Тематика курсового проекта

 

Тема для курсового проектирования выбирается из ряда предложенных ниже вариантов (раздел 5) по номеру зачётной книжки. Эти варианты курсовых проектов носят конструкторский характер. Однако с учётом научных интересов студентов несколько курсовых работ могут иметь исследовательский уклон. Такие работы посвящены широкому кругу вопросов, касающихся освоению новых частотных диапазонов в технике связи (например миллиметрового и оптического), разработкам новейших типов антенн (например фазированных антенных решёток на микрополосковых линиях), применению уже известных антенн в новых направлениях (например сферических линзовых антенн Люнеберга в качестве многолучевых антенн для спутниковой связи) и так далее.

Задание на курсовое проектирование выдаётся руководителем индивидуально каждому студенту и содержит следующие данные:

название проектируемого устройства,

технические параметры,

дополнительные требования (условия эксплуатации, электромагнитная совместимость, вес, стоимость и др.),

перечень разрабатываемых теоретических вопросов и графического материала (с точным указанием обязательных чертежей).

Форма бланка - задания на курсовой проект имеется на кафедре.

Бланк-задание подписывается руководителем курсового проектирования и студентом.

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

Пояснительная записка должна содержать теоретическую и расчётную части.

В теоретической части проводится анализ технического задания, рассматриваются возможные варианты его выполнения, даётся обоснование выбора конструкции антенны и питающего фидера с согласующими устройствами и со стандартным входным разъёмом, оцениваются достоинства и недостатки выбранной конструкции. Проводится выбор методики расчёта, описывается порядок расчёта с приведением расчётных формул, при этом ссылки на литературу и нумерация формул по тексту записки обязательны.

В расчётной части проводится расчёт по формулам, приведенным в расчётной части, с подстановкой численных величин и окончательным результатом вычислений с обязательным указанием размерности.

Если один или несколько расчётных параметров определяются по графику из научно-технической литературы, то данный график необходимо перенести в текст пояснительной записки, сославшись на источник.

В перечень литературы включаются все издания, которые использовались в процессе проектирования, и на которые есть ссылки в тексте записки.

 

ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

 

Графическая часть курсового проекта должна содержать сборочный чертёж рассчитанного антенно-фидерного устройства с указанием масштаба и спецификацию. Чертежи отдельных деталей выполняются по индивидуальному указанию преподавателя.

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

 

Задание предусматривает проектирование десяти вариантов антенн. Каждый студент проектирует одну из этих антенн. Номер варианта определяется последней цифрой номера зачётной книжки, а столбец исходных данных в таблицах 1 – 10 – предпоследней цифрой номера зачётной книжки.

По желанию студента ему может быть выдано индивидуальное задание на курсовое проектирование. Темой задания может являться любая другая антенна, применяемая в системах радиосвязи, телевидения, радиолокации и др. Задание должно быть предварительно утверждено преподавателем, ведущим курсовое проектирование.

 

Вариант 1

Спроектировать параболическую антенну для приёма линейно-поляризованного сигнала на частоте . В табл. 1 указаны исходные данные для расчёта: частота сигнала, коэффициент усиления антенны (), допустимый уровень первых боковых лепестков ().

Таблица 1

	Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
Параметр
, ГГц										2,5
, дБ
, дБ	-21	-19	-18	-23	-19	-20,2	-21	-19	-21	-18

 

Методические указания

 

Диапазонные свойства антенны в основном зависят от облучателя. Конструкции облучателей описаны в учебниках [1, 2, 4]. Вибраторные облучатели, питаемые с помощью коаксиальных линий, применяют обычно в дециметровом и в длинноволновой части сантиметрового диапазона. На сантиметровых и более коротких волнах используют волноводные и рупорные облучатели. Студенту предлагается самому выбрать тип облучателя согласно варианту в табл. 1.

При определении диаметра раскрыва зеркала в первом приближении можно положить, что коэффициент полезного действия антенны равен η = (0,85 ÷ 0,9), а коэффициент использования поверхности КИП = 0,65 ÷ 0,7. В дальнейшем при проведении расчётов эти значения следует уточнить. Распределение амплитуды поля в раскрыве зеркала определяется графическим способом с помощью диаграммы направленности облучателя по методике, изложенной в учебнике [1, разд. 9. 2. 2]. Аппроксимацию полученного распределения рекомендуется проводить степенным рядом

(1.1)

Коэффициенты и находятся при решении уравнений:

; , где и – значения функции амплитудного распределения при =1 (на краю зеркала) и при = 0.5.

