины волны.

Более диапазонными по сравнению с цилиндрической регулярной спиральной антенной являются цилиндрическая спиральная антенна с переменным шагом.

Рисунок 1.1 – Плоская спиральная антенна, антенна с переменным шагом, коническая антенна

1. Основные соотношения, выбор рабочего типа волны и фидера

Все волны в спиральной линии имеют продольные и поперечные по отношению к оси составляющие векторов Е и Н и являются аналогами волн НЕmn и EHmn в круглом волноводе. Отличие заключается в том, что они распространяются с фазовой скоростью, меньшей скорости света в свободном пространстве, и, следовательно, являются поверхностными.

Амплитуды векторов Е и Н при удалении от оси спирали в радиальном направлении в области т> R уменьшаются приблизительно по экспоненциальному закону. Чем меньше фазовая скорость, тем быстрее спадает амплитуда поля с ростом r.

В регулярной (бесконечной вдоль оси Z) замедляющей системе существует поток мощности только вдоль оси Z. Это общая закономерность для замедленных волн в любых замедляющих системах. В регулярной спиральной линии распределение тока в витке спирали по координате φ является периодической функцией φ с периодом, равным 2π. Это следует из того, что точки наблюдения Р(r,φ,z) и Р(r,φ+2π,z) в пространстве совпадают. Поэтому ток в проводнике спирали I(φ,z) можно разложить в комплексный ряд Фурье:

Каждый член этого ряда называется пространственной φ - гармоникой, Im(z) - амплитуды гармоник. Аналогично можно представить и поле спиральной линии:

В зависимости от величины в рядах (1) и (2)преобладающей (резонирующей) будет одна из гармоник. Поле волны Тm в общем случае может быть записано в форме (2), при этом в поле резонирует гармоника с номером m.

В том случае, когда в поле волны Тm резонирует гармоника с m=1. Пренебрегая всеми остальными гармониками, ток I(φ,z) в соответствии с (1) можно записать в виде:

Поскольку в спирали существует бегущая волна тока (от конца спирали отражение слабое и им можно пренебречь при приближенном рассмотрении процессов и расчете), ток I1(z) определяется выражением:

описывающим волну, распространяющуюся вдоль оси Z. В (4) I1 - амплитуда тока, β - коэффициент фазы.

Из выражения (3) следует, что ток I(φ,z) представляет собой сумму двух токов I"(φ,z)= I1(z)-cosφ и I""(φ,z) = iI(φ,z) - sinφ. В каждом из них одинаковая зависимость от координаты z, одинаковые амплитуды I1(z), но разные зависимости от координаты φ. Причем токи сдвинуты по фазе на 90°. На рисунке 2.1 в виде эпюры показано распределение токов I"(φ,z) на витке спирали в зависимости от φ. На рисунке 2.1, б показано распределение тока I (φ,z) в зависимости от φ. На рисунке 2.1,а показаны также:

Элементарные излучатели витка 1 и 2;

Векторы е1 и Е2 поля, созданного этими элементами на оси спирали (оси Z);

Вектор Е", равный сумме векторов Е 1 и Е2.

Как видно, вектор Е" ориентирован вдоль оси Y, т.е. поляризован линейно вертикально. Аналогично для любых двух элементарных излучателей, расположенных симметрично относительно оси Y, вектор Е их суммарного поля ориентирован вдоль оси Y. Поэтому вектор Е всех элементов витка будет ориентирован вдоль оси Y и можно считать, что вектор Е" - это вектор электрического поля одного витка спирали на ее оси для тока I"(φ,z). Причем виток излучает одинаково и вдоль оси +Z и в обратном направлении - вдоль оси -Z, и максимум диаграммы направленности одного витка ориентирован по оси Z. Плоскостью Е является плоскость YZ, плоскостью Н - плоскость XZ.

На рисунке 2.1 показаны также распределение тока I""(φ) = I""(φ,z)│z = const и вектор Е" поля на оси спирали, созданного витком спирали с этим током. Вектор Е" ориентирован вдоль оси X. Плоскости Е и Н поля витка с током I""(φ) меняются местами по сравнению с полем тока I"(φ) . Так как токи I""(φ) и I"(φ) имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на 90°, векторы Е" и Е" также одинаковы по амплитуде, сдвинуты по фазе на 90° и взаимно перпендикулярны в пространстве. Вследствие этого результирующий вектор Ё=Е"+Е" поля одного витка спирали имеет круговую поляризацию вдоль оси спирали.

