Файл: Курсовая работа по дисциплине антенны и распространение радиоволн.docx

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине
«АНТЕННЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН»

Спиральная антенна диапазона 1÷2 ГГц

с коэффициентом усиления не ниже 13 дБ.

Выполнил: Хорозов Илья Иванович, группа 7431.


Дата представления работы: «______» __________ 2022 г.

Дата защиты: «______» __________ 2022 г.

Оценка: _________________

Москва 2022 год

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

Глава 1. СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ 4

1. 
   Классификация и разновидность спиральных антенн 4
   
2. 
   Основные свойства и принцип действия регулярной цилиндрической антенны и выбор конструкции 6
   

Глава 2. РАСЧЁТ И ВЫБОР ЗНАЧЕНИЙ КОНСТРУКТИВНЫХ

ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ 10

1. 
   Расчёт и выбор геометрических параметров спиральной антенны 10
   
2. 
   Расчёт характеристик спиральной антенны 11
   

Глава 3. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 13

1. 
   Подбор геометрических параметров спиральной антенны 13
   
2. 
   Построение диаграммы направленности спиральной антенны 15
   
3. 
   Моделирование спиральной антенны 20
   
4. 
   Сопоставление теоретических расчетов и результатов моделирования 22
   

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 24

ВВЕДЕНИЕ

Развитие различных отраслей радиоэлектроники (радиоразведки и противодействия, связи с подвижными объектами, радиоуправления, радиотелеметрии, радиоастрономии и др.) вызвало практическую потребность в антеннах, обеспечивающих излучение и прием эллиптически поляризованного поля в широком диапазоне частот. Необходимость улучшения помехозащищенности, информативной способности и потенциала радиолокационных средств требует применения антенн с управляемыми во времени поляризационными параметрами.

Среди различных типов широкополосных антенн важное место занимают разнообразные спиральные антенны. Спиральные антенны являются слабо- и средне направленными широкополосными антеннами эллиптической и управляемой поляризации. Они применяются в качестве самостоятельных антенн, облучателей зеркальных и линзовых антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн эллиптической и управляемой поляризации, элементов антенных решеток.

Требования к антенне:

1. 
   Рабочий диапазон частот – 1÷2 ГГц
   
2. 
   Коэффициент усиления не ниже 13 дБ
   

Глава 1

---

СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АНТЕННЫ

1. 
   Классификация и разновидность спиральный антенн
   

Спиральные антенны —это антенны поверхностных волн. По виду направителя (замедляющей системы) и способу обеспечения работы в широком диапазоне частот их можно разделить на:

• 
  цилиндрические регулярные, у которых геометрические параметры (шаг, радиус, диаметр провода) постоянно по всей длине и широкополосность обусловлена наличием дисперсии фазовой скорости (рис. 1.1.);
  
• 
  эквиугольные или частотно-независимые (рис. 1.2.);
  
• 
  нерегулярные, к которым можно отнести все другие типы спиральных антенн (рис. 1.3.).
  

Основным элементом всех спиральных антенн является проволочный или ленточный виток длиной, приблизительно равной λ, (диаметр ), обтекаемый бегущей волной тока. В подавляющем большинстве случаев спиральные антенны возбуждаются коаксиальной линией. Поэтому по частотному диапазону область их применения на длинных волнах ограничена предельно допустимыми габаритами, а на коротких — достижимой точностью изготовления и технологичностью конструкции, высокочастотным пределом рабочего диапазона коаксиальных кабелей и возможностью конструктивной реализации нужной формы перехода от питающего коаксиального фидера к ветвям спиральной структуры. На практике трудно осуществить конструкции спиральных антенн, работающие на волнах короче 2 см.

Особенностью спиральных антенн является то, что они изготавливаются из тонких проводников круглого сечения или тонких металлических лент. Концентрация поля на кромках проводящих поверхностей оказывается значительной, а зазоры между соседними витками в той части антенны, которая работает на высокочастотном краю диапазона, невелики. Средний периметр сечения коаксиального кабеля, возбуждающего спиральную антенну, работающую на СВЧ, для исключения высших типов волн должен быть меньше λ, т. е. такие кабели имеют невысокую электрическую прочность. Следовательно, в диапазоне СВЧ спиральные антенны могут работать при малых и средних уровнях мощности . Спиральная антенна любого типа (регулярная, эквиугольная, нерегулярная) может быть сконструирована для работы в полосе частот с коэффициентом перекрытия от 1,5 до 5 и более. При этом надо иметь в виду, что у конических и плоских эквиугольных спиральных антенн, частотно-независимых в рабочем диапазоне частот, верхняя граница которого приближенно определяется поперечными размерами структуры у вершины, а нижняя —поперечными

---

размерами структуры у основания, диаграммы направленности и входное сопротивление изменяются периодически как функция логарифма частоты, хотя и в небольших пределах.

