Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина»

АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ. РЕФЛЕКТОРНЫЕ АНТЕННЫ. АНТЕННЫ ДЛЯ ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ И БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ.

Методические указания и задания к курсовому проектированию для студентов

специальности «Радиотехника»

Екатеринбург

2022

УДК 621.396

Автор: доц., к.т.н. С.А. Баранов
Антенные решетки. Рефлекторные антенны. Антенны для телерадиовещания и базовых станций: Методические указания и задания к курсовому проектированию для студентов очно-заочной и заочной форм обучения специальности «Радиотехника». / С.А. Баранов. Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УРФУ, 2022. 51с.
Изложены принципы проектирования и методы расчета характеристик широко использующихся на практике простых излучателей, антенных решеток, осесимметричных рефлекторных антенн и антенн для передающих телерадиовещательных центров и базовых станций систем подвижной связи. Приведены расчетные соотношения для делителей мощности и коаксиальных фидерных трактов. Сформулированы варианты заданий по курсовой работе.
Библиогр.: 8 назв. Рис. 25. Табл.11.
Подготовлено департаментом «средств радиосвязи»

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», 2022

1. Простые излучатели
Под простыми излучателями понимаются несложные по конструкции антенны, обладающие умеренной или слабой направленностью. Эти антенны используются как самостоятельные излучатели электромагнитного поля, так и в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн, а также элементов антенных решеток – АР. Рассмотрим конструкции и основные электрические характеристики наиболее распространенных типов простых излучателей.
1.1 Симметричные вибраторы
Симметричный вибратор представляет собой прямолинейный проводник цилиндрической формы с симметричным относительно середины проводника распределением тока (рис. 1.1).



Для создания однонаправленного излучения вибратор располагают параллельно плоскому проводящему экрану-рефлектору. ДН полуволнового вибратора рассчитывается по формуле:

---

, (1.1)

где d – расстояние между осью вибратора и экраном.

Максимальное значение КНД определяется в этом случае формулой:

. (1.2)

В (1.2) R_∑ определяется как

R_∑=R₁₁ – R₁₂,

где R₁₁ – собственное сопротивление вибратора в свободном пространстве (R₁₁=73,1 Ом для полуволнового вибратора);

R₁₂ – взаимное сопротивление двух параллельных одинаковой длины вибраторов, разнесенных на расстояние 2d.

В табл. 1.1 приведены значения для R₁₂ полуволнового вибратора в диапазоне d/λот 0,12 до 0,4.

Таблица 1.1

d/λ	0,12	0,16	0,20	0,24	0,28	0,32	0,36	0,38	0,4
R12, Ом	+43,1	+24,6	+6,2	-9,4	-20,1	-25,0	-24,2	-21,8	-18,5

Входное сопротивление полуволнового вибратора имеет реактивную составляющую положительного знака. Для компенсации этой составляющей длина вибратора берется несколько меньше λ/2. Вибратор в этом случае называется резонансным. Длина вибратора определяется по формуле: 2l=K∙λ/2. Для определения коэффициента укорочения К можно пользоваться графиком рис.1.2. На графике 2ρ – диаметр вибратора.



Схема питания и конструктивное выполнение вибраторных антенн для различных диапазонов волн приведены в [1].
1.2 Щелевые излучатели
Щели с односторонним излучением находят применение в СМ и ММ диапазонах волн как облучатели апертурных антенн и элементы ФАР. Рассмотрим их характеристики. На рис. 1.3 приведен излучатель в виде щели с размерами × , прорезанной в торце прямоугольного волновода с размерами

---

a× b. В волноводе распространяется волна основного типа Н₁₀, щель излучает поле с поляризацией перпендикулярной широкой стенке.


ДН щели рассчитывается по формуле:

, (1.3)

где угол отсчитывается от нормали к плоскости отверстия, а -от перпендикуляра к щели. Эквивалентная схема излучающей щели приведена на рис.1.3б, где λ_b – длина волны в волноводе, Y₀ – характеристическая проводимость питающего волновода.

В первую очередь, представляют интерес резонансные щели, у которых реактивная составляющая проводимости равна нулю. Резонансная длина щели так же, как у вибратора, несколько меньше половины длины волны. Коэффициент укорочения щели можно определить по графику рис.1.2, используя правило равного периметра. В соответствии с этим правилом эквивалентный диаметр цилиндрического вибратора связан с шириной щели b΄ следующим соотношением: 2ρ= b΄/1,57.

