Передающие спиральные антенны

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ , ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ТЕМА

СПИРАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

Работу выполнил:

Шевцов А.Н.

Группа ВР-2-96

Москва 2000

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Рассчитать спиральную антенну по данным параметрам:

1.Рабочая частота 800 МГц

2.Коэффициент усиления 30

3.Режим передающий

4.Мощность передачи 10 кВт

в импульсном режиме

при скважности 100

5. Уровень боковых лепестков -15 дБ

 

1.Введение.

Спиральные антенны (далее СА) относятся к антеннам бегущей волны и представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией

(рис.1).

Основным режимом работы антенны является режим осевого излучения. С.А. формирует диаграмму направленности (далее Д.Н.) вдоль оси спирали

(рис.2).[л.2.стр306]

 

 

 

Рисунок 1.

Рисунок 2.Излучение цилиндрической С.А.

Введем обозначение:

L-рабочая длина волны в свободном пространстве

L=С/F,где­­­­ С-скорость света, F-рабочая частота

L=300/800=36.5 (см)

D-диаметр витка спирали (см)

Если длина витка спирали лежит в пределах от 0.75l до 1.3l то излучение С.А. максимально вдоль оси спирали. Это основной режим работы С.А.[л.2.стр307]

Расчётные соотношения цилиндрической спирали.

n-число витков С.А.

a-угол подъёма витка

R-радиус спирали

S-шаг витка С.А.

L-длина витка спирали

 

S L

a

2PR

 Рисунок 3.Развёртка витка С.А.

Основные соотношения:

2 2 2

L =(2PR)+S {1}

Sina=S/L {2}

 l=nS {3}

следуют из рисунка 3.

Ширина Д.Н. по половинной мощности выражаемая в градусах

2q_0.5=(4) [л.3.стр323]

Коэффициент направленного действия

D₀=15n (5)

Входное сопротивление

(Ом) (6)

2.Расчёт цилиндрической С.А. [л.3.стр321]

Наиболее характерен режим С.А., который устанавливается, когда:

(См)

-примем равным  Т.К.

К.П.Д в нашем случае будет близок 100 % при достаточно большой площади сечения С.А.

 См

Шаг спирали для получения круговой поляризации [л.1.стр235]

 См

Число витков спирали

 округляем  виткам

Радиус спирали из (1)  См

Ширина Д.Н. по формуле (4)

Диаметр диска экрана принимается равным (0.91.1) [л.1.стр237]

В нашем случае диаметр диска экрана  См.

Диаметр провода спирали берется порядка (0.030.05)

. См

В нашем случае лучше взять медную трубку близкого диаметра т.к. токи высокой частоты текут лишь по поверхности металла.

Входное сопротивление  требует согласующего устройства к линии 75 ом

Угол подъёма спирали из (2)

3.Конструкция и питание С.А.

С.А. состоит из следующих составных частей:

1.Спираль из медной трубки.

2.Сплошной экран.

3.Согласующее устройство.

4.Питающий фидер.

5.Диэлектрический каркас.

В качестве каркаса можно применить твёрдый пенопласт. При этом расчетные соотношения останутся неизменными т.к. диэлектрическая проницаемость пенопласта практически равна диэлектрической проницаемости воздуха.

В качестве экрана можно применить более дешёвый алюминий. Расстояние от первого витка берут . В нашем случае 2 см.

Поскольку входное сопротивление фидера 50 или 75 Ом, а сопротивление спирали 140 Ом, то для согласования надо применить согласующее устройство СВЧ. Так как сопротивление С.А. практически активное, то для согласования можно применить конусообразный переход (рис.4) из коаксиальных линий передачи.

D₁ d₁ d₂ D₂

 

 Рис.4.Коаксиальный трансформатор волновых

сопротивлений передающего тракта

Если длину конусной части () взять равной  (в нашем случае см)

этот переход работает как четвертьволновый трансформатор. [л.3.стр159]

Для согласования линии с разным волновым сопротивлением (75 Ом и 140 Ом)

Волновое сопротивление конусной части линии, должно быть:

(7) [л.3.стр159] где:

-волновое сопротивление конусной части перехода

-волновое сопротивление подводящего фидера 75 Ом

-волновое сопротивление спиральной антенны

 Ом

По известному волновому сопротивлению можно определить отношение диаметров элементов коаксиального тракта:

 lg ( Ом ) (8)

Для коаксиального устройства с воздушным заполнением и  Ом отношение , а для  Ом  и для  Ом

Выбрав, в качестве подводящего мощность фидера РК-9-13 по допустимой предварительной мощности имеем: диаметр центральной жилы 1.35 мм.

Отсюда можно определить все размеры коаксиального трансформатора рис.4.

 мм

 мм

выберем равным  мм., тогда  мм.

 

В качестве основания спирали можно применить твердый пенопласт. Он не изменит электрических параметров антенны, т.к. по своим электрическим параметрам пенопласт близок к воздуху.

При мощности передатчика 10 кВт и скважности 100 средняя площадь излучения примерно 100 Вт, при КСВ антенны лучше 1.35 отражённая мощность не более 5%, т.е. не более 5 Вт. Будем считать, что эта мощность тепло и рассеивается на спирали.

Для уменьшения уровня боковых лепестков следует увеличить размер рефлектора и сделать его форму более сложной. Эскиз на рисунке 7.

40 см

20 см

Рис.7. Эскиз рефлектора для уменьшения уровня боковых лепестков.

Рефлектор следует делать из листа толщиной не менее 3 мм, т.к. он является несущим для фидера спирали и какого-либо опорно-поворотного устройства.

Диаграмма такой антенны достаточно широка (>),так что особой точности наведения она не требует. Антенна достаточно проста в изготовлении, надежна в эксплуатации.

Уровень боковых лепестков.

Наряду с шириной луча очень важным параметром является уровень боковых лепестков, который можно определить через К.Н.Д. по формуле [л.2.стр201]:

где  - это «эффективный уровень боковых лепестков»

или  дБ.

Список используемой литературы:

1.Антенно-фидерные устройства СВЧ.

(под общей редакцией Маркова)

2.Антенны.

(Д.М.Сазонов)

3.Антенны и устройства СВЧ.

(В.В.Никольский)