Изучение проблемы трудоустройства студентов и молодых специалистов
Курсовая работа
Пространственный спектр (ДН)
волноводной антенны, питаемой волной Н10
Введение
Антенна-устройство для излучения и/или приема электромагнитных волн путем
прямого преобразования электрического тока в излучение (при передаче) или
излучения в электрический ток (при приеме).
Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом Герцем в ходе его
экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны. Форма,
размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и
зависят от рабочей длины волны и назначении антенны. Нашли широкое применение
антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников,
металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов, волноводов с
системой прорезанных щелей, а также многие другие типы.
Целью курсовой работы является обозначение основных параметров антенн,
расчет характеристик таких как: коэффициент направленного действия и диаграмма
направленности антенны, которые не однократно будут упомянуты в ходе данной
работы.
Данная курсовая работа носит больше обзорный характер, чем практический.
Основной уклон будет идти в сторону объяснения назначения и роли антенны, а
также способах её применения.
1.Антенна в
системе приема-передачи информации. Основные параметры современных антенных
комплексов
антенна
сигнал спектр
Диаграммой направленности (ДН) антенны по полю часто называют зависимость
модуля комплексной амплитуды вектора напряженности Е электрической компоненты
электромагнитного поля, создаваемой антенной в дальней зоне, от угловых
координат и и ц точки наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости, то
есть зависимость E(и,ц).
Чаще
ДН обозначается символом ѓ(и,ц). ДН нормируют - все значения E(и,ц)
делят на максимальное значение и
обозначают нормированную ДН символом F(и,ц).
Диаграмму
направленности передающей антенны можно снимать поворачивая её и измеряя
напряженность поля в фиксированной точке на частоте передачи. Это измерения
дают диаграмму направленности в полярных координатах.
Полярная
диаграмма показывает направление, в котором концентрируется энергия антенны.
Если
антенна излучает одинаковую мощность во всех направлениях, она называется
изотропной или математической моделью, обычно на практике коэффициент усиления
(КУ) выражают в децибелах по отношению к эталонному диполю.
Коэффициент
усиления (КУ) антенны - отношение мощности на входе эталонной антенны к
мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны при условии, что обе
антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения
напряженности поля или такой же плотности потока мощности .
Ширина основного лепестка антенны.
Ширина ДН (главного лепестка) определяет
степень концентрации излучаемой электромагнитной энергии.
Ширина ДН - это угол между двумя
направлениями в пределах главного лепестка, в которых амплитуда напряжённости
электромагнитного поля составляет уровень 0,707 от максимального значения (или
уровень 0,5 от максимального значения по плотности мощности).
2.Волноводные
антенны
Классификация волн в волноводах
В основу классификации волн в волноводах положены различия в структурах
силовых линий векторов E и H. Эти различия обусловлены характером поляризации
плоских волн, отраженных от стенок волновода (парциальных волн) и образующих
суммарное поле. Различают три типа волн (полей) в вол-новодах:
· поперечно-магнитные волны, обозначаемые символом ТМ
(TransversionMagnetic -поперечно-магнитное);
· поперечно-электрические волны, обозначаемые символом ТЕ,
(TransversionElectric - поперечно-электрическое);
· поперечно-электромагнитные волны, обозначаемые символом ТЕМ
(TransversionElectro-Magnetic) или волны типа Т;
· смешанные (гибридные) волны.
Рассмотрим подробнее волны типа ТМ, ТЕ и Т.
Волны типа ТМ.Эти волны образуются при сложении плоских волн,от-раженных
от стенок, имеющих вертикальную линейную поляризацию. Образо-вание волн типа ТМ
иллюстрируется рис.3, где для упрощения рассмотрения показана только одна
плоская стенка волновода.
В вертикально поляризованной волне вектор падающей на стенку волны Ei, вектор отраженной от стенки волны ER лежат в
плоскости падения (плос-кости XZ) и имеют проекции на оси X и Z: в падающей
волне -Eix, Eiz, в отраженной волне - ERX, ERZ.
Рис.3. Образование волны типа Е
Векторы магнитного поля параллельны границе раздела: в падающей волне -
Hi, в отраженной волне - HR . Эти векторы перпендикулярны оси вол-новода Z
(параллельны оси Y) т.е. имеют составляющие Hiy и H Ry. В волне, равной сумме
волн, отраженных от противоположных стенок, векторы поля бу-дут иметь следующие
составляющие:
Волна, описываемая выражениями (7), (8), имеющая поперечные по отношению
к оси волновода Z составляющие векторов E и H и продольную составляющую вектора
E, называется поперечно-магнитной волной (полем типа ТМ). Эта волна называется
также волной (полем) типа Е. Таким названием подчеркивается наличие у вектора E
продольной и поперечной составляющих. В общем случае при произвольной форме
поперечного сечения волновода вектор E в волне типа Е имеет проекцию на ось
волновода Z -Ez и поперечную к оси Z составляющую - E⊥ , а вектор H имеет только поперечную
по отношению к оси волновода Z составляющую - H⊥. Для такой волны векторы E и H удобно записать в виде:
Е= E⊥ + Ez,
Волны типа ТЕ. Эти волны образуются при сложении плоских волн,
от-раженных от стенок, имеющих горизонтальную линейную поляризацию.
