3. Полосковые антенны
В ДМ и СМ диапазонах волн находят применение антенны, выполненные по технологии печатных схем. Такие антенны отличаются пониженным весом и габаритами, а также технологичностью изготовления. На рис. 14 приведены эскизы двух разновидностей наиболее употребительных на практике полосковых антенн – прямоугольной и круглой, с возбуждением полосковой и коаксиальной линией. Для согласования точка возбуждения смещена от края антенны (размеры y0 и ρ0 на рис. 14).
В режиме основного типа колебаний антенны, изображенные на рис. 14 имеют ДН однолепесткового характера с максимумом, ориентированным в направлении нормали к плоскости диска (θ = 0°).
Рис. 14. Микрополосковый излучатель: а – прямоугольный; б – круглый
Приведем расчетные формулы для прямоугольной антенны. Входное сопротивление в точке резонанса чисто активное и равно:
, (95)
где – проводимость излучения торца резонатора:
. (96)
Резонансная длина антенны:
, (97)
– относительная диэлектрическая проницаемость материала положки.
Рекомендуемый размер a от до .
Диаграмма направленности прямоугольной антенны рассчитывают по формуле:
. (98)
Входное сопротивление круговой дисковой антенны (рис. 14, б) в точке резонанса:
, (99)
где J1(x) – функция Бесселя первого порядка.
Резонансная частота для основного типа колебаний дисковой полосковой антенны определяется формулой:
, (100)
где:
. (101)
Выражение для ДН дисковой антенны
. (102)
Прямоугольная и круглая полосковая антенны, работающие в режиме основного типа колебаний, излучает поле линейной поляризации (вектор E в плоскости Y0Z) c высокой степенью подавления кроссполяризационной составляющей.
4. Фазированные антенные решетки
Антенная решетка (АР) представляет собой группу излучающих элементов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, причем токи в каждом элементе, в общем случае, имеют определенную амплитуду и фазу. Поле решетки определяется путем суперпозиции полей отдельных элементов. Это приводит к представлению суммарного поля в виде ряда. Линейное изменение фаз в элементах АР приводит к перемещению луча антенны в пространстве – сканированию. Антенны такого класса называются фазированными антенными решетками – ФАР. На практике находят применение линейные, плоские, осесимметричные (например, кольцевые) решетки.
4.1. Плоские решетки
Для формирования узконаправленного излучения в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях и обеспечения возможностей управления лучом в некотором пространственном секторе углов необходимо использовать двумерную (поверхностную) решетку излучателей.
На практике находят применение поверхностные АР самой разнообразной формы и структуры. Однако, наибольшее распространение имеет АР, схема расположения элементов которой изображена на рис. 15.
Рис. 15. Плоская эквидистантная АР
Эта плоская решетка идентичных и одинаково ориентированных излучателей, расположенных в узлах прямоугольной эквидистантной сетки с периодом dx и dy.
Рассмотрим прямоугольную решетку с неравномерным амплитудным и линейным фазовым распределением, сфокусированную для ориентации луча под углами 0, 0. В этом случае распределение тока по элементам записывается как:
, (103)
где , , , . и – необходимые сдвиги фаз между соседними элементами в строке и столбце.
Проанализируем два частных случая амплитудного распределения токов в АР:
а) Закон распределения «Косинус на пьедестале»:
. (104)
ДН в этом случае определяется формулой:
(105)
F1(θ, φ) – ДН одиночного элемента.
б) Закон распределения «Косинус квадрат на пьедестале»:
.(106)
Выражение для ДН:
(107)
Для обоих законов распределения амплитуд:
(108)
Из формулы (104) следует частный случай равноамплитудного распределения ( ).
В двумерной решетке также как в линейной происходит расширение главного лепестка ДН при отклонении луча от нормали. Если решетка является остронаправленной ( ), то можно считать, что расширение происходит лишь в плоскости сканирования. В этих случаях для ширины ДН справедливы приближенные формулы (равноамплитудные распределения):
, (109)
где – угол отклонения луча от нормали.
КНД ФАР с равномерным по амплитуде распределением определяется следующим выражением
. (110)
5. Варианты заданий
Для эскизной разработки одного из вариантов антенной системы исходные данные расположены в таблицах 1–8. Номер группе присваивает преподаватель.
Тип антенны указан в соответствии с номером по журналу группы и номером группы в табл. 1.
Значения центральной частоты антенны в ГГц (для проволочных антенн частота указана в МГц) приведены в табл. 2.
В табл. 3 заданы значения ширины диаграммы направленности по уровню половинной мощности, выраженной в градусах, причем для зеркальных антенн значения ширины ДН равны в Е и Н плоскостях, волноводно-щелевые антенные решетки (ВЩАР) проектируется линейными.
Микрополосковые АР имеют указанные в табл. 3 значения ширины ДН в плоскостях Е и Н в соответствии с табл. 4, в которой указана форма излучателя АР и вид поляризации.
Дополнительные данные для ВЩАР с частотным сканированием приведены в табл. 5. Дополнительные данные для многолучевой АР приведены в табл. 6.
В табл. 7 заданы требования к уровню боковых лепестков всех типов антенн. Проектируемая антенна должна иметь уровень боковых лепестков близкий к значению, указанному в таблице, но не выше указанного.
В соответствии с табл. 8 для передающих антенн рассчитывается напряженность электрического поля, либо плотность потока мощности, создаваемой антенной на расстояниях 10, 25, 50, 75 км (результаты сводятся в таблицу).