После определения коэффициентов и диаграмма направленности антенны рассчитывается с помощью соотношения:

, (1.2)

где - лямбда-функция -го порядка; ; -угол, определяющий направление в пространстве и отсчитываемый от нормали к поверхности раскрыва зеркала.

Для вычисления можно использовать соотношение:

, (1.3)

где - функция Бесселя -го порядка, .

Значения функций Бесселя имеются в виде таблиц в справочниках по высшей математике или в программном обеспечении компьютера.

По рассчитанной ДН необходимо определить ширину главного и уровень боковых лепестков.

Используя данные в литературе [1, табл. 5.1], следует оценить величину коэффициента использования поверхности раскрыва, а затем уточнить величину коэффициента направленного действия антенны.

 

 

В заключение следует разработать сборочный чертёж антенны и устройство её сопряжения с фидерным трактом.

Вариант 2

Спроектировать передающую ромбическую антенну для магистральной связи. Расчёт электрических и конструктивных параметров антенны проводится по исходным данным, приведённым в табл. 2.

Необходимо рассчитать конструктивные размеры антенны, выбрать материал проводов для сторон ромба и для изготовления согласованной нагрузки, подобрать фидер для питания антенны. Расчёт электрических параметров антенны выполнить на оптимальной и крайних частотах рабочего диапазона.

В заключение работы необходимо рассчитать диаграмму направленности двойной ромбической антенны, выбрав разнос между большими диагоналями ромба в горизонтальной плоскости , проанализировать полученный результат.

Таблица 2

	Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
Параметр
, м
	2:2	1,5:1	2,5:1	0,8:1,5	0,8:2	2:1	0,9:1,5	0,8:1,5	2:1	2:1
, град
, кВт

 

Здесь - рабочая длина волны, - диапазон волн, - угол наклона траектории луча.

 

Методические указания

 

Направленные свойства ромбической антенны достаточно полно анализируются в учебниках [1,2,5], а в источнике [9] приведён пример расчёта.

Волновое сопротивление ромбической антенны определяется соотношением:

, (2.1)

где L - малая диагональ ромба; - диаметр провода (обычно 2 …4 мм); - расстояние между расходящимися по высоте проводами ромба у тупого угла, , l – длина стороны ромба.

Сопротивление излучения антенны, Ом:

, (2.2)

где k -волновое число, k = 2 / ₀.

Максимальный коэффициент усиления:

, (2.3)

Коэффициент полезного действия:

. (2.4)

Диаграммы направленности ромбической антенны в горизонтальной плоскости (плоскости ромба) и в вертикальной плоскости определяются выражениями:

(2.5)

 

, (2.6)

где – длина стороны ромба; – тупой угол ромба; – высота подвеса антенны.

Для двойной ромбической антенны диаграмма направленности в горизонтальной плоскости рассчитывается по формуле

. (2.7)

Вариант 3

Сконструировать рупорно–параболическую антенну. Исходные данные для расчёта электрических и конструктивных параметров антенны даны в таблице 3.

Таблица 3

	Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
Параметр
, дБ
, см	8,2		2,9			5,2	8,3	3,75		3,75

 

Методические указания

 

Для определения конструктивных размеров антенны следует задаться величиной коэффициента полезного действия () и коэффициента использования поверхности (): =0,85÷ 0,9, =0,65÷0,75. Тогда площадь раскрыва S можно определить по формуле

. (3.1)

Апертурой в данной антенне является сегмент кольца с радиусами и (рис. 3.1). Площадь апертуры зависит от угла раствора рупора , с увеличением площадь апертуры возрастает, но при этом увеличивается рассогласование рупора с волноводом. Рекомендуется выбирать .

Для приблизительно одинаковых размеров раскрыва антенны в вертикальной и горизонтальной плоскости величины , , L₁, L₂ и должны определяться соотношениями:

, (3.2)

; L₁ =2 R₁ sin(α /2); L ₂=2 R ₂sin(α /2).

Профиль зеркала в плоскости ХОZ (рис. 3.1) рассчитывается по уравнению: . Требования к точности выполнения профиля зеркала, а также допустимые смещения фазового центра рупора вдоль и поперёк оси параболоида такие же, как у параболической антенны [1, разд. 9.2.4].

Диаграмма направленности антенны зависит как от характера распределения поля по апертуре, так и от формы самой апертуры. При точном учёте этих факторов формулы для расчёта диаграмм направленности приобретают весьма сложный вид [4]. Они существенно упрощаются, если предположить, что апертура представляет собой прямоугольник с размерами и , а распределение поля в этом прямоугольнике идентично распределению поля в прямоугольномволноводе на волне Н₁₀, питающем данный рупор.

