Сравнительный анализ антенных устройств

Содержание пояснительной записки

 

Исходные данные для расчета

Сравнительный анализ антенных устройств

1) Вибраторные антенны

2) Щелевые антенны

3) Волноводно-рупорные антенны

4) Антенны поверхностных волн

5) Спиральные и логопериодические антенны

6) Линзовые антенны

7) Зеркальные антенны

А) Однозеркальные антенны

Б) Двухзеркальные антенны

Выбор типа антенны

Выбор конструкции антенны

Расчет конструкции антенны

1) Расчет волновода

2) Расчет элемента антенной решетки

Расчет параметров и характеристик антенны

Выбор схемы и конструкция устройства питания антенны

Выводы

Использованная литература

Исходные данные для расчета

 

Орбита спутникового ретранслятора (СР) – геостационарная (ее высота над экватором Земли 35875 км)

Эквивалентная изотропно излучаемая мощность – 44,7 кВт

Средняя частота излучения СР – 16,4 ГГц

Ширина спектра излучения СР – 18 МГц

Поляризация излучения СР – линейная

Угол места СР – 21°

Мощность сигнала на выходе антенны – 0,3 пВт

Сравнительный анализ антенных устройств

1) Вибраторные антенны (наиболее просты в изготовлении, вследствие чего наиболее распространены, особенно на частотах метрового и дециметрового диапазонов. Вследствие низкого КНД используются в основном как приемные. Легко может быть реализована как линейная, так и круговая поляризация (турникетные антенны). При использовании специальной конструкции могут быть достаточно широкополосные (диполь Надеенко) – полоса до 50%. Входные сопротивления могут изменятся в большом диапазоне значений в зависимости от конструкции):

а) Полуволновой вибратор:

Форма ДН – тороидальная

Ширина ДН –

Достижимый КНД – 1,64

Диапазон волн – МВ, ДМВ, СМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,3…1,5

Поляризация – линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации

б) Петлевой вибратор Пистолькорса:

Форма ДН – тороидальная

Ширина ДН –

Достижимый КНД – 1,64

Диапазон волн – МВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – 2…2,5

Поляризация – линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации

в) Волновой вибратор:

Форма ДН – тороидальная

Ширина ДН –

Достижимый КНД – 2,5

Диапазон волн – МВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,35

Поляризация – линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации

г)  Вибратор с линейным пассивным рефлектором:

Форма ДН – приблизительно кардиоида вращения

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – не менее -15 дБ

Достижимый КНД – 4…6

Диапазон волн – МВ, ДМВ, СМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,35

Поляризация – линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации

д) Вибратор с плоским рефлектором:

Форма ДН – приблизительно кардиоида вращения

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – не менее -16,5…-9 дБ

Достижимый КНД – до 7

Диапазон волн – МВ, ДМВ, СМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,3…1,5

Поляризация – линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации

е)  Директорная антенна:

Форма ДН – игольчатая, без учета влияния Земли

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -15…-10,5 дБ

Достижимый КНД – 40

Диапазон волн – МВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,1…1,35

Поляризация – линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации

ж) Многовибраторная синфазная антенна с пассивным рефлектором:

Форма ДН – игольчатая или веерная

Ширина ДН – до

Уровень боковых (задних) лепестков – -15…-9 дБ

Достижимый КНД – ограничивается лишь конструктивными особенностями

Диапазон волн – МВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,15…1,35

Поляризация – линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации

2) Щелевые антенны (ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата; распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателя с волноводом; имеет сравнительно простое возбуждающее устройство; проста в эксплуатации; имеет ограниченный диапазон свойств):

а) Одиночная односторонняя щель в плоском экране бесконечных размеров:

Форма ДН – широкий однонаправленный лепесток

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – четко выраженных боковых лепестков нет

Достижимый КНД – 3…3,5

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,1

Поляризация – линейная

б) Кольцевая щель:

Форма ДН – воронкообразная

Ширина ДН – ненаправленная в плоскости щели

Уровень боковых (задних) лепестков – четко выраженных боковых лепестков нет

Достижимый КНД – несколько единиц

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,5

Поляризация – линейная

в) V -образная щель

Форма ДН – воронкообразная

Ширина ДН – ненаправленная в плоскости щели

Уровень боковых (задних) лепестков – четко выраженных боковых лепестков нет

Достижимый КНД – несколько единиц

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,4

Поляризация – линейная

г)  Крестообразная щель:

Форма ДН – широкий однонаправленный осесимметричный лепесток

Ширина ДН – по θ-му компоненту и  по j-му

Уровень боковых (задних) лепестков – четко выраженных боковых лепестков нет

Достижимый КНД – 3,5…4

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,1

Поляризация – эллиптическая

д) Двухщелевой облучатель:

Форма ДН – широкий однонаправленный осесимметричный лепесток

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – четко выраженных боковых лепестков нет

Достижимый КНД – 7…8

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,1

Поляризация – линейная

е)  Одиночная многощелевая антенна:

Форма ДН – веерная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – более -25 дБ

Достижимый КНД – 400

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,1

Поляризация – линейная или эллиптическая

ж) Плоская решетка:

Форма ДН – игольчатая

Ширина ДН – до

Уровень боковых (задних) лепестков – более -25 дБ

Достижимый КНД – 3500…4500

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,1

Поляризация – линейная или эллиптическая

3) Волноводно-рупорные антенны (наиболее простые антенны, являющиеся частью питающего волновода. Имеют высокий КПД порядка 100%, являются широкополосными устройствами, однако для достижения высокого КНД необходимо увеличивать ширину раскрыва рупора. При этом ухудшается его согласование с волноводом, так что нужно увеличивать длину рупора пропорционально квадрату увеличения его поперечных размеров. Для обеспечения круговой поляризации необходимо вводить дополнительные элементы в раствор рупора, либо применять пару рупоров с взаимным смещением фаз 90⁰):

а) Открытый конец волновода:

Форма ДН – однонаправленный широкий лепесток

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – четко выраженных боковых лепестков нет

Достижимый КНД – 2…5

Диапазон волн – СМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – 2,6…2,9

Поляризация – линейная (нетрудно получить круговую)

б) Секториальные плоскостные оптимальные рупоры:

Форма ДН – веерная

Ширина ДН – в плоскости расширения

Уровень боковых (задних) лепестков – -14…-9 дБ (уровень бокового излучения взят для направления, соответствующего первому боковому лепестку)

Достижимый КНД – 6…50

Диапазон волн – СМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – 2,6…2,9

Поляризация – линейная

в) Коробчатый рупор:

Форма ДН – веерная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –

Достижимый КНД – 2…40

Диапазон волн – СМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – 2,6…2,9

Поляризация – линейная

г)  Пирамидальный и конический оптимальные рупоры:

Форма ДН – однонаправленный узкий лепесток

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –  (уровень бокового излучения взят для направления, соответствующего первому боковому лепестку)

Достижимый КНД – 10…400

Диапазон волн – СМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – 2,6…2,9

Поляризация – линейная (нетрудно получить круговую)

4) Антенны поверхностных волн (обладают малыми поперечными размерами, хорошими диапазонными свойствами по диаграмме направленности и входному сопротивлению. Технология их изготовления достаточно проста. Однако у данного типа антенн уровень боковых лепестков по сравнению с другими типами антенн большой, КПД – низкий (за счет поглощения в диэлектрике или переотражения от металлических рёбер)):

а) Стержневые диэлектрические антенны:