Для приемной антенны рассчитывается сигнал, поступающий на вход согласованного приемника для тех же расстояний, при этом параметры передающей антенны считаются аналогичными параметрам приемной антенны.
Таблица 1
Тип проектируемой антенны
Номер группыНомер по журналу группы1,143,165,187,209,2211,242,134,156,178,1910,2112,231АБВГДЕЖЗИКЛМ2НАБВГДЕЖЗИКЛ3МНАБВГДЕЖЗИК4ЛМНАБВГДЕЖЗИ5АцЛМНАБВГДВцГцБц6ИКЛМНАБВГДЕЖ
Примечание: А, Б, В, Г, Д – параболическая однозеркальная антенна, где А – рупорный облучатель, прямоугольный волновод; Б – двухщелевой облучатель; В – спиральный облучатель; Г – вибраторный облучатель; Д – рупорный облучатель, круглый волновод, Е, Ж, З, И, К – антенная решетка, где И – волноводно-щелевая антенная решетка (ВЩАР) резонансного типа; Е – ВЩАР нерезонансного типа; Ж – ВЩАР с частотным сканированием; З – микрополосковая антенная решетка; К – многолучевая антенная решетка; Л – антенна «волновой канал»; М – штыревая антенна λ/4; Н – штыревая антенна 5λ/8. Индекс – ц при типе зеркальной антенны означает, что антенна проектируется цилиндрической, при этом ширина ДН в плоскости, проходящей через ось цилиндра, берется в два раза меньше заданной в табл. 3.
Таблица 2
Рабочая частота антенны (ГГц)
Номер группыПоследняя цифра номера зачетной книжки012345678917,64,715,18,29,33,73,35,622,421,2215,69,210,47,534,16,218,111,612,05,8327,65,17,23,121,02,35,410,114,23,848,232,24,15,06,37,422,918,29,35,4523,64,27,19,15,28,434,39,44,412,561,62,85,118,219,333,76,315,62,411,2
Примечание: для антенн типов М, Л, Н частота задана в МГц.
Таблица 3
Ширина ДН (градусы)
Номер группыПоследняя цифра суммы номеров
(номер зачетной книжки + номер в журнале группы)012345678911,02,23,51,12,61,58,51,88,23,423,07,04,51,52,34,25,16,27,51,738,04,10,92,52,01,71,34,67,33,041,05,41,78,53,22,56,53,42,03,3511,06,71,22,52,11,62,29,112,02,369,03,42,74,34,24,84,36,22,84,3
Примечание: для антенн типа «волновой канал» ширина ДН может корректироваться преподавателем, либо рассчитывается антенная решетка из этих антенн, для штыревых антенн ширина ДН не задается, а подлежит расчету. При расчете штыревых антенн в КВ диапазоне параметры «земли» следующие: ε = 13, σ = 0.005 См («средняя земля»).
Таблица 4
Дополнительные данные для МПА
Номер по журналу группы46810121517192123Форма излучателя (поляризация)П
(КП)К
(КП)П
(КП)К
(КП)П
(КП)К
(ЛП)П
(ЛП)К
(ЛП)П
(ЛП)К
(ЛП)Примечание: КП – круговая поляризация; ЛП – линейная поляризация; П – прямоугольный излучатель; К – круглый излучатель.
Таблица 5
Дополнительные данные для ВЩАР с частотным сканированием
Дополнительные данныеНомер по журналу группы24681012131517192123ср810265347Δ/ср (%)1220158101218145Δ1020128593
Примечание: Δ – сектор сканирования; Δ/ср – относительное изменение длины волны генератора (%); ср – направление главного максимума ДН на центральной частоте антенны.
Таблица 6
Дополнительные данные для многолучевой АР
Номер по журналу группы13810121416192123Количество лучей (N)46812165791014
Примечание: при N = применяется параллельная диаграммо-образующая схема.
Таблица 7
Уровень боковых лепестков антенны (не более –дБ)
Номер
группыНомер по журналу группы1,23,45,67,89,1011,1213,1415,1617,1819,2021,2223,24113/1717/2020/2424/3113/2017/2420/3124/1713/2417/3120/1724/24224/3113/1717/2020/2424/1713/2017/2420/2424/2013/2417/3120/24320/2424/3113/1717/2020/1724/2013/2417/3120/2024/2413/3117/24417/2020/2424/3113/1717/2420/3124/2413/2017/2420/2024/1713/24513/3117/2420/2024/2413/1717/2020/2424/3113/3017/1720/2424/17613/2413/2413/2413/2413/2413/2413/2413/2413/2413/2413/2413/24
Примечание: в числителе указано значение для прямоугольного (квадратного) раскрыва, в знаменателе – для круглого раскрыва. Для антенн типа «волновой канал» уровень боковых лепестков задается в плоскости Е, при этом берется цифра в числителе. Для штыревых антенн уровень боковых лепестков не задается.
Таблица 8
Дополнительные данные для расчета
Номер по журналу1,35,79,112,46,810,1214,1618,2022,2413,1517,1921,23Вид антенны/мощность (Вт)Пр.
5Пр.
10Пер.
15Пер.
20Пр.
25Пр.
35Пер.
5Пер.
10Пр.
15Пр.
20Пер.
25Пер.
30
Примечание: Пр. – приемная антенна, Пер. – передающая антенна.
Все недостающие дополнительные данные, необходимые для расчетов, но не приведенные в таблицах, студенты выбирают самостоятельно и уточняют у руководителя.
В случае возникновения противоречий между различными данными, студент должен либо обосновать выбор параметров антенны, либо проконсультироваться с преподавателем.
|