Главный лепесток ДН витка спирали в плоскости Е уже, чем в плоскости Н. Это связано с тем, что элементарный излучатель витка - диполь Герца в плоскости Н излучает ненаправленно, а в плоскости Е вдоль оси не излучает.

В суммарном поле витка спирали, имеющем круговую поляризацию, плоскости Е и Н вращаются вокруг оси Z с частотой поля. Поэтому рассматриваются диаграммы направленности по составляющим Еθ и Еφ.

Эти диаграммы направленности определяются следующими выражениями :

где J0 - функция Бесселя нулевого порядка; k - волновое число свободного пространства; R – радиус спирали.

Вдоль системы витков распространяется бегущая волна тока, поэтому устанавливается линейное фазовое распределение. Поля всех витков в направлении оси Z (в направлении вектора фазовой скорости волны тока) складываются с одинаковыми фазами, в противоположном направлении - компенсируют друг друга. В результате спиральная антенна на волне Т 1 формирует поле с осевой диаграммой направленности.

Аналогично, рассматривая распределение тока в витке спирали на волне Т2, можно показать, что виток спирали имеет коническую ДН. В элементах витка, расположенных диаметрально противоположно, токи противофазны, поэтому их суммарное поле на оси спирали равно нулю. Под некоторым углом к оси поля этих элементов уже сдвинуты по фазе за счет разности хода, и их суммарное поле не равно нулю. То же самое наблюдается на всех волнах Тm. Причем с ростом номера m растет число боковых лепестков ДН, а направление главного максимума приближается к оси спирали - угол Θm уменьшается.

В режиме Т0, когда резонирует нулевая пространственная гармоника (m=0), ток на протяжении всего витка спирали имеет одинаковую фазу (одинаковое направление). Поэтому такой виток эквивалентен магнитному диполю, не излучающему вдоль оси витка. Диаграмма направленности антенны в режиме Т0 имеет форму тороида.

Гармоника с номером m резонирует в поле спирали, если на периметре цилиндра спирали укладывается m длин волн, т.е. 2πR=mλ или

Подробный анализ типов волн в спиральной линии показывает, что условие (6) определяет среднюю длину волны рабочего диапазона, в котором существует волна Тm.Таким образом для создания в спиральной линии волны Т1, которая удовлетворяет требованиям, предъявляемым к антенне в данной работе, необходимо, чтобы

Диаграмму направленности и КНД спиральной антенны можно приближенно рассчитать по формулам, полученным аналитически для линейной антенной решетки с равномерным амплитудным и линейным фазовым распределением возбуждения; более точно - численно, предварительно решив внутреннюю задачу. Можно также расчет антенны и ее параметров произвести по эмпирическим формулам, полученным в результате обработки большого числа экспериментальных результатов.

Аналитический метод заключается в следующем. Регулярную спиральную антенну с числом витков n можно считать линейной антенной решеткой. Диаграмма направленности такой решетки по составляющим eθ и Еφ определяется выражением :

Диаграммы направленности одного излучателя - витка спирали описываются формулами (5). Множитель системы Fc(θ) для решетки с равномерным амплитудным и линейным фазовым распределением определяется выражениями :

где S - расстояние между соседними излучателями (шаг спирали).

Коэффициент замедления , где β - коэффициент фазы замедленной волны, распространяющейся вдоль оси спирали.

Аналитическое решение задачи по определению типов волн в регулярной (бесконечной) спирали показывает, что коэффициент замедления превышает единицу на 0,01-0,001 и его можно считать равным 1. В этом случае можно применить выражение КНД, полученное для линейной антенны в режиме осевого излучения :

где l=n×S - осевая длина спирали (длина направителя).

Выражение (10) дает заниженное значение КНД. Это связано с тем, что в спирали конечной длины коэффициент замедления больше. Приближенно его определяют из условия синфазного сложения полей всех витков в направлении оси спирали (хотя это и недостаточно обоснованно), что приводит к следующему выражению :

Это значение коэффициента замедления при L/λ > 1,5 близко к оптимальному в линейной антенне в режиме осевого излучения и равному :

При оптимальном коэффициенте замедления КНД определяются выражениями

которые дают более точные значения.