Об-разование волн типа ТЕ иллюстрируется рис. 4, где для упрощения
рассмотре-ния показана только одна плоская стенка волновода.
Нix
|
Н i
|
Н R
|
НRX
|
|
|
|
|
|
|
Е i+
|
Нiz
|
НRZ
|
+ ЕR
|
|
|
ϕ i
|
ϕR
|
|
|
Стенка волновода
Рис. 4. Образование волны типа Н
В горизонтально поляризованной волне вектор падающий на стенку вол-ны Hi,
вектор отраженной от стенки волны HR лежат в плоскости падения (плоскости XZ) и
имеют проекции на оси X и Z: в падающей волне - Hix, Hiz, в отраженной волне -
HRX, HRZ. Векторы электрического поля параллельны границе раздела: в падающей
волне - Ei, в отраженной волне - ER. Эти векторы перпендикулярны оси волновода
Z (параллельны оси Y) т.е имеют состав-ляющие Eiy и ERy . В волне, равной сумме
волн, отраженных от противоположных стенок, векторы поля будут иметь следующие
составляющие:
H= Hxxo+ Hzzo ,(11)= Eyyo (12)
где Hx
= Hix + HRX , Hy = Hiy + HRy.
Волна, описываемая выражениями (11), (12), имеющая поперечные по
отношению к оси волновода Z составляющие векторов E и H и продольную
составляющую вектора H, называется поперечно электрической волной (полем типа
ТЕ). Эта волна называется также волной (полем) типа Н. Таким названием
подчеркивается наличие у вектора H продольной и поперечной составляющих. В
общем случае при произвольной форме поперечного сечения волновода вектор H в
волне типа Н имеет проекцию на ось волновода Z - Hz и поперечную к оси Z
составляющую - H⊥, а вектор E имеет только поперечную по отношению к
оси волновода Z составляющую - E⊥ . Для такой волны векторы E и H
удобно записать в виде:
= E⊥,= H⊥+ Hz ,.
Волны типа Т
Волны этого типа имеют векторы E иH ,перпендикулярные оси волновода Z.
Эти волны не распространяются путем многократных отражений от стенок волновода,
а представляют собой плоскую волну, распространяющуюся вдоль оси волновода. Для
волн типа Т справедливы соотношения:
E = E⊥, H = H⊥, и=0, Vф =Vэ = с, лв = л
· Волна H10
Выражения для векторов поля и критической длины волны находятся путем
решения уравнений Максвелла.
Из выражений (21) следует, что составляющие векторов поля E и H вдоль
сторон волновода a и b меняются по закону синуса или косинуса, причем на
стороне a укладывается m полупериодов, на стороне b - n полупериодов. В
соответствии с этим поля в прямоугольном волноводе обозначаются символами Emn и
Hmn. Символы m и n не могут одновременно принимать нулевые значения, так как
при этом все составляющие векторов E иH становятся равными нулю.
В прямоугольных волноводах обычно a ≤ b. В этом случае, как следует
из (22), максимальная критическая длина волны соответствует значениям m=1, n=0и
равна2a.Следовательно,основной волной в прямоугольном волноводеявляется волна
Н10. Критические длины волн в прямоугольном волноводе для полей типа Е и Н
обозначаются символами лemn и лhmn.
Таким образом, для основной волны лh10 =2а. Ближайшая к основной является
волна Н20, ее критическая длина волны лh20 =а. В волноводе будет
распространяться только волна Н10, если выполняется условие ее единственности
лh20<л<лh10 или
а <л< 2a.(23)
Структура силовых линий векторов Eи H волны Н10 показана на рис. 7
в трех проекциях.
Силовые линии вектора Е
Силовые линии вектора Н
Рис. 7. Структура силовых линий векторов поля волны Н10
Вектор E имеет проекцию только на ось Y - Ey , а вектор H - проекции на
оси:
,Z - Hx и Hz.
На рис.8 показаны зависимости указанных составляющих поля от координат X
и Y. Показана также структура силовых линий векторов E и H в поперечном сечении
волновода. Как видно, на стороне волновода "а" укладывается один
полупериод (одна полуволна) изменения поля, а от координаты Y поле не зависит -
на стороне "b" укладывается ноль полупериодов. Сказанное подтверждает
физический смысл индексов m и n. Подставив значение лh10 =2а получим для волны
Н10:
Графики зависимости лв , Vф , Vэотл показаны на рис. 9.
