Реферат: Спиральные антенны (расчет)
ТЕХНИЧЕСКОЕЗАДАНИЕ
Рассчитатьспиральную антенну по данным параметрам:
1.Рабочаячастота 800МГц
2.Коэффициентусиления 30
3.Режимпередающий
4.Мощностьпередачи 10 кВт
в импульсном режиме
при скважности 100
5.Уровень боковых лепестков -15 дБ
1.Введение.
Спиральные антенны (далее СА)относятся к антеннам бегущей волны и представляют собой металлическую спираль,питаемую коаксиальной линией
(рис.1).
Основным режимом работы антенныявляется режим осевого излучения. С.А. формирует диаграмму направленности(далее Д.Н.) вдоль оси спирали
(рис.2).[л.2.стр306]
Рисунок 1.
Рисунок 2.Излучение цилиндрической С.А.
Введем обозначение:
L-рабочая длина волны в свободном пространстве
<span Times New Roman",«serif»;font-weight: normal">
L=С/F, гдеС-скорость света, F-рабочая частота
L=300/800=36.5 (см)
D-диаметр витка спирали (см)
Еслидлина витка спирали лежит в пределах от 0.75l до1.3l то излучение С.А. максимально вдольоси спирали. Это основной режим работы С.А.[л.2.стр307]
Расчётныесоотношения цилиндрической спирали.
n-число витков С.А.
a-угол подъёма витка
R-радиус спирали
S-шаг витка С.А.
L-длина витка спирали
<img src="/cache/referats/4517/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1048"><img src="/cache/referats/4517/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1047"><img src="/cache/referats/4517/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1039"><img src="/cache/referats/4517/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1031">
<img src="/cache/referats/4517/image005.gif" v:shapes="_x0000_s1046"> S L
<img src="/cache/referats/4517/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1049"><img src="/cache/referats/4517/image007.gif" v:shapes="_x0000_s1036"><img src="/cache/referats/4517/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1035"> a
<img src="/cache/referats/4517/image009.gif" v:shapes="_x0000_s1041"><img src="/cache/referats/4517/image010.gif" v:shapes="_x0000_s1040"><img src="/cache/referats/4517/image011.gif" v:shapes="_x0000_s1032"> 2PR
Рисунок 3.Развёртка витка С.А.
Основные соотношения:
2 2 2
L=(2PR)+S {1}
Sina=S/L {2}
l=nS {3}
следуют из рисунка 3.
Ширина Д.Н. по половинноймощности выражаемая в градусах
<img src="/cache/referats/4517/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1025">
2q0.5<img src="/cache/referats/4517/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1026"><img src="/cache/referats/4517/image015.gif" v:shapes="_x0000_i1027"><img src="/cache/referats/4517/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1028"><img src="/cache/referats/4517/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1029"><img src="/cache/referats/4517/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> [л.3.стр323]
<img src="/cache/referats/4517/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1031">
Коэффициент направленногодействия
D0=15<img src="/cache/referats/4517/image017.gif" v:shapes="_x0000_i1032">n<img src="/cache/referats/4517/image019.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> (5)
Входное сопротивление
<img src="/cache/referats/4517/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> (Ом) (6)
2.Расчётцилиндрической С.А. [л.3.стр321]
Наиболее характерен режим С.А.,который устанавливается, когда:
<img src="/cache/referats/4517/image023.gif" v:shapes="_x0000_i1035"> (См)
<img src="/cache/referats/4517/image025.gif" v:shapes="_x0000_i1036">-примемравным <img src="/cache/referats/4517/image027.gif" v:shapes="_x0000_i1037"> Т.К. <img src="/cache/referats/4517/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1038">
К.П.Д внашем случае будет близок 100 % при достаточно большой площади сечения С.А.
<img src="/cache/referats/4517/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1039"> См
Шагспирали для получения круговой поляризации [л.1.стр235]
<img src="/cache/referats/4517/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> См
Числовитков спирали
<img src="/cache/referats/4517/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> округляем <img src="/cache/referats/4517/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> виткам
Радиусспирали из (1) <img src="/cache/referats/4517/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> См
ШиринаД.Н. по формуле (4)
<img src="/cache/referats/4517/image041.gif" v:shapes="_x0000_i1044">
Диаметрдиска экрана принимается равным (0.9<img src="/cache/referats/4517/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1045"><img src="/cache/referats/4517/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1046"> [л.1.стр237]
В нашемслучае диаметр диска экрана <img src="/cache/referats/4517/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1047"> См.