Выражения (8), (9) справедливы при целом числе витков спирали N. Если N не целое, спиральную антенну для расчета ДН считают линейной антенной с равномерным амплитудным и линейным фазовым распределением длиной L. В этом случае множитель системы определяется выражением :

где

Формулы (8), (9) и (14), (15) дают близкие результаты, если N>5.

Аналитический метод расчета диаграммы направленности и КНД спиральной антенны является приближенным в силу использованных выше допущений (пренебрежение волнами, излучаемыми возбудителем и концом направителя) и неточного значения коэффициента замедления. Кроме того, в таком расчете не учитывается металлический экран диаметром Dэ » (0,6 - 0,7)λ., который всегда применяется для уменьшения заднего излучения и повышения эффективности возбуждения замедленной волны в спирали. Поэтому часто для расчета КНД используют следующее эмпирическое выражение , в котором k -волновое число свободного пространства:

Входное сопротивление в широкой полосе частот имеет малую реактивную часть. Активное сопротивление приближенно определяется выражением:

Основным режимом регулярной спиральной антенны является режим осевого излучения, наблюдаемый на волне T1. Поэтому рассмотрим диапазонные свойства в этом режиме .

Волна T1 в однозаходной спиральной линии существует в диапазоне длин волн λmax-λmin, которые связаны с волновым числом свободного пространства k и радиусом спирали R соотношением:. Получены следующие выражения для значений (kR)min и (kR)max:

где (kR)0max ограничивает значение kR со стороны меньших значений и является верхней границей области существования волны Т0;

kR" ограничивает область существования волны Т1 в которой резонирует пространственная гармоника с m=1 (обеспечивается режим осевого излучения);

(kR)2min ограничивает со стороны меньших значений область существования волны Т2.

Указанные значения kR определяются выражениями:

На рисунке 2.2 показаны зависимости приведенных значений kR от угла намотки спирали а. Область значений kR и α, в которой выполняются условия (19), (20), заштрихована. В этой области существует волна Т1, и в ней резонирует пространственная гармоника с номером m=1, т.е. в спиральной антенне существует режим осевого излучения. Как видно, эта область имеет максимальную ширину по шкале kR = 2πR/λ (следовательно, по шкале длин волн λ) при некотором оптимальном угле намотки спирали αопт. Максимальная ширина этой области ограничена значениями kRmiu и kRmax, а по шкале длин волн значениями λmax и λmin. Из условия равенства значений kR" и (kR)min при α=αonT нетрудно получить αопт=19,5°. Значения, ограничивающие область режима осевого излучения, получаются равными:

При этом λmin≈4.5R; λmax≈9R коэффициент перекрытия по частоте получается равным

Рисунок 2.2 - Область режима осевого излучения спиральной антенны

2. Среднее в диапазоне значение длины волны получается равным периметру цилиндра спирали 2πR.

Для определения КСВ и коэффициента усиления антенны в литературных источников приводится ряд формул, в контексте решения поставленной задачи воспользуемся следующими :

,

где К0- коэффициент отражения:

Антенна будет возбуждаться коаксиальным кабелем РК-2-11 (50 Ом). Параметры этой коаксиальной линии: диаметр внутренней жилы – 0.67 мм, диаметр диэлектрика – 2 мм, внешний диаметр – 3.9 мм. Для подключения будет использоваться SMA разъём.

Вид SMA разъёма иллюстрирует рисунок 2.3.

Рисунок 2.3 – Вид SMA разъёма

Поскольку обычно волновое сопротивление фидера фиксировано, а входное сопротивление спирали может быть различным, то в этом случае надо применить согласующее устройство СВЧ. Входное сопротивление спиральной антенны в режиме осевого излучения остаётся чисто активным, так как в этом режиме в проводе спирали устанавливается режим бегущей волны . Поэтому для согласования можно применить конусообразный переход (рисунок 2.4) из коаксиальных линий передачи.

Рисунок 2.4 – Коаксиальный трансформатор

Если длину конусной части () взять равной l/4, то этот переход работает как четвертьволновый трансформатор для согласования линии с разным волновым сопротивлением .

Волновое сопротивление конусной части линии, должно быть:

, где

Волновое сопротивление конусной части перехода

Волновое сопротивление подводящего фидера

Волновое сопротивление спиральной антенны

По известному волновому сопротивлению можно определить отношение диаметров элементов коаксиального тракта:

lg (Ом)

Для коаксиального устройства с воздушным заполнением и Ом отношение .