Эквивалентная активная проводимость резонансной торцевой щели рассчитывается по формуле:

(1.4)

В линейных и двумерных решетках в качестве элементов используются щели, прорезанные в стенке прямоугольного волновода. Эквивалентные характеристики таких щелей зависят от положения и ориентации щели относительно оси волновода. В табл.1.2 для широко используемых полуволновых щелей приведены эквивалентные схемы и расчетные формулы для нормированных проводимостей g и сопротивлений r.

Таблица 1.2

Тип щели	Эквивалентная схема	Эквивалентная проводимость или сопротивление

---

Для определения резонансной длины щели можно воспользоваться методикой, указанной выше при рассмотрении торцевой щели. Более точные результаты для продольной щели в широкой стенке волновода приведены на графиках рис.1.4. Данные приведены для волновода с замедлением λ/λ_b=0,67 и трех значений относительно ширины щели b΄/λ.


a'/λ

b'/λ


0,5


0,0445



0,484


0,0543

0,089


0,468



x₁/λ


0

0,452


0,1

0,2

0,3


Рис. 1.4 Зависимость резонансной длины продольной щели от смещения относительно середины широкой стенки



Резонансная длина поперечной щели в широкой стенке прямоугольного волновода при x₁=0 равна a=0,488λ. Наклонные щели в узкой стенке имеют резонансную длину, приблизительно равную половине длины волны в свободном пространстве.

При выборе ширины b΄ щели должен обеспечиваться двух - трехкратный запас по пробивной напряженности поля

(1.5)

где Е_проб.=30∙10³ В/см,

(P– подводимаяк антенне мощность,N – число щелей, G–проводимость излучения щели).

Проводимость излучения односторонней полуволновой щели G=1,03∙10^-3 1/Ом.
1.3 Диэлектрические стержневые антенны
Антенны этого типа широко используются как облучатели зеркальных антенн, а также в составе плоских антенных решеток. Наибольшее распространение получили диэлектрические антенны со стержнем круглого сечения, вставленным в круглый волновод. На частотах менее 3 ГГц круглый волновод обычно возбуждается от коаксиального кабеля (рис.1.5а), на частотах выше 3 ГГц чаще используется волноводное возбуждение с плавным переходом от прямоугольного волновода к круглому (рис.1.5б). Форма диэлектрического стержня может быть цилиндрической или конусной.

---

Диэлектрическая антенна как антенна бегущей волны имеет максимальный КНД

(1.6)

при оптимальном коэффициенте замедления фазовой скорости волны в стержне

(1.7)

где V_ф – фазовая скорость в стержне;

С – скорость света 3∙10⁸ м/с.

В еличина замедления зависит от диаметра и материала стержня и может быть определена по графикам рис.1.6

В качестве параметра на графиках рис.1.6 взята относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня ε.

Для уменьшения отражения от конца диэлектрической антенны и снижения уровня боковых лепестков обычно применяют диэлектрические стержни конической формы. Для эффективного возбуждения стержня его начальный диаметр выбирают из соотношения:

.

Фазовая скорость волны на конце стержня должна соответствовать фазовой скорости волны в свободном пространстве и в соответствии с графиками на рис.1.6 определятся по формуле:

.

Если диаметр сечения стержня переменный, то можно приблизительно определить необходимые значения длины L и диаметра d, исходя из предположения, что величина ξ определяется средним значением диаметра стержня.

Диаграмма направленности диэлектрической антенны, изображенной на рис.1.5, может быть рассчитана по приближенной формуле:

,

где

- в плоскости ,

- в плоскости .

Угол θ отсчитывается от оси стержня. J₁(x) – функция Бесселя с индексом 1.

Ширину главного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности приближенно можно рассчитать по формуле:

.

Для того, чтобы в

---

Смотрите также файлы

• Направление естественные науки и современный мир. Сколько в соке сока.docx

• История родов.docx

• Вопросы брифа с заказчиком с ответами.docx

• Методики, используемые в диагностике Методика Несуществующее животное.docx

• Проблемы и перспективы развития мцуис и мига.docx