Таким образом, [2]
Из данного выше определения КНД следует, что напряженность поля ненаправленной антенны равняется напряженности поля в направлении максимума направленной антенны, то есть что . Следовательно,
;
Определим КНД для каждой плоскости, а потом возьмем среднее геометрическое:
- в горизонтальной плоскости;
- в вертикальной плоскости;
.
Коэффициент направленного действия не учитывает потерь подводимой энергии в проводниках антенны, в изоляторах, в окружающих антенну предметах и в земле. В связи с этим вводится параметр, учитывающий эти потери, называемый коэффициентом усиления (КУ) антенны.
КНД и КУ связаны через КПД следующим соотношением:
КПД линзы, учитывающий потери в диэлектрике, определится по формуле:
,
где - коэффициент затухания;
- ширина линзы;
- тангенс угла диэлектрических потерь.
Таким образом, КПД и КУ линзы равны
2.6 Расчет питающего волновода
В технике СВЧ в качестве канализирующих устройств широкое применение находят различные типы волноводов. Наиболее распространенными среди них являются волноводы прямоугольного и круглого сечений. Однако волноводы могут быть использованы не только для канализации электромагнитной энергии, но и для ее излучения.
Основным типом волны в прямоугольном волноводе является волна , структура которой представлена на рисунке 2.14
Рисунок 2.14 – Структура поля в волноводе при волне типа
Для прямоугольного волновода с волной размеры сечения определяются неравенствами ; . Обычно берут ; [1]
;
Прямоугольные волноводы с волной типа стандартизированы. Размеры стандартного волновода мм
Критическая длина волны в прямоугольном волноводе рассчитываются по формуле:
м;
м
Зондовый переход, схема которого представлена на рисунке 2.15, по существу представляет собой несимметричную антенну (передающую или приемную в зависимости от направления распространения волны).
Рисунок 2.15 – Зондовый переход от коаксиального кабеля
к прямоугольному волноводу
Расчет зонда ведется из условия его согласования с коаксиальной линией и волноводом. Для этого воспользуемся системой уравнений:
(2.4)
где , - размеры волновода;
, определяют положение зонда в волноводе;
- его длина;
Ом - волновое сопротивление кабеля;
- волновое сопротивление зонда;
, где - радиус провода зонда.
Обычно диаметр зонда берут ; высоту зонда принимают , а . Определению в этом случае подлежит , величину которого можно найти из уравнений (2.4) [1].
м;
Ом;
см;
см;
см.
2.7 Расчет дальности связи с учетом атмосферы
В радиолокаторах приемная и передающая антенны обычно совмещены. В момент излучения приемник отключен от антенны. В промежутках между излучениями передатчик отключен от антенны, а приемник подсоединен к ней. Происходит прием отраженных сигналов. В этом случае
(2.5)
Формула (2.5) называется уравнением радиолокации [8].
Уравнение радиолокации устанавливает связь мощности , поступающей на вход приемника РЛС, с мощностью передатчика , отражающими свойствами объекта и дальностью до него , свойствами реальной трассы распространения радиоволн , длиной волны и параметрами антенной системы .
Множитель, учитывающий влияние атмосферы и земной поверхности на распространение радиоволн, связан с множителем ослабления следующим соотношением:
,
где
Принятая мощность с учетом влияния атмосферы
Вт
Таким образом,
км
2.8 Расчет ППФ и его АЧХ
Фильтры СВЧ применяют для частотной селекции сигналов, согласования комплексных нагрузок, в цепях задержки и в качестве замедляющих систем.
Фильтры являются обычно пассивными взаимными устройствами и характеризуются частотной зависимостью вносимого в тракт затухания. Полоса частот с малым затуханием называется полосой пропускания, а полоса частот с большим затуханием – полосой заграждения. По взаимному расположению полосы пропускания и заграждения принято выделять следующие типы фильтров: фильтр нижних частот (ФНЧ), пропускающие сигналы ниже заданной граничной частоты и подавляющие сигналы с частотами выше граничной; фильтры верхних частот (ФВЧ), пропускающие сигналы на частотах выше заданной и подавляющие сигналы других частот; полосно-пропускающие (полосовые) фильтры (ППФ), пропускающие сигналы в пределах заданной полосы частот и подавляющие сигналы вне этой полосы, полосно-заграждающие (режекторные) фильтры (ПЗФ), подавляющие сигналы в пределах заданной полосы частот и пропускающие сигналы вне этой полосы.
Частотная характеристика каждого фильтра имеет переходную область между полосой пропускания и полосой заграждения, то есть между частотами и . В этой области затухание меняется от максимального значения до минимального. Обычно стараются уменьшить эту область, что приводит к усложнению фильтра, увеличению числа его звеньев. При проектировании фильтров, как правило, задаются следующие характеристики: полоса пропускания, полоса заграждения, средняя частота, затухание в полосе пропускания, затухание в полосе заграждения, крутизна изменения затухания в переходной области, уровень согласования по входу и по выходу, характеристики линии передачи, в которую включается фильтр, тип линии передачи. Иногда оговариваются фазовые характеристики фильтра [6].
В данной курсовой работе необходимо рассчитать ППФ, используя следующие данные: МГц, дБ, МГц, дБ.
2.8.1 Расчет низкочастотного фильтра прототипа
В настоящее время наиболее распространенной методикой расчета фильтров СВЧ является методика, согласно которой вначале рассчитывается низкочастотный фильтр-прототип. Нахождение параметров схемы фильтра-прототипа по заданной частотной характеристике фильтра является задачей параметрического синтеза. Для общности результатов все величины нормируются. Сопротивления нагрузки и генератора принимаются равными единице. Наряду с нормировкой по сопротивлению проводится нормировка по частоте, например граничная частота полосы пропускания фильтра принимается равной единице. Таким образом, расчет фильтра СВЧ сводится к синтезу схемы низкочастотного прототипа и замене элементов с сосредоточенными параметрами их эквивалентами с распределенными параметрами.
Для аппроксимации частотных характеристик применяется ряд функций, удовлетворяющих условиям физической реализуемости фильтров. Наиболее распространенными являются максимально плоская и равноволновая аппроксимации, использующие полиномы Баттерворта и Чебышева соответственно.
Рассчитаем фильтр с максимально плоской характеристикой затухания. Она монотонно возрастает при повышении частоты:
,
где - число звеньев фильтра прототипа;
- нормированная частота;
- коэффициент пульсаций;
- граничная частота полосы пропускания;
- затухание на частоте
Максимально плоская характеристика затухания фильтра – прототипа нижних частот представлена на рисунке 2.16
Рисунок 2.16 - Максимально плоская характеристика затухания фильтра – прототипа нижних частот
Число звеньев фильтра прототипа может быть найдено из требований к АЧХ фильтра. Так, для фильтра с максимально плоской АЧХ число звеньев определяется следующим образом:
,
Возьмем , тогда схема фильтра-прототипа нижних частот будет выглядеть следующим образом
Схема фильтра-прототипа нижних частот представлена на рисунке 2.17
Рисунок 2.18 - Схема фильтра-прототипа нижних частот
Параметры фильтра с максимально плоской характеристикой можно рассчитать по следующей формуле:
,
где - коэффициент пульсаций;
Таким образом,
g0=1, g1=0.914, g2=1.829, g3=0.914, g4=1.
Денормировки параметров фильтра производится с помощью соотношений:
, ,
Здесь обозначения со штрихами относятся к нормированным параметрам фильтра-прототипа, без штрихов - к денормированным: , , , , .
Так как будущий фильтр будем ставить в коаксиальный тракт передачи, то Ом, тогда
2.8.2 Расчет ППФ
Для проектирования ППФ воспользуемся фильтром-прототипом нижних частот и реактансным преобразованием частоты:
где - центральная частота ППФ;
;
- полоса пропускания ППФ [6].
Любая индуктивность в фильтре-прототипе с единичной граничной частотой после выполнения частотного преобразования трансформируются в последовательный контур с параметрами:
Одновременно любая емкость в фильтре-прототипе превращается в параллельный колебательный контур с параметрами:
Эквивалентная схема ППФ представлена на рисунке 2.19
Рисунок 2.19 - Эквивалентная схема ППФ
Таким образом,
2.8.3 Реализация ППФ
По способу реализации ППФ можно разделить на следующие типы: на одиночной МПЛ с зазорами; на параллельных связанных полуволновых резонаторах; на встречных стержнях; с параллельными и последовательными четвертьволновыми шлейфами длиной , где - длина волны в линии, соответствующая средней частоте полосы пропускания ППФ; с двойными шлейфами и четвертьволновыми соединительными линиями; на диэлектрических резонаторах.
Выполним ППФ на микрополосковых линиях (МПЛ).
Отрезки микрополосковых линий выполняются в виде тонких слоев металла, нанесенных на листы диэлектрика (подложки). Наиболее распространены экранированные несимметричные МПЛ. МПЛ используются во всем диапазоне СВЧ. По сравнению с полыми волноводами МПЛ обладают рядом недостатков – имеют более высокие погонные потери и сравнительно низкую передаваемую мощность. Кроме того, открытые МПЛ излучают энергию в пространство, из-за чего могут возникать нежелательные электромагнитные связи.
Но МПЛ обладают и важными достоинствами. Они имеют малые габариты и массу, дешевы в изготовлении, технологичны и удобны для массового производства методами интегральной технологии, что позволяет реализовать на пластине из металлизированного с одной стороны диэлектрика целые узлы и функциональные модули в микрополосковом исполнении [6].
Реализация последовательных колебательных контуров в МПЛ очень затруднена. Вместе с тем последовательное включение можно заменить параллельным с помощью преобразований:
,
После замены схема ППФ представлена на рисунке 2.20
Рисунок 2.20 - Схема ППФ после замены последовательного включения параллельным
Для практических расчетов волнового сопротивления МПЛ часто используют выражение, полученное в квазистатическом приближении:
(2.1)
Точность определения по этой формуле составляет 1% при и 3% при
Длину волны на низких частотах рассчитаем при помощи формулы, полученной в квазистатическом приближении:
где - длина волны в свободном пространстве;
- эффективная диэлектрическая проницаемость линии.
Эффективная диэлектрическая проницаемость может быть вычислена по формуле:
, (2.3)
Микрополосковую линию выполним на подложке с диэлектрической проницаемостью . Отношение возьмем равным 1.
Тогда
Ом
см
Так как соединительная линия четвертьволновая, то ее длина равна
мм.
Параллельная индуктивность реализуется в виде короткозамкнутого параллельного шлейфа. Реактивное сопротивление такого отрезка линии определяется по формуле
Тогда длина шлейфа, заменяющая каждую индуктивность равна
Параллельная емкость реализуется в виде параллельного шлейфа разомкнутого на конце. Реактивное сопротивление такого отрезка линии определяется по формуле
Тогда длина шлейфа, заменяющая каждую индуктивность равна
2.8.4 Расчет АЧХ
АЧХ фильтра – это есть зависимость вносимого в тракт затухания от частоты. Зная входное сопротивление фильтра можно определить коэффициент отражения
(2.7)
Тогда АЧХ будет иметь следующий вид:
(2.8)
- входное сопротивление фильтра-прототипа нижних частот.
Подставляя в (2.7) и (2.8) получим характеристику затухания, которая представлена на рисунке 2.21
Рисунок 2.21 - Характеристика затухания фильтра-прототипа нижних частот
Определим АЧХ эквивалентной схемы ППФ, которая представлена на рисунке 2.5
где ;
;
.
Характеристика затухания эквивалентной схемы ППФ представлена на рисунке 2.22
Рисунок 2.22 - Характеристика затухания эквивалентной схемы ППФ
3 Заключение
В ходе данной курсовой работы была спроектирована линзовая антенна и полосовой фильтр со следующими характеристиками:
Коэффициент полезного действия - 86.5%, КНД – 400, КУ – 346, ширина диаграммы направленности - , дальность действия 127км.
Линзовые антенны, несмотря на ряд ценных качеств (возможность получения высокой направленности излучения при малом уровне побочных лепестков), пока еще находят ограниченное применение. В настоящее время они применяются, главным образом, в радиорелейных линиях связи. Основным препятствием к широкому внедрению линзовых антенн является их высокая стоимость, связанная с высокой точностью изготовления, и относительная сложность конструкции.
Однако они представляют большой принципиальный интерес. Не исключена возможность, что в дальнейшем они найдут более широкое применение.
Список использованных источников
[1] Жук М.С., Молочков Ю.Б. «Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств» – М.: Энергия, 1973. – 440 с.
[2] Зузенко В.Л., Кислов А.Г., Драбкин А.Л. «Антенно-фидерные устройства» – М.,1974
[3] Зузенко В.Л., Кислов А.Г., Цыган Н.Я. «Расчет и проектирование антенн»
[4] Лавров А.С., Резников Г. Б. «Антенно-фидерные устройства» – М.: Советское радио, 1974. – 368 с.
[5] Власов В.И. «Проектирование высокочастотных устройств радиолокационных станций» – М.,1988
[6] Веселов Г.И. «Микроэлектронные устройства СВЧ» – М.,1988
[7] Долуханов М.П. «Распространение радиоволн» – М: Связь, 1965
[8] Красюк Н.П., Дымович Н.Д. «Электродинамика и распространение радиоволн» – М., 1974