2. Описание конструкции антенны и АФР на ее раскрыве

Основным режимом работы антенны является режим осевого излучения, при котором формируется диаграмма направленности (далее ДН) вдоль оси спирали.

Спиральная антенна состоит из следующих составных частей:

Рисунок 3.1 - Общий вид антенны

На рисунке 3.1 показано: 1 - спираль из медной трубки, 2 - диэлектрический каркас, 3 - металлический сетчатый экран, 4 - согласующее устройство, 5 - питающий фидер.

В данном случае для изготовления антенны лучше взять медную трубку, для облегчения конструкции, т.к. токи высокой частоты текут лишь по поверхности металла.

В качестве каркаса можно применить твёрдый пенопласт. При этом расчетные соотношения останутся неизменными т.к. пенопласт однороден в азимутальном и продольном направлениях, а его диэлектрическая проницаемость практически равна диэлектрической проницаемости воздуха.

Для уменьшения заднего излучения мы применяем экран, который в ДМВ диапазоне делается из металлической сетки .

Расчет характеристик и параметров спиральной антенны, естественно не может быть сделан с учетом всех её конструктивных элементов и особенностей распределения в ней тока. Поэтому применяется упрощенная модель спирали при условии, что осевая длина больше 0.5l, а отражение волны тока от свободного конца спирали невелико (условия выполняются при работе антенны в режиме бегущей волны). Исследования показывают, что в этом случае реальная спиральная антенна может быть заменена отрезком регулярной спирали с равномерным по амплитуде и линейным по фазе распределением тока вдоль оси захода (рисунок 3.2). :

Рисунок 3.2 – АФР антенны

Рисунок 3.3 – Развертка спирали

где l= c/f, где c - скорость света, f - рабочая частота, n - число витков спирали, a - угол подъёма витка, R - радиус спирали, S - шаг витка спирали, L - длина витка спирали, l – длина всейспирали.

Таким образом, расчётные соотношения для цилиндрической спирали:

получены в соответствии с рисунком 3.3.

Зная требуемый коэффициент направленного действия, можно рассчитать длину антенны

Шаг спирали рассчитывается по формуле

Число витков спирали рассчитываем через длину и шаг спирали

Длину витка спирали, при которой излучение максимально вдоль оси нужно выбрать из интервала

Радиус спирали находим из соотношения (27)

Угол подъёма спирали находим из (28)

Диаметр провода спирали берется порядка (0.03...0.05)l, причем, чем толще провод, тем больше уровень боковых лепестков и тем меньше входное сопротивление . С увеличением диаметра также сближаются диаграммы направленности по компонентам q и j. Для облегчения конструкции возьмём меньший диаметр 0.03l.

Для уменьшения уровня обратного излучения спираль применяется совместно с экраном обычно круглой формы, причем в диапазоне ДМВ он изготавливается из металлической сетки. Размер ячейки сетки делается меньше одной десятой длины волны, а расстояние от экрана до первого витка спирали делают 0.25S. Экран следует делать из проволоки толщиной не менее 3 мм, т.к. он является несущим для фидера спирали и какого-либо опорно-поворотного устройства.

Эксперимент показывает, что характеристики антенны наиболее стабильны в диапазоне частот при , а входное сопротивление практически не меняется. Поэтому, примем .

На характеристики излучения антенны оказывает влияние форма и размеры переходного участка от внутреннего проводника фидера к проводнику спирали. Этот элемент обтекается током большой амплитуды и не имеет осевой диаграммы направленности. Уменьшить его влияние можно уменьшением его длины.

3. Расчет геометрических и электрических характеристик антенны

3.1 Расчёт геометрических параметров антенны

В ходе выполнения данной работы для проведения аналитических расчетов и построения графиков зависимостей была использована программа MathCAD.

Зная среднюю рабочую частоту (f=910 МГц), определим среднюю длину волны 0.33 м. Диапазон рабочих частот – 100 МГц, что составляет 11% от несущей частоты.

Для определения ширины ДН, при которой будет достигаться требуемый КНД, необходимо осуществить расчёты.

Так как 2θ Е 0.5° = 2θ Н 0.5°=45°, то КНД будет равен:

Цилиндрическая регулярная однозаходная спиральная антенна имеет коэффициент перекрытия по частоте 1.8 в режиме осевого излучения и излучает поле круговой поляризации, что вполне удовлетворяет техническим требованиям. Поэтому мы выберем антенну вышеописанной конфигурации.