 

Рис.3.1. Рупорно-параболическая антенна

 

На рис. 3.1 видно, что ; . Тогда диаграмма направленности в случае горизонтальной поляризации поля в вертикальной плоскости имеет вид:

, (3.3)

в горизонтальной плоскости:

. (3.4)

Для каждой рассчитанной диаграммы определить ширину на уровне 0,707 и на нулевом уровне, а также уровень боковых лепестков, дБ.

При конструировании волноводного тракта необходимо выбирать стандартный волновод и стандартный волноводный фланец. Размеры и электрические параметры стандартных волноводов приведены в приложении 1, а размеры стандартных фланцев (контактных и дроссельных) в приложении 2. Поскольку рупор в данной антенне не является оптимальным, необходимо посчитать коэффициент отражения от горловины рупора и КБВ в фидере [6]. Если полученное значение КБВ меньше 0.9 – 0.95, необходимо рассчитать плавный, обычно экспоненциальный переход от рупора к питающему волноводу. Длина перехода L выбирается в пределах (3…10)· , а поперечный размер рупора в плоскости стыка с переходом (2…5)· .

В таком переходе изменение волнового сопротивления происходит достаточно плавно и интенсивность обратных волн мала. Волновое сопротивление стандартного волновода Z_ф и перехода в месте стыковки с рупором Z(0) рассчитываются по известной формуле

. (3.5)

Если обозначить через R=Z_ф/Z(0) – перепад волновых сопротивлений, то волновое сопротивление в любом сечении x (рис. 3.2) запишется:

(3.6)

Рассчитав по (3.6) для нескольких значений x волновое сопротивление перехода, по формуле (3.5) определяем профиль широкой стенки экспоненциального перехода.

 

 

 

Рис. 3.2. Экспоненциальный переход

 

Вариант 4

Спроектировать волноводно-щелевую антенную решетку с частотным сканированием. Исходные данные для расчета электрических и конструктивных параметров приведены в табл. 4. При проектировании определить возможный сектор сканирования D и углочастотную чувствительность на средней длине волны генератора.

Таблица 4

	Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
Параметр
, см	3,2							2,5	3,2	4,2
, см	4,0	4,5	5,6	9,3	4,2	7,8	13,5	3,2	3,8	4,5
, см	2,6			6,12	2,5		7,5		2,5	3,2
, град	-4,5	-6	-5	-9,5		-10	-6,5	7,8	-5
, град
, кВт	0,3	0,5	0,1	0,12	0,5	0,2	0,1	0,5	0,4	0,4

 

Здесь - средняя длина волны генератора; и - границы перестройки длины волны генератора; - направление главного максимума диаграммы направленности на ; - ширина главного лепестка ДН на ; - мощность, подводимая к антенне.

 

Методические указания

 

Теория излучения и методы частотного сканирования в линейных антенных решетках изложены в учебниках [1, разд. 4.3.3; 8.2], [4, глава 6]. В источниках [3] и [6, главы 2 и 5] приведены методы расчета волноводно-щелевых антенных решеток с частотным сканированием.

Наиболее часто используются нерезонансные волноводно-щелевые антенны с продольными щелями в широкой стенке волновода с переменнофазным возбуждением.

Ширина ДН и КПД антенны зависят от распределения излучаемой мощности вдоль решетки. На практике получили распространение законы: экспоненциальный, когда каждая щель излучает одинаковую долю подходящей к ней мощности бегущей волны; равномерный, когда каждая щель излучает одинаковую мощность. Очевидно, равноамплитудное возбуждение щелей можно реализовать, постепенно увеличивая расстояние между продольными щелями и средней линией широкой стенки волновода. Относительная мощность, поглощаемая в согласованной нагрузке , т.е. КПД=0.9…0.95.

При равноамплитудном возбуждении N щелей относительная мощность излучения любой n-ой щели определяется формулой из источника [6]:

, (4.1)

а коэффициент связи щели с волноводом и ее проводимость определяются выражениями:

; ; ; . (4.2)

Определив проводимости всех N щелей, находим смещение каждой щели относительно середины широкой стенки волновода.

Множитель в диаграмме направленности волноводно-щелевой решетки рассчитывают на , и по формуле

, (4.3)

где ; ; ; - угол, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей.