Рис.8
3.
Основные параметры и применение антенн
Антенны
широко применяются в качестве приёмных и передающих устройств в системах
беспроводной передачи данных, в радиолюбительской
связи <#"729577.files/image010.gif"> до Гц)
открывает новые возможности для передачи большего количества информации. Таким
образом, многие процессы, свойственные СВЧ сигналам (с полосой частот
приблизительно до Гц),
являются аналогичными процессам в радиооптике для временных пространств U(t) и U(о,з)
Преобразование
Фурье - операция, сопоставляющая функции
<#"729577.files/image014.gif">
Импульсная
характеристика показывает реакцию дискретной системы
на
подачу на ее вход единичной импульсной функции.
Фильтрация
- процесс выделения желательных компонентов спектра
<#"729577.files/image015.gif">
где
L - max размер антенны.
Исследование диаграммы направленности небольших антенн производят в
безэховых мерах. Для больших антенн , не помещающихся в камеру, используют их
уменьшенные модели; длину волны излучения также уменьшают в соответствующее
число раз.
4. Расчет КНД
и диаграммы направленности антенны
Для простоты анализа найдем КНД и диаграмму направленности антенны,
питаемой волной H10 волновода с
размерами a,b, выполненной в виде клиновидного рупора.
1. Выбор размеров волновода.
Размеры
поперечного сечения прямоугольного волновода и выбираются из условия распространения в волноводе
только основного типа волны Н10:
Находим
стороны раскрыва рупора при условии, что
Выберем
bр=2b:
2. Рассчитаем длину рупора и ширину диаграммы направленности по
уровню половинной мощности в Е и Н - плоскостях:
3. Определим коэффициент направленного действия в направлении
максимума излучения:
где
для рупоров без коррекции фазы
4. Расчёт диаграммы направленности рупорного излучателя:
Поле в раскрыве рупора синфазное. Амплитудное распределение принимаем
совпадающим с полем поперечного сечения питающего волновода. Тогда диаграмма
направленности будет рассчитываться по следующим формулам:
- в Н
плоскости;
- в Е
плоскости.
Соответственно
для нашего случая диаграмма направленности примет вид:
- в Н
плоскости;
- в Е
плоскости.
Рисунок
3 - Диаграмма направленности рупора в Н плоскости:
Рисунок
4 - Диаграмма направленности рупора в Е плоскости
В полярных координатах диаграмма направленности имеет следующий вид:
Если бы мы рассматривали диаграмму направленности антенной решетки, то
зависимость имела бы более сложный характер . Например :
В полярных координатах график имеет следующий вид:
<http://www.radial.ru/catalog/antennas/directional/y29-70/dh_e_pl.jpg>
Как
мы можем наблюдать, на диаграмме направленности помимо основного лепестка
присутствуют ещё боковые лепестки.
Уровень
боковых лепестков - относительный уровень излучения антенны в направлении
боковых лепестков.
На
практике стремятся к уменьшению уровня боковых лепестков, что связанно со
следующими факторами :
· В режиме приема антенна с низким уровнем боковых лепестков
“более помехоустойчива”, поскольку лучше осуществляет селекцию по пространству
полезного сигнала на фоне шума и помех, источники которых расположены в
направлениях боковых лепестков.
· Антенна с низким уровнем боковых лепестков обеспечивает
системе большую электромагнитную совместимость с другими радиоэлектронными
средствами и высокочастотными устройствами.
· Антенна с низким уровнем боковых лепестков обеспечивает
системе большую скрытность.
· Снижение уровня боковых лепестков (при фиксированной ширине
главного лепестка ДН) ведет к росту уровня излучения в направлении главного
лепестка .
Заключение
В ходе данной курсовой работы мы рассмотрели основные характеристики и
особенности антенн, разобрали типы волн в волноводе, рассчитали КНД и диаграмму
направленности антенны с последующим анализом полученных результатов.
В данной курсовой работе не приводятся способы уменьшения уровня боковых
лепестков (хотя излучение антенны в направлении, отличном от главного - пустая
потеря энергии, различных шумов и помех) , выгодное расположение антенны для
приема или передачи информации. Но сведения, в полученные в ходе работе могут
способствовать как дальнейшему исследованию проблем антенн, так и являться вступительной
литературой для тех , кто хочет начать заниматься исследованием данного
вопроса.
Список
литературы
1. Драпкин А.П. “Антенно-фидерные устройства”
. ФрадинА.З.“Антенно-фидерные устройства”
. Г.Т. Марков, Д.М.Сазонов “Антенны”
. Лебедев И.В. “Приборы и техника СВЧ”
5. Бахрах Л.Д., Воскресенский Д.И. “Проблемы антенной техники ”
6. Баскаков С.И. “Радиотехнические цепи и сигналы”
. Воскресенский Д.И. “Антенны, устройства СВЧ”