Диаметрпровода спирали берется порядка (0.03<img src="/cache/referats/4517/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1048"><img src="/cache/referats/4517/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1049">
.<img src="/cache/referats/4517/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1050"> См
В нашемслучае лучше взять медную трубку близкого диаметра т.к. токи высокой частотытекут лишь по поверхности металла.
Входноесопротивление <img src="/cache/referats/4517/image051.gif" v:shapes="_x0000_i1051"> требует согласующегоустройства к линии 75 ом
Уголподъёма спирали из (2) <img src="/cache/referats/4517/image053.gif" v:shapes="_x0000_i1052">
3.Конструкция и питание С.А.
С.А.состоит из следующих составных частей:
1.Спиральиз медной трубки.
2.Сплошной экран.
3.Согласующееустройство.
4.Питающийфидер.
5.Диэлектрическийкаркас.
Вкачестве каркаса можно применить твёрдый пенопласт. При этом расчетныесоотношения останутся неизменными т.к. диэлектрическая проницаемость пенопласта практически равна диэлектрическойпроницаемости воздуха.
Вкачестве экрана можно применить более дешёвый алюминий. Расстояние от первоговитка берут <img src="/cache/referats/4517/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1053"><st1:metricconverter ProductID=«2 см» w:st=«on»>2см</st1:metricconverter>.
Посколькувходное сопротивление фидера 50 или 75 Ом, а сопротивление спирали 140 Ом, то для согласования надоприменить согласующее устройство СВЧ. Так как сопротивление С.А. практическиактивное, то для согласования можно применить конусообразный переход (рис.4) изкоаксиальных линий передачи.
<img src="/cache/referats/4517/image056.gif" v:shapes="_x0000_s1091"> <img src="/cache/referats/4517/image057.gif" v:shapes="_x0000_s1062 _x0000_s1065">
<img src="/cache/referats/4517/image058.gif" v:shapes="_x0000_s1092"><img src="/cache/referats/4517/image059.gif" v:shapes="_x0000_s1089"><img src="/cache/referats/4517/image060.gif" v:shapes="_x0000_s1087"><img src="/cache/referats/4517/image061.gif" v:shapes="_x0000_s1070"><img src="/cache/referats/4517/image062.gif" v:shapes="_x0000_s1068"><img src="/cache/referats/4517/image063.gif" v:shapes="_x0000_s1060"><img src="/cache/referats/4517/image064.gif" v:shapes="_x0000_s1057"> D1 d1 d2 D2
<img src="/cache/referats/4517/image065.gif" v:shapes="_x0000_s1094"><img src="/cache/referats/4517/image066.gif" v:shapes="_x0000_s1083"><img src="/cache/referats/4517/image067.gif" v:shapes="_x0000_s1082"><img src="/cache/referats/4517/image066.gif" v:shapes="_x0000_s1081"><img src="/cache/referats/4517/image068.gif" v:shapes="_x0000_s1080"><img src="/cache/referats/4517/image069.gif" v:shapes="_x0000_s1079"><img src="/cache/referats/4517/image067.gif" v:shapes="_x0000_s1078"><img src="/cache/referats/4517/image070.gif" v:shapes="_x0000_s1077"><img src="/cache/referats/4517/image071.gif" v:shapes="_x0000_s1076"><img src="/cache/referats/4517/image072.gif" v:shapes="_x0000_s1074"><img src="/cache/referats/4517/image068.gif" v:shapes="_x0000_s1073"><img src="/cache/referats/4517/image073.gif" v:shapes="_x0000_s1072"><img src="/cache/referats/4517/image074.gif" v:shapes="_x0000_s1069"><img src="/cache/referats/4517/image075.gif" v:shapes="_x0000_s1058"><img src="/cache/referats/4517/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1054">
<img src="/cache/referats/4517/image076.gif" v:shapes="_x0000_s1095"><img src="/cache/referats/4517/image061.gif" v:shapes="_x0000_s1071"><img src="/cache/referats/4517/image077.gif" v:shapes="_x0000_s1063"><img src="/cache/referats/4517/image078.gif" v:shapes="_x0000_s1056"><img src="/cache/referats/4517/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1055">
<img src="/cache/referats/4517/image061.gif" v:shapes="_x0000_s1066"> <img src="/cache/referats/4517/image079.gif" " v:shapes="_x0000_s1096">
<img src="/cache/referats/4517/image081.gif" v:shapes="_x0000_i1056">