Диаграмма направленности одной полуволновой щели в этой же плоскости определяется формулой

. (4.4)

Тогда ДН антенны в продольной плоскости:

. (4.5)

В поперечной плоскости ДН антенны определяется излучающими свойствами одной щели, прорезанной в экране конечных размеров. При ширине волновода можно воспользоваться любой из диаграмм, рассчитанных и изображенных на графике в учебниках [6, с. 140], [4, рис. 6.13].

Уменьшить длину согласованной нагрузки можно, применив экспоненциальный профиль поглощающего клина в плоскости Е (рис 4.1). Величину выбираем от до , а высоту клина (), равной размеру узкой стенки волновода. Тогда, задаваясь значениями L в пределах от 0 до L₀, рассчитываем соответствующее значение h по формуле

 

(4.6)

 

 

Рис. 4.1. Профиль поглощающего клина в плоскости Е

 

В качестве твердого объемного поглотителя можно использовать мелкодисперсное карбонильное железо с твердеющими наполнителями (полистирол, эпоксидная смола), либо алюмооксидную керамику, графит с цементом.

Стандартный волновод на заданное значение подбирается по табл. 1 в приложении 1.

 

Вариант 5

Спроектировать двухзеркальную антенну спутниковой связи для приема линейно-поляризованного сигнала по исходным данным, приведенным в таблице 5.

Таблица 5

Параметр	Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
f0, ГГц
Ку, дБ

 

Методические указания

 

При проектировании антенны рекомендуется применить двухзеркальную антенну Кассегрена, построенную по классической схеме: большое зеркало – параболической формы, а малое – гиперболической. Для определения конструктивных размеров антенны надо использовать рекомендации и расчетные соотношения, приведенные в разделах 1.1, 1.2 и 1.4 [4]. В этом же источнике излагается метод расчета ДН антенны. Согласно этому методу исходная двухзеркальная антенна заменяется «эквивалентной» однозеркальной, с диаметром раскрыва равным диаметру раскрыва большого зеркала двухзеркальной антенны. Фокусное расстояние эквивалентного зеркала определяется выражением:

(5.1)

где e – эксцентриситет гиперболы,

f – фокусное расстояние большого зеркала.

Значение e определяет профиль малого зеркала и длину всей антенны и должен находиться в пределах e =1,2¸3, т.к. при e ®1 гиперболоид трансформируется в параболу и его нужно облучать плоской волной, при больших значениях e гиперболоид вырождается в плоскость.

Распределение поля по амплитуде и фазе в раскрыве эквивалентного зеркала такое же, как и в раскрыве большого зеркала двухзеркальной антенны. Таким образом, расчет двухзеркальной антенны сводится к расчету обычной параболической антенны (см. методические указания к варианту 1). При определении диаметра раскрыва большого зеркала по заданному К_у можно принять, что коэффициент полезного действия антенны h =(0,85¸9), а коэффициент использования поверхности КИП=0,7¸0,75.

В качестве облучателя целесообразно выбрать конический рупор, и лучше всего либо гофрированный, либо с изломом образующей (раздел 9.4 в учебнике [1]). Если в качестве облучателя выбирается пирамидальный рупор, то необходимо обеспечить осесимметричную ДН, т.е. размеры раскрыва рупора должны удовлетворять соотношению а_р @1.5 b_р.

 

Вариант 6

Рассчитать и определить конструкцию спиральной антенны в режиме осевого излучения. Расчетные данные приведены в таблице 6. К ним относятся рабочий диапазон, средняя длина волны и коэффициент усиления антенны.

Вход антенны – стандартный коаксиальный разъем 75 Ом. Расчет электрических параметров антенны выполнить на средней и крайних частотах рабочего диапазона.

Таблица 6

Параметр	Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
l0, см
, %
Ку, дБ
n x m	2x2	3x1	2x2	1x2	3x2	2x3	2x2	2x3	3x1	2x1

 

В заключении работы необходимо рассчитать диаграмму направленности плоской синфазной решетки на основе рассчитанной спиральной антенны. Размеры решетки n x m даны в таблице 6.

 

Методические указания

 

Излучающие свойства и расчетные формулы довольно подробно рассмотрены в источниках [1-3;7].

Один из примеров конструкции приведен в учебнике [3]. Для успешного проектирования помимо теории спиральных антенн необходимо предварительно разобраться в теории излучения линейных антенных решеток (АР) в режиме осевого излучения [2], а также в теории плоских синфазных антенных решеток (САР).

Поскольку входное сопротивление спиральной антенны чисто активно и близко к 140 Ом, необходимо рассчитать согласующее устройство на входе (например, - трансформатор).

 

Вариант 7

Рассчитать и спроектировать синфазную антенную решетку (САР) на микрополосковых излучателях. Исходные данные для расчета (рабочая длина волны и размеры решетки (m x n)) приведены в таблице 7. Волновое сопротивление подводящей МПЛ равно 50 Ом.

Таблица 7

Параметр	Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
l0, см
m x n	2x2	2x2	2x3	3x2	4x1	4x1	2x2	3x2	3x1	4x1

 

Необходимо подобрать материал и высоту подложки МПЛ, материал токонесущей полоски, рассмотреть существующие конструкции МПЛ излучателей и обосновать выбор одного из них, рассчитать ДН одиночного излучателя. Рассмотреть варианты разветвления подводящей МПЛ для синфазного возбуждения излучателей.

 

Методические указания

 

Теорию МПЛ и основные расчетные формулы можно изучить по учебному пособию [14]. Общие понятия и обзор конструкций печатных МПЛ антенн дан в учебнике [16] и (раздел 8.3 в [1]), основные теоретические положения и расчетные формулы приводятся в учебном пособии [4]. Излучение САР также можно изучить по учебнику [1].

Вариант 8

Рассчитать и разработать конструкцию плоской антенны поверхностных волн (АПВ) для исходных данных в таблице 8.

Требуется выбрать конструкцию возбудителя и направителя поверхностной волны. Вход антенны – стандартный дроссельный фланец.

 

Таблица 8

Параметр	Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
l, см										4.5
, %
КНД, раз
2 q0.5, град

 

Методические указания

 

Теория излучения АПВ и расчетные формулы приведены в источниках [1; 2; 6].

Длина направителя L определяет КНД и ширину диаграммы направленности антенны:

; . (8.1)

При выборе коэффициента замедления g и размеров антенны должно выполняться условие оптимальности:

. (8.2)

Эффективность возбуждения поверхностной волны Э можно рассчитать по формуле

(8.3)

где h – высота раскрыва возбудителя,

, . (8.4)

Обычно бывает достаточно Э =(60¸80) %.

Ширину направителя а можно определить по формуле

. (8.5)

Вариант 9

Рассчитать Н-плоскостную рупорную антенну с корректирующей линзой в раскрыве по исходным данным, приведенным в таблице 9.

Вход антенны – стандартный дроссельный фланец, либо коаксиальный разъем 50 Ом. Оценить излучающие свойства антенны на краях частотного диапазона.

Таблица 9

Параметр	Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
f, ГГц										11,2
, %
2 j, град

 

Методические указания

 

Теория рупорных антенн изложена в учебниках [1; 2; 6; 8] и во многих других. Типы корректирующих линз в раскрыве и формулы для расчета даны в литературе [7]. В Н-плоскостном рупоре целесообразно использовать металлопластинчатую (воздушную) корректирующую линзу.

 

Вариант 10

Рассчитать рупорную антенну с осесимметричной ДН и круговой поляризацией поля излучения. Исходные данные для расчета даны в таблице 10.

 

Таблица 10

Параметр	Предпоследняя цифра номера зачетной книжки
l, см		3.5			2.5		2.8
КНД, раз
, %

 

Вход антенны – стандартный дроссельный фланец или коаксиальный разъем 50 Ом (при l>5 см). Оценить излучающие свойства антенны на краях частотного диапазона.

 

Методические указания

 

Теория и расчетные формулы для рупорных антенн даны в учебниках [1; 2; 6; 8]. Методы получения поля вращающейся поляризации подробно изложены в источнике [7].

 

Вместо тем, предлагаемых в вариантах 1¸10, студент может разрабатывать (по согласованию с преподавателем) одну из ниже перечисленных:

1. Синфазная двумерная антенная решетка из диэлектрических антенн.

2. Антенна-линза Люнеберга.

3. Коротковолновая синфазная антенная решетка из горизонтальных вибраторов.

4. Логопериодическая вибраторная антенна.

5. Антенна типа «волновой канал».

6. Волноводно-щелевая антенная решетка с наклонными щелями в узкой стенке волновода.

7. Офсетная параболическая антенна.

8. Плоская спиральная антенна.

9. Передающая антенна для радиостанции «Студенческая волна».

10. Антенна для радиосвязи под землей (для шахт).

Разработка темы (подбор технической литературы, выбор методики расчета и т.д.) производится студентом самостоятельно.

Приложение 1