Зная коэффициент направленного действия, можно рассчитать длину антенны.

По известной длине волны рассчитывается шаг спирали.

Число витков рассчитываем через длину и шаг спирали.

Возьмем 6 витков, однако при этом необходимо пересчитать длину спирали, чтобы не изменился угол намотки.

Длину витка спирали нужно выбирать из интервала (0.75...1.3), например возьмем L= радиус витка спирали находим из следующего соотношения:

Угол подъема спирали находим по развертке витка спирали.

Диаметр трубки спирали возьмем 0.03*=0.01м=1 см. Расстояние от экрана до первого витка спирали выберем 0.25*S=0.018м=1.8 см. Диаметр экрана выберем 0.7*=0.231м.

3.2 Электрический расчет антенны

Для расчета диаграмм направленности на средней рабочей частоте по компонентам подставим найденные геометрические размеры антенны в формулы (5). Для определения КНД антенны в рабочем диапазоне частот воспользуемся соотношением (16).

Чтобы определить входное сопротивление воспользуемся формулой Крауса, которая в диапазоне ДМВ дает приемлемые результаты.

Как видно из расчета, входное сопротивление антенны отличается от волнового сопротивления выбранного фидера. Из этого следует необходимость применения согласующего устройства, а именно коаксиальный трансформатор сопротивлений. Поскольку в качестве фидера был выбран РК-2-11 с диаметром центральной жилы – 0.67 мм, то можно определить размеры коаксиального трансформатора (рисунок 2.4).

Длину конусной части берем равной /4=0.0825 м для того, чтобы переход работал как четретьволновой трансформатор для согласования линии с разным волновым сопротивлением.

Волновое сопротивление конусной части линии должно быть:

По известному волновому сопротивлению можно определить соотношение диаметров элементов коаксиального тракта по формуле 26. Для коаксиального волновода с воздушным заполнением и Z=100 Ом отношение d/D=0.17, для Z=140 Ом - 0.096, для Z=50 Ом - 0.435.

Для того чтобы было удобно соединять трубку спирали и центральную жилу выходной части согласующего устройства возьмем последнюю диаметром меньше диаметра трубки например 3 мм.

Так как антенна согласована на средней рабочей частоте, то КСВ при этих условиях будет минимален. При изменении частоты КСВ будет увеличиваться. Для расчета КСВ в диапазоне частот используем формулу 24. Зависимость КСВ от частоты приведена на рисунке 4.1.

Зная геометрические размеры антенны, можно рассчитать ее электрические параметры. Формулы для расчета диаграмм направленности получаются для компонент Еq и Еf поля волны Т1. Эти выражения приводятся в литературе. Приближенно можно считать, что диаграммы направленности не зависят от угла f, т.е. являются телами вращения, хотя небольшая зависимость все же имеется. В итоге ДН для целого числа витков спирали определяются нижеприведенными выражениями.

Рисунок 4.1 – КСВ антенны в полосе частот

Диаграммы направленности имеют вид:

Рисунок 4.2 – ДН антенны на средней частоте диапазона в полярных координатах

Рисунок 4.3 - ДН антенны на средней частоте диапазона в прямоугольных координатах (плоскость Е)

Рисунок 4.4 – ДН антенны на средней частоте диапазона в прямоугольных координатах (плоскость Н)

Рисунок 4.5 – ДН антенны на нижней частоте диапазона в полярных координатах

Рисунок 4.6 – ДН антенны на верхней частоте диапазона в полярных координатах

Зависимость КНД от длины волны в пределах рабочего диапазона имеет вид:

Рисунок 4.7 – Зависимость КНД от длины волны

3.3 Программа для расчета электрических параметров

Для решения внешней задачи и для расчета электрических параметров цилиндрической спиральной антенны была использована программа MMANA. Программа разработана японским специалистом Makoto Mori и переведена на русский язык специалистом И. Гончаренко.

В программе реализован метод интегральных уравнений для тонкопроволочных антенн. По заданной пользователем геометрии проволочной антенны MMANA позволяет:

· рассчитывать любые типы антенн, которые можно представить как произвольный набор проводов;

· производить расчет на любой частоте;

· создавать и редактировать описания антенны, как указанием цифровых координат, так и в графическом редакторе (просто рисовать антенну "мышкой");

· рассматривать множество разных видов антенны;

· рассчитывать диаграммы направленности (ДН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях;

· строить трехмерные диаграммы направленности;

· одновременно сравнивать результаты моделирования нескольких разных антенн;

· редактировать каждый элемент антенны, включая возможность изменения его форму;

· редактировать описание каждого провода антенны простым перетаскиванием "мышкой";

· просчитывать комбинированные (состоящие из нескольких, разных диаметров) провода;

· создавать стеки, в качестве элемента стека можно использовать любую;

· оптимизировать антенну, гибко настраивая цели оптимизации: Zвх, КСВ, усиление, F/B, минимум вертикального угла излучения;

· задавать изменение при оптимизации более 90 параметров антенны, возможно описание совместного (зависимого) изменения нескольких параметров;

· сохранять все шаги оптимизации в виде отдельной таблицы для последующего анализа;

· строить множество разнообразных частотных графиков: Zвх, КСВ, усиление, F/B, ДН;

· автоматически рассчитывать разные согласующие устройства, с возможностью включать и выключать их при построении графиков;

· создавать таблицы для всех переменных расчетных данных: токов в каждой точке антенны, зависимости усиления от углов, изменение основных параметров антенны от частоты, напряженности полей антенны в заданной области пространства;

· рассчитывать катушки, контура, СУ на LС элементах, СУ на отрезках длинных линий (несколько видов), индуктивности и емкости, выполненные из отрезков коаксиального кабеля;

· Не имеет ограничений по взаимному расположению проводов. Максимальное число: проводов - 512, источников - 64, нагрузок - 100.

Рисунок 4.8 - Внешний вид программы MMANA

После задания геометрии, источников (обязательно), нагрузок (не обязательно) и частоты можно рассчитать характеристики и параметры антенны. Для этого необходимо выбрать пункт меню «Вычисления», в открывшемся экране щелкнуть по кнопке «Пуск». После расчета в таблицу этого экрана выводятся параметры антенны. Диаграмму направленности можно просмотреть, выбрав пункт меню «Диаграммы направленности».

Рисунок 4.9 - Вид модели в программе MMANA

Геометрию антенны можно создавать также с помощью встроенного графического редактора. Для того чтобы войти в редактор и рисовать в нем отрезки проводников, необходимо:

Или на экране «Геометрия» в главном меню выбрать пункт «Правка», в развернувшемся подменю щелкнуть по пункту «Правка провода»;

Или на экране «Вычисления» внизу щелкнуть по пункту «Правка провода». Методика рисования будет понятна после входа в редактор. Созданный файл геометрии и результатов расчета можно сохранить, выбрав в главном меню пункт «Файл».

Для задания геометрии спиральной антенны была использована программа, которая по основным параметрам антенны и экрана рассчитывает начальные и конечные координаты линейных отрезков (сегментов), на которые они разбиваются, и создает файл с расширением *.maa. Дальнейший расчет производится в программе MMANA.

Рисунок 4.10 - Внешний вид программы для расчета геометрии

В программе исходными данными для спирали являются: радиус, число витков, угол намотки, радиус проводника, шаг аппроксимации. Для экрана: радиус, число радиальных проводников, число колец экрана, дельта – размер ячейки относительно длины волны. Также задается: частота и имя выходного файла. Для начала работы следует нажать кнопку “Расчет и сохранение”. Файл с заданным именем создается в папке с программой.

3.4 Результаты численного моделирования антенны

Моделирования в программе MMANA будет выполнено для того, чтобы проверить правильность результатов, которые были получены в результате теоретического расчёта. При необходимости будут внесены необходимые коррективы в геометрию антенны.

Рисунок 4.11 – ДН антенны в полярных координатах

Рисунок 4.12 – Зависимость КСВ от частоты

Рисунок 4.13 – Зависимость КНД и F/ B от частоты

Рисунок 4.14 – Зависимость активной и реактивной части входного сопротивления от частоты

Рисунок 4.15 – Зависимость ДН от частоты

При работе антенны в реальных условиях, КНД будет увеличиваться из-за изрезанности ДН в вертикальной плоскости. На рисунке 4.14 приведена ДН антенны, расположенной на высоте 5 метров над землёй.