<img src="/cache/referats/4517/image082.gif" v:shapes="_x0000_s1098">
Рис.4.Коаксиальный трансформаторволновых
сопротивлений передающего тракта
Если длину конусной части (<img src="/cache/referats/4517/image081.gif" v:shapes="_x0000_i1057"><img src="/cache/referats/4517/image084.gif" v:shapes="_x0000_i1058"> (в нашем случае <img src="/cache/referats/4517/image086.gif" v:shapes="_x0000_i1059">
этот переход работает какчетвертьволновый трансформатор. [л.3.стр159]
Для согласования линии с разнымволновым сопротивлением (75 Ом и 140 Ом)
Волновое сопротивление конуснойчасти линии, должно быть:
<img src="/cache/referats/4517/image088.gif" v:shapes="_x0000_i1060"> (7) [л.3.стр159] где:
<img src="/cache/referats/4517/image090.gif" v:shapes="_x0000_i1061">
<img src="/cache/referats/4517/image092.gif" v:shapes="_x0000_i1062">-волновое сопротивление подводящего фидера 75 Ом
<img src="/cache/referats/4517/image094.gif" v:shapes="_x0000_i1063">-волновое сопротивление спиральной антенны
<img src="/cache/referats/4517/image096.gif" v:shapes="_x0000_i1064"> Ом
По известному волновомусопротивлению можно определить отношение диаметров элементов коаксиальноготракта:
<img src="/cache/referats/4517/image098.gif" v:shapes="_x0000_i1065"> <span Bookman Old Style",«serif»;mso-ansi-language: EN-US">lg
<img src="/cache/referats/4517/image100.gif" v:shapes="_x0000_i1066"> ( Ом ) (8)Для коаксиального устройства своздушным заполнением и <img src="/cache/referats/4517/image102.gif" v:shapes="_x0000_i1067"> Ом отношение <img src="/cache/referats/4517/image104.gif" v:shapes="_x0000_i1068"><img src="/cache/referats/4517/image106.gif" v:shapes="_x0000_i1069"> Ом <img src="/cache/referats/4517/image108.gif" v:shapes="_x0000_i1070"> и для <img src="/cache/referats/4517/image110.gif" v:shapes="_x0000_i1071"> Ом
<img src="/cache/referats/4517/image112.gif" v:shapes="_x0000_i1072">
Выбрав, в качестве подводящегомощность фидера РК-9-13 по допустимой предварительной мощности имеем: диаметрцентральной жилы <st1:metricconverter ProductID=«1.35 мм» w:st=«on»>1.35 мм</st1:metricconverter>.
Отсюда можно определить всеразмеры коаксиального трансформатора рис.4.
<img src="/cache/referats/4517/image114.gif" v:shapes="_x0000_i1073"> мм
<img src="/cache/referats/4517/image116.gif" v:shapes="_x0000_i1074"> мм
<img src="/cache/referats/4517/image118.gif" v:shapes="_x0000_i1075"><img src="/cache/referats/4517/image120.gif" v:shapes="_x0000_i1076"> мм., тогда <img src="/cache/referats/4517/image122.gif" v:shapes="_x0000_i1077"> мм.
<img src="/cache/referats/4517/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1146"><img src="/cache/referats/4517/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1125"><img src="/cache/referats/4517/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1144"><img src="/cache/referats/4517/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1143"><img src="/cache/referats/4517/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1140"><img src="/cache/referats/4517/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1139"><img src="/cache/referats/4517/image123.gif" v:shapes="_x0000_s1195"><img src="/cache/referats/4517/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1243"><img src="/cache/referats/4517/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1201"><img src="/cache/referats/4517/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1204"><img src="/cache/referats/4517/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1222">
В качестве основания спиралиможно применить твердый пенопласт. Он не изменит электрических параметровантенны, т.к. по своим электрическим параметрам пенопласт близок к воздуху.
При мощности передатчика 10 кВт искважности 100 средняя площадь излучения примерно 100 Вт, при КСВ антенны лучше1.35 отражённая мощность не более 5%, т.е. не более 5 Вт. Будем считать, чтоэта мощность тепло и рассеивается на спирали.
