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
. Комаров
М.Ю. Контрольно-измерительное оборудование для монтажа и эксплуатации
волоконно-оптических линий связи // Метрология. - 2008 - № 1.
. Иванов
А.Б. Волоконная оптика: Компоненты, системы передачи, измерения. - М.: Компания
Сайрус Системс, 2011.
8.
Чертеж габаритный синтезированной антенны
9.
Диаграмма направленности синтезированной антенны
Рисунок 9. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости.
Рисунок 10. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости.
Чтобы измерить ширину главного лепестка ДН в вертикальной плоскости, а
также угол наклона главного лепестка, произведём вращение антенны относительно
оси У.
Рисунок 11. Угол наклона главного лепестка в вертикальной плоскости.
Данный угол наклона соответствует требованиям индивидуального задания.
Рисунок 12. Ширина главного лепестка ДН в вертикальной плоскости.
Полученная ширина главного лепестка ДН в вертикальной плоскости также
соответствует требованиям индивидуального задания.