Рисунок 4.16 – ДН антенны, расположенной на высоте 5 метров над землёй

Рисунок 4.17 – Объёмная ДН антенны, расположенной на высоте 5 метров над землёй

Активное сопротивление составляет около 140 Ом, что позволяет подключать антенну к стандартному коаксиальному кабелю с сопротивлением 50 Ом с применением согласующего устройства, рассчитанного в разделе 4.2.

Что касается диаграммы направленности, то она остаётся практически неизменной во всём диапазоне рабочих частот. Также в заданной полосе частот КСВ не превышает установленных пределов.

Кроме этого, необходимо сказать, что теоретический расчёт и моделирование дают схожие результаты в исследовании характеристик спиральной антенны.

Особенностью программы MMANA является то, что в ней не предусмотрен вывод графика ДН в прямоугольных координатах, что затрудняет определение ширины ДН. Однако, судя по графикам, представленным на рисунках 4.3 и 4.4, она соответствует заданным параметрам.

Заключение

в данном курсовом проекте был произведен анализ регулярной цилиндрической спиральной антенны. Сопоставив полученные результаты, можно сказать, что спиральная антенна является широкополосной антенной с осевым излучением волн круговой поляризации.

В ходе работы была использована программа для WINDOWS, позволяющая создавать геометрию различных спиральных антенн и исследовать в пакете MMANA.

Спроектированная антенна отличается простотой конструкции и может применяться как самостоятельная антенна, так и в качестве элемента антенной решетки.

Список литературы

1. Юрцев О.А., Рунов А.В., Казарин А.Н. Спиральные антенны М.:Радио и связь 1974г.

2. Юрцев О.А. Элементы общей теории антенн. Методическое пособие. БГУИР: 1997г.

3. Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. М: Советское радио 1957г.

4. Марков Г.Т., Сазонов Д.Н. Антенны М.: Связь 1977г.

1.Режимы излучения спиральной антенны 2

2.Расчетные соотношения для цилиндрической спиральной антенны 5

3.Плоская арифметическая спиральная антенна 8

4.Равноугольная (логарифмическая) спиральная антенна 11

5.Пример расчета цилиндрической спиральной антенны 14

Список использованной литературы 16

1. Режимы излучения спиральной антенны.

1.1. Спиральная ан­тенна представляет собой свернутый в спираль провод (1), который питается через коаксиальный фидер (2) (рис. 1, а). Внутренний провод фидера соединяется со спиралью, а внешняя оболочка фидера - с металлическим диском (3). Последний служит рефлектором, а также препятствует проникновению токов с внутренней на наружную поверхность оболочки фидера. Спираль может быть не только цилиндриче­ской, как на рис. 1, а, но и конической (рис. 1, в) и плоской (рис. 7) или выпуклой.

Рис.1. Спиральные антенны:

а - цилиндрическая; б – развёрнутый виток; в – коническая.

Цилиндрическая спиральная антенна характеризуется следующими геометрическими размерами: радиусом а, шагом s, длиной одного витка, числом витков p, длиной по оси , углом подъема .

Как видно из схемы антенны и изображения развернутого витка спирали (рис. 1, б), между размерами антенны имеются следующие зависимости:

, ,

1.2. Спиральные антенны используются на УКВ в режиме бегущих волн с осевым излучением и вращающейся поляризацией. Такой режим требует определенных соотношений между размерами антенны и дли­ной волны. Выявим эти соотношения.

Ток высокой частоты, проходя но спирали, вызывает излучение электромагнитных волн. Достаточно десяти-одиннадцати витков, что­бы вся подводимая к антенне энергия излучалась в пространство и не происходило отражения волн от конца спирали. Такая бегущая волна тока распространяется вдоль провода спирали с фазовой скоростью , т. е., с замедлением .

Рис.2.Виток спиральной антенны

Волна проходит один виток (от сечения 1 к сечению5 на рис. 2) за время.Электро­магнитные волны, возбуждаемые током спирали, распространяются в воздухе со скоростью с и длиной волны.

Если бы все витки сливались, то достаточно было установить время, равным периоду колебаний, т. е., чтобы поля любой пары противоположных элементов (1-3,2-4) спирали совпадали по фазе и полностью складывались в точках оси 0"0", которая равноудалена от контура витка. Это объясняется тем, что в пределах одного витка ам­плитуды тока практически одинаковая, а различие в фазе на угол в диаметрально противоположных сечениях витка (1-3, 2-4) компенсируется противоположным направлением токов в них.

