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.

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”