Курсовая работа (т): Параметрический синтез антенны базовой станции по заданным требованиям к диаграмме направленности

Параметрический синтез антенны базовой станции по заданным требованиям к диаграмме направленности

Параметрический синтез антенны базовой станции по заданным требованиям к диаграмме направленности

Оглавление

1.      Введение

.        Теоретические сведения о синтезируемой антенне

.        Моделирование антенны

.        Аналитический расчет синтезируемой антенны

.        Расчет согласующего устройства

.        Заключение

.        Список использованной литературы

.        Чертеж габаритный синтезированной антенны

.        Диаграмма направленности синтезированной антенны

1.      Введение

В данном индивидуальном задании необходимо произвести синтез антенны базовой станции, представляющей из себя эквидистантную фазированную антенную решётку, по заданным требованиям к диаграмме направленности с последующим расчетом согласующего устройства.

Содержание работы:

Синтез антенны по заданным требованиям диаграммы направленности.

Общие сведения:

Антенна представляет собой двумерную эквидистантную решётку линейных симметричных вибраторов с рефлектором. Возбуждение решётки равноамплитудное. Поляризация вертикальная.

Определению подлежат:

. количество вибраторов в этаже антенны;

. количество этажей;

. расстояние между вибраторами в этаже

. межэтажное расстояние;

. длина короткозамкнутых шлейфов, компенсирующих реактивную составляющую входных сопротивлений вибраторов;

Рекомендуемые оптимальные значения некоторых параметров:

. Длина вибратора 0,5.

. Межэтажное расстояние около 0,1 -0,75.

. Расстояние до рефлектора 0,25.

. Выступание рефлектора за активное полотно антенны по вертикали не менее 0,1.

2.      Теоретические сведения о синтезируемой антенне

Фазированная антенная решётка - тип антенн, в виде группы антенных излучателей, в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях.

Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения. Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы, часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов, щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны.

Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР. В ряде случаев, например когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР.

В зависимости от требуемой формы ДН и необходимого пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное расположение элементов:

вдоль линии (прямой или дуги);

по поверхности (например, плоской - в т. н. плоских ФАР; цилиндрической; сферической);

в заданном объёме (объёмные ФАР).

Иногда форма излучающей поверхности ФАР - раскрыва, определяется конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР. ФАР с формой раскрыва, подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву (как в синфазной антенне) до направления вдоль раскрыва (как в антенне бегущей волны). Коэффициент направленного действия (КНД) плоской ФАР при отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения широкоугольного сканирования (в больших пространственных углах - вплоть до 4 стерадиан без заметного снижения КНД используют ФАР с неплоским (например, сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР, ориентированных в различных направлениях. Сканирование в этих системах осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей и их фазирования.

По характеру распределения излучателей в раскрыве различают эквидистантные и неэквидистантные ФАР. В эквидистантных ФАР расстояния между соседними элементами одинаковы по всему раскрыву. В плоских эквидистантных ФАР излучатели чаще всего располагают в узлах прямоугольной решётки (прямоугольное расположение) или в узлах треугольной сетки (гексагональное расположение).

Расстояния между излучателями в эквидистантных ФАР обычно выбирают достаточно малыми (часто меньше рабочей длины волны), что позволяет формировать в секторе сканирования ДН с одним главным лепестком (без побочных дифракционных максимумов - т. н. паразитных лучей) и низким уровнем боковых лепестков; однако для формирования узкого луча (т. е. в ФАР с большим раскрывом) необходимо использовать большое число элементов.

В неэквидистантных ФАР элементы располагают на неодинаковых расстояниях друг от друга (расстояние может быть, например, случайной величиной). В таких ФАР даже при больших расстояниях между соседними излучателями можно избежать образования паразитных лучей и получать ДН с одним главным лепестком. Это позволяет в случае больших раскрывов сформировать очень узкий луч при сравнительно небольшом числе элементов; однако такие неэквидистантные ФАР с большим раскрывом при малом числе излучателей имеют более высокий уровень боковых лепестков и, соответственно, более низкий КНД, чем ФАР с большим числом элементов. В неэквидистантных ФАР с малыми расстояниями между излучателями при равных мощностях волн, излучаемых отдельными элементами, можно получать (в результате неравномерного распределения плотности излучения в раскрыве антенны) ДН с более низким уровнем боковых лепестков, чем в эквидистантных ФАР с таким же раскрывом и таким же числом элементов.

3.      Моделирование антенны

антенна шлейф реактивный сопротивление

В системе MMANA-GAL создадим два вибратора длиной 0,5, так как в задании требуется использовать четвертьволновый вибратор, и рефлектор на рекомендуемом расстоянии, состоящий из семи проволок отстоящих друг от друга на расстоянии 0,05. Начальное расстояние между вибраторами примем равным 0,2 Для упрощения расчетов зададим число сегментов в поле Seg равным 10. Запустим расчет и получим следующую диаграмму направленности:

Рисунок 1. Диаграммы направленности моделируемой антенны

Рисунок 2. Трехмерное изображение моделируемой антенны

Так как ширина главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости превышает необходимую величину, будем последовательно увеличивать расстояние между вибраторами и наблюдая за ДН.

После ряда наблюдений получили необходимую ширину главного лепестка ДН, расстояние между вибраторами составило 0,62, а число проволок в рефлекторе увеличилось и стало ровняться пятнадцати.

Рисунок 3. Трехмерное изображение моделируемой антенны

Рисунок 4. Диаграмма направленности моделируемой антенны

Так как ширина главного лепестка ДН в вертикальной плоскости больше установленной в техническом задании, будем последовательно увеличивать этажность. При этом высота рефлектора также будет увеличиваться.

Увеличив число этажей до четырёх, мы добились необходимого значения ширины главного лепестка ДН в вертикальной плоскости.

В результате данного моделирования мы получили антенну представленную на рисунке 5 в трехмерном виде и диаграмму направленности на рисунке 6.

Рисунок 5. Трехмерный вид моделируемой антенны

Рисунок 6. Диаграмма направленности моделируемой антенны

Далее нам необходимо наклонить главный лепесток ДН в вертикальной плоскости на  Так как у нас четное количество этажей, то будем брать фазы кратные .

После выбора нескольких фаз, приходим к выводу, что оптимально взять  Подставив соответствующие значения фаз в поле Phase dg и запустив вычисление, получаем диаграмму направленности с необходимым углом наклона главного лепестка в вертикальной плоскости.

Рисунок 7. ДН с наклоном главного лепестка ДН в вертикальной плоскости

Как видно из ДН уровень бокового излучения не более -10дБ, а уровень заднего излучения не превышает -22дб, что удовлетворяет требованиям технического задания.

4.      Аналитический расчет синтезируемой антенны

Все размеры смоделированной антенны записаны в относительной величине к длине волны. Для конструирования данной антенны эти величины необходимо перевести в метры и сантиметры.

,

где  - скорость света,  - частота работы антенны.

Из этой формулы получаем, что длина четвертьволнового вибратора:

 тогда длина плеча составляет 2,625см.

Расстояние между соседними вибраторами в этаже составляет:

Расстояние до рефлектора:

Расстояние между проволоками рефлектора:

Длина проволоки рефлектора:

Ширина полотна рефлектора:

Расстояние между этажами:

5.      Расчет согласующего устройства

Рисунок 8. Короткозамкнутый реактивный шлейф

Формула трансформации сопротивлений:

,

 - коэффициент фазы в линии передачи.

 - относительная диэлектрическая проницаемость.

Сопротивление короткозамкнутого шлейфа:

, если .

Отсюда видно, что входное сопротивление короткозамкнутого шлейфа имеет реактивную характеристику.

, иначе

Согласование по активной составляющей входного сопротивления проведём при помощи ступенчатого перехода на коаксиальной линии связи. Рабочую характеристику в полосе частот от  до  аппроксимируем при помощи полинома Чебышева первого рода n-ого порядка

Перепад волновых сопротивлений:

Масштабный множитель:

КСВ=1,2

Данное КСВ удовлетворяет требованиям технического задания.

6.      Заключение

В результате выполнения индивидуального задания была разработана антенна базовой станции, представляющая собой эквидистантную фазированную антенную решетку.

Смоделированная антенна полностью удовлетворяет всем требованиям, которые предъявляются к ней в техническом задании. Из этого можно сделать вывод, что работа выполнена в полном объёме.

Смоделированная антенна имеет следующие геометрические размеры:

длина четвертьволнового вибратора: 5,25(см),

длина плеча вибратора: 2,625(см),

расстояние между соседними вибраторами в этаже составляет: 6,51(см),

расстояние до рефлектора: 2,65(см),

расстояние между проволоками рефлектора: 0,525(см),

длина проволоки рефлектора: 26,25(см),

ширина полотна рефлектора: 7,35(см),

расстояние между этажами: 1,05(см).

7.      Список использованной литературы

1.       Перепелкин А.И., Баскакова И.В. Усилительные устройства: Методические указания к курсовой работе. - Рязань. : РГРТА, 2007. 36 с.

2.      Перепелкин А.И., Баскакова И.В. Анализ электронных схем: Методические указания к лабораторным и практическим занятиям. РГРТА, 2014. 32 с.

.        Лаврененко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам: Киев, «Техника», 2007, 376с.

.        В.В. Шмытинский, В.П. Глушко Многоканальные системы передачи