Для уменьшения уровня боковыхлепестков следует увеличить размер рефлектора и сделать его форму болеесложной. Эскиз на рисунке 7.
<img src="/cache/referats/4517/image124.gif" v:shapes="_x0000_s1170 _x0000_s1171 _x0000_s1172 _x0000_s1173"> <img src="/cache/referats/4517/image125.gif" v:shapes="_x0000_s1190"> <img src="/cache/referats/4517/image126.gif" v:shapes="_x0000_s1189">
<img src="/cache/referats/4517/image127.gif" v:shapes="_x0000_s1169"> <st1:metricconverter ProductID=«40 см» w:st=«on»>40 см</st1:metricconverter>
<img src="/cache/referats/4517/image128.gif" v:shapes="_x0000_s1187"> <img src="/cache/referats/4517/image129.gif" v:shapes="_x0000_s1188"> <img src="/cache/referats/4517/image130.gif" v:shapes="_x0000_s1166 _x0000_s1167 _x0000_s1168"> <img src="/cache/referats/4517/image131.gif" v:shapes="_x0000_s1163"> <img src="/cache/referats/4517/image132.gif" v:shapes="_x0000_s1164">
<img src="/cache/referats/4517/image133.gif" v:shapes="_x0000_s1185"><img src="/cache/referats/4517/image134.gif" v:shapes="_x0000_s1178"><img src="/cache/referats/4517/image135.gif" v:shapes="_x0000_s1177"><img src="/cache/referats/4517/image008.gif" v:shapes="_x0000_s1176"><img src="/cache/referats/4517/image136.gif" v:shapes="_x0000_s1175"> <img src="/cache/referats/4517/image138.gif" v:shapes="_x0000_i1078">
<img src="/cache/referats/4517/image139.gif" v:shapes="_x0000_s1162"> <img src="/cache/referats/4517/image140.gif" " v:shapes="_x0000_s1184"> <img src="/cache/referats/4517/image141.gif" " v:shapes="_x0000_s1180"> <img src="/cache/referats/4517/image142.gif" " v:shapes="_x0000_s1181">
<img src="/cache/referats/4517/image143.gif" v:shapes="_x0000_s1183"><img src="/cache/referats/4517/image144.gif" v:shapes="_x0000_s1182"> <st1:metricconverter ProductID=«20 см» w:st=«on»>20 см</st1:metricconverter>
Рис.7. Эскизрефлектора для уменьшения уровня боковых лепестков.
Рефлектор следует делать из листатолщиной не менее <st1:metricconverter ProductID=«3 мм» w:st=«on»>3 мм</st1:metricconverter>,т.к. он является несущим для фидера спирали и какого-либо опорно-поворотногоустройства.
Диаграмма такой антенныдостаточно широка (<img src="/cache/referats/4517/image146.gif" v:shapes="_x0000_i1079"><img src="/cache/referats/4517/image148.gif" v:shapes="_x0000_i1080">), так что особой точности наведения она не требует. Антеннадостаточно проста в изготовлении, надежна в эксплуатации.
Уровеньбоковых лепестков.
Наряду с шириной луча оченьважным параметром является уровень боковых лепестков, который можно определитьчерез К.Н.Д. по формуле [л.2.стр201]:
<img src="/cache/referats/4517/image150.gif" v:shapes="_x0000_i1081"><img src="/cache/referats/4517/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1082"><img src="/cache/referats/4517/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1083">где <img src="/cache/referats/4517/image152.gif" v:shapes="_x0000_i1084"> — это «эффективныйуровень боковых лепестков»
<img src="/cache/referats/4517/image154.gif" v:shapes="_x0000_i1085"> или <img src="/cache/referats/4517/image156.gif" v:shapes="_x0000_i1086"> дБ.
Списокиспользуемой литературы:
1.Антенно-фидерныеустройства СВЧ.
(под общей редакцией Маркова)
2.Антенны.
(Д.М.Сазонов)
3.Антенныи устройства СВЧ.
(В.В.Никольский)
<img src="/cache/referats/4517/image008.gif" " v:shapes="_x0000_s1111 _x0000_s1118"> <img src="/cache/referats/4517/image008.gif" " v:shapes="_x0000_s1114"> <img src="/cache/referats/4517/image157.gif" " v:shapes="_x0000_s1119 _x0000_s1121 _x0000_s1122">