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:
?-рабочая длина волны в свободном пространстве
??С?F,где С-скорость света, F-рабочая частота
??300/800=36.5 (см)
D-диаметр витка спирали (см)
Если длина витка спирали лежит в пределах от 0.75???до??????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.
??угол подъёма витка
R-радиус спирали
S-шаг витка С.А.
L-длина витка спирали
S L
?
2?R
Рисунок 3.Развёртка витка С.А.
Основные соотношения:
2 2 2
L =(2?R)+S {1}
Sin?=S/L {2}
l=nS {3}
следуют из рисунка 3.
Ширина Д.Н. по половинной мощности выражаемая в градусах
EMBED Equation.3
2?0.5 EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 (4) [л.3.стр323]
EMBED Equation.3
Коэффициент направленного действия
D0=15 EMBED Equation.3 n EMBED Equation.3 (5)
Входное сопротивление
EMBED Equation.3 (Ом) (6)
2.Расчёт цилиндрической С.А. [л.3.стр321]
Наиболее характерен режим С.А., который устанавливается, когда:
EMBED Equation.3 (См)
EMBED Equation.3 -примем равным EMBED Equation.3 Т.К. EMBED Equation.3
К.П.Д в нашем случае будет близок 100 % при достаточно большой площади сечения С.А.
EMBED Equation.3 См
Шаг спирали для получения круговой поляризации [л.1.стр235]
EMBED Equation.3 См
Число витков спирали
EMBED Equation.3 округляем EMBED Equation.3 виткам
Радиус спирали из (1) EMBED Equation.3 См
Ширина Д.Н. по формуле (4)
EMBED Equation.3
Диаметр диска экрана принимается равным (0.9 EMBED Equation.3 1.1) EMBED Equation.3 [л.1.стр237]
В нашем случае диаметр диска экрана EMBED Equation.3 См.
Диаметр провода спирали берется порядка (0.03 EMBED Equation.3 0.05) EMBED Equation.3
. EMBED Equation.3 См
В нашем случае лучше взять медную трубку близкого диаметра т.к. токи высокой частоты текут лишь по поверхности металла.
Входное сопротивление EMBED Equation.3 требует согласующего устройства к линии 75 ом
Угол подъёма спирали из (2) EMBED Equation.3
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 EMBED Equation.3 . 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
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Рис.4.Коаксиальный трансформатор волновых
сопротивлений передающего тракта
Если длину конусной части ( EMBED Equation.3 ) взять равной EMBED Equation.3 (в нашем случае EMBED Equation.3 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:
EMBED Equation.3 (7) [л.3.стр159] где:
EMBED Equation.3 -волновое сопротивление конусной части перехода
EMBED Equation.3 -волновое сопротивление подводящего фидера 75 Ом
EMBED Equation.3 -волновое сопротивление спиральной антенны
EMBED Equation.3 Ом
По известному волновому сопротивлению можно определить отношение диаметров элементов коаксиального тракта:
EMBED Equation.3 lg EMBED Equation.3 ( Ом ) (8)
Для коаксиального устройства с воздушным заполнением и EMBED Equation.3 Ом отношение EMBED Equation.3 , а для EMBED Equation.3 Ом EMBED Equation.3 и для EMBED Equation.3 Ом
EMBED Equation.3
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.
EMBED Equation.3 мм
EMBED Equation.3 мм
EMBED Equation.3 выберем равным EMBED Equation.3 мм., тогда EMBED Equation.3 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
EMBED Equation.3
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 ( EMBED Equation.3 > EMBED Equation.3 ),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]:
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 где EMBED Equation.3 - это «эффективный уровень боковых лепестков»
EMBED Equation.3 или EMBED Equation.3 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)