В случае спирали цилиндрической формы с шагом s условие мак­симального осевого излучения формулируется несколько иначе: за вре­мя прохождения тока по витку электромагнитная волна долж­на пройти в воздухе расстояние большее, чем длина волны, на шаг s:

; соответственно

(1)

При таком коэффициенте замедления токи в любых двух сечениях, расположенных под углом 90° (например, в 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5), вызывают на оси О"О" поля, которые сдвинуты по фазе на 90°, и волны, которые поляризованы под углом 90°. В результате сложения этих линейно-поляризованных волн получаются волны с круговой поляриза­цией.

1.3. Опытным путем установлено, что с увеличением длины волны фазовая скорость уменьшается, а коэффициент замедления увеличивается во столько же раз. Благодаря этому условие осевого излучения (1) поддерживается в широком диапазоне волн:

(рис. 3, а).

Рис.3.ДН цилиндрической спиральной антенны

при различной длине витка спирали

При длине витка набег фазы в 360° происходит при про­хождении волной тока нескольких витков спирали. При этом антенна уподобляется электрически малой рамке из N витков провода, которая имеет ДН в виде восьмерки с максимумами излучения в плоскости, перпендикулярной оси спирали (рис. 3, б). Если, то на одном витке спирали укладывается две, три и более волн, а это приво­дит к наклонному излучению и конусной форме пространственной ДН (рис. 3, в).

1.4. Наиболее выгодный режим - осевого излучения, который, как известно, требует длины витка и обеспечивает полосу пропус­кания . Эта полоса может быть значительно расширена путем перехода к конической антенне (рис, 1, б), в которой участок (2) со средней длиной витка удовлетворяет условию, а крайние участки (1, 3) с большими () и меньшими () длинами витков удовлетворяют аналогичным условиям, но для мак­симальной и минимальной длин волн рабочего диапазона:

,. В зависимости от ра­бочей длины волны интенсивно излучает только одна из зон спирали и только этой активной зоной определяется острота ДН.

Фотографировать через микроскоп объекты живой или неживой природы можно двумя способами, а какой из них применять на практике - решать пользователю, ведь многое в конечном счете зависит от бюджета, который можно выделить на дополнительный аксессуар.

Подключение адаптера для смартфона.

Эта процедура довольно простая и подойдет прежде всего тем, кто видит в микробиологии своеобразные научные развлечения, легкое и непринужденное занятие для всей семьи или желает отвлечь ребенка чем-то полезным. Очевидно, что в век интенсивного развития электронной техники практически у каждого есть сотовый телефон. Адаптер позволяет фактически «повесить» мобильный аппарат на микроскоп в точке заднего фокуса, поэтому картинка выводится на экран. Далее, активируя соответствующие функции, можно делать фото или снимать видео собственных исследований, сохраняя файлы в галерее.

Цифровая камера.

В окулярную трубку вместо окуляра вставляется видеоокуляр , он выводит наблюдаемую картину на персональный компьютер, ноутбук или планшет. Оно обладает достаточно чувствительными фотоэлементами, поэтому качество транслируемого в реальном времени изображения остается на приемлемом уровне и почти не уступает тому, что наблюдатель увидел бы своими глазами. Коммуникация с периферией происходит через порт USB. Перед запуском программы надо инсталлировать диск, который обычно входит в комплектацию и содержит драйвера для нескольких операционных систем. Фотографировать на микроскоп с помощью видеоокуляра может научиться даже ученик начальной школы, так как интерфейс очень похож на веб-камеру. Стоимость данного прибора тем выше, чем больше количество мегапикселей. Для домашнего применения оптимально до 3 мгп (максимум), при этом нет никаких аналогий с привычным для фотоаппаратов разрешением матрицы, так как задействуются другие технологии.

Описанные методы действуют в рамках соблюдения необходимых правил работы: для просмотра непрозрачных предметов используется верхняя подсветка - это применимо, например, к монетам, цельным насекомым, бумажным или пластиковым изделиям. А если исследуется препарат, пропускающий свет, к примеру, капля воды или срезы растений, то включается нижний осветитель. Единственное отличие состоит в том, что при фокусировке надо смотреть не в оптику, а на дисплей, и регулировать четкость исходя из особенностей монитора.