Цилиндрические, плоские и конические спиральные антенны с постоянным шагом, а также спиральные антенны на поверхности различных тел вращения (кроме эквиугольных конических) не являются частотно-независимыми. Поэтому в рабочем диапазоне частот их диаграммы направленности изменяются более-менее монотонно. У цилиндрических спиральных антенн с увеличением частоты диаграмма направленности сужается, а у плоских и конических с постоянным шагом — несколько расширяется. У квазичастотно-независимых спиральных антенн изменение характеристик и параметров от частоты может быть различным в зависимости от закона изменения угла намотки по длине антенны и формы поверхности, на которой она намотана.

Из перечисленных типов антенн большей направленностью обладают цилиндрические спиральные антенны . Направленность частотно-независимых и квазичастотно-независимых антенн меньше .

2. 
   Основные свойства и принцип действия регулярной цилиндрической спиральной антенны
   

Свойства спиральной антенны (вид диаграммы на направленности, поляризация поля, диапазонность и т. д.) зависят от конструкции антенны, отношения основных геометрических размеров к длине волны в свободном пространстве, типа возбуждаемой волны. Анализ этих свойств основывается на результатах анализа типов волн в соответствующей бесконечной спиральной линии, отрезком которой является антенна.

В спиральной антенне может распространяться система волн, называемые собственными. В зависимости от отношения диаметра спирали к длине волны в собственной волне может резонировать та или иная азимутальная пространственная гармоника. Индекс «n» резонирующей пространственной гармоники и определяет характер излучения спиральной антенны (диаграмму направленности, поляризационные и фазовые характеристики).

---

Характерны три вида форм ДН цилиндрической спиральной антенны. Если диаметр спирали , то в ней преобладает волна типа , характеризующаяся изменением фазы тока в пределах 360° на протяжении нескольких витков; амплитуда волны вдоль спирали постоянна, а фазовая скорость . За счет отражения волны Т0 от конца спирали в ней устанавливается режим стоячей волны, излучение вдоль оси спирали отсутствует и максимум излучения антенны получается в поперечной плоскости спирали (рис, 1.4, а). При этом ближайший тип волны имеет весьма малую амплитуду и вклад этой волны в общее поле излучения незначителен.

При дальнейшем увеличении диаметра спирали (D>О.45λ) в собственной волне определяющей является вторая азимутальная пространственная гармоника (волна ), и ДН приобретает коническую (воронкообразную) форму (рис. 17.7, в).

Наилучшие направленные свойства антенна имеет в режиме осевого излучения, когда длина провода витка спирали примерно равна рабочей длине волны ( ).

В режиме осевого излучения витки спирали излучают весьма интенсивно, благодаря чему к концу спирали практически излучается вся подводимая к антенне мощность; отражение от конца спирали отсутствует и в ней устанавливаете режим бегущей волны. Фазовая скорость волны при этом меньше скорости света (Рис. 1.5.).


(1.1)
Спиральная антенна - антенна осевого излучения с замедленной фазовой скоростью волны тока вдоль оси антенны. В таких антеннах максимальный КНД получается при сдвиге фаз между полями излучения первого и последнего витков, равном π, т.е. должно выполняться условие:





Установлено, что увеличение числа витков сверх 11 не приводит к сколько-нибудь существенному сужению ДН, поэтому число витков спирали следует выбирать в пределах от 4 до 11.

---

Таким образом данная конструкция антенн является наиболее подходящей для заданного технического задания

Д ля уменьшения некоторого обратного излучения спираль, как правило, применяется совместно с экраном обычно круглой формы. В сантиметровом диапазоне экран делаетс­я сплошным, в деци­метровом и метровом диапазонах из металлической сетки (Рис.1.6). При этом размер ячейки сетки делается меньшим 0,1λ. Эксперимент показывает, что на характеристики и параметры спиральной антенны влияет диаметр экрана. Диаграмма направленности и поляризационная характеристика наиболее стабильны в диапазоне частот при (0,6 ... 0,7) λ. При меньшем эк­ране растет уровень заднего излучения. Входное сопротивление слабо зависит от при >0,4 λ. В реальных конструкциях антенн радиус проводника спи­рали выбирается в пределах = (0,01 …0,2) λ.



Конструктивные параметры спирали (Рис. 1.7) обозначены следующими буквами:

Рис.1.7Цилиндрическая спиральная антенна.











Глава 2.

РАСЧЁТ И ВЫБОР ЗНАЧЕНИЙ КОНСТРУКТИВНЫХ

ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ

---