Линзовая антенна РЛС и ППФ

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



Страницы: 1, 2, 3



Реклама
В соцсетях
рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать