Расчет и моделирование спиральной антенны 3 ГГц

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБОСНОВАНИЕ ТИПА СПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ 6
1.1 Краткий обзор спиральных антенн 6
1.2 Основа работы цилиндрической спиральной антенны 7
2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ СПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ 11
2.1 Расчет геометрических характеристик антенны 11
2.2 Электрический расчет антенны 13
3. ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ПЛОСКОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ 19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 24

1.1 Краткий обзор спиральных антенн

Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Имеется довольно много разновидностей спиральных антенн, однако почти все можно свести к следующим трем типам :
а) цилиндрическая ( см. рисунок 3.1 ) ;
б) коническая ( см. рисунок 3.2 ) ;
в) плоская ( см. рисунок 3.3 ).

Рисунок 1.1 - Цилиндрическая антенна.

Рисунок 1.2 - Коническая антенна.

Рисунок 1.3 - Плоская антенна.

В зависимости от числа ветвей спирали, они могут быть однозаходные (одна ветвь), двухзаходные (две ветви) и т.д.
Спиральная антенна состоит из проволочной спирали, питаемой коаксиальной линией. Внутренний провод этой линии присоединяется к спирали, а наружная оболочка - к металлическому диску.
Спиральные антенны формируют диаграмму направленности, состоящую из двух лепестков, расположенных вдоль оси спирали по разные стороны от нее.
...

1.2 Основа работы цилиндрической спиральной антенны

Подробные исследования показали, что на излучающей цилиндрической спирали одновременно существует несколько типов тока, отличающихся друг от друга амплитудой и числом периодов, укладывающихся вдоль оси спирали со своим затуханием и со своей фазовой скоростью. Однако форма диаграммы направленности спирали зависит, в основном, лишь от одной, преобладающей волны, тип которой определяется соотношением между длиной витка спирали и рабочей длиной волны.
Введем следующие обозначения:
 - рабочая длина волны в свободном пространстве;
Тq - волна тока в спирали q-го типа; q=0,1,2…. Целое число, указывающее, сколько периодов волны тока укладывается вдоль одного витка спирали;
Vq- скорость распространения волны тока Тq по проводу спирали;
С - скорость света в свободном пространстве;
D - диаметр витка цилиндрической спирали.
Известно три режима работы цилиндрической спиральной антенны:
1. Когда длина витка спирали меньше 0.
...

2.1 Расчет геометрических характеристик антенны
Заданием нам задана средняя длина волны . Зная её, определяем центральную рабочую частоту антенны:

Согласно заданию, максимальное отклонение длины излучаемой волны от средней длины излучаемой антенной волны составляет:

Из этих данных определяем минимальную и максимальную частоты (частотный диапазон) проектируемой антенны:

Руководствуясь требуемым коэффициентом усиления антенны , определяем ширину диаграммы направленности проектируемой антенны .
Вначале находим коэффициент направленного действий (КНД) антенны, приняв коэффициент полезного действия КПД=90%:

Далее определяем ширину диаграммы направленности проектируемой антенны по следующей формуле:

Учитывая, что для спиральной антенны , имеем:

Определяем длину антенны:

Цилиндрическая регулярная однозаходная спиральная антенна имеет коэффициент перекрытия по частоте 1.
...

2.2 Электрический расчет антенны

Для расчета диаграмм направленности на средней рабочей частоте по компонентам подставим найденные геометрические размеры антенны в формулы (5). Для определения КНД антенны в рабочем диапазоне частот воспользуемся соотношением (16).
Чтобы определить входное сопротивление воспользуемся формулой Крауса, которая в диапазоне ДМВ дает приемлемые результаты.

Как видно из расчета, входное сопротивление антенны отличается от волнового сопротивления выбранного фидера. Из этого следует необходимость применения согласующего устройства, а именно коаксиальный трансформатор сопротивлений. Поскольку в качестве фидера был выбран РК-2-11 с диаметром центральной жилы – 0.67 мм, то можно определить размеры коаксиального трансформатора (рисунок 2.4).
Длину конусной части берем равной /4=0.0825 м для того, чтобы переход работал как четретьволновой трансформатор для согласования линии с разным волновым сопротивлением.
...

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Суть курсовой работы заключалась в разработке антенны, предназначенной для работы в СВЧ диапазоне на частоте 3 ГГц. Такие частоты используются в современных системах цифровой передачи данных, так как на данной частоте возможно обеспечить требуемую полосу частот передаваемого сигнала при необходимой (мегабиты и десятки мегабит в секунду) скорости передачи.
Особенностью СВЧ-волн является то, что по физическим свойствам они напоминают излучение оптического диапазона (видимый свет). СВЧ-радиоволны распространяются «лучами», претерпевают отражение от различных сплошных и сетчатых металлических элементов и т.д.
Эти обстоятельства предопределяют выбор конструкции и геометрических параметров антенны СВЧ-диапазона.
Ввиду небольшой длины волны, эффективная длина антенны также невелика – порядка 10 сантиметров. Целесообразно делать антенну, имеющую узкую диаграмму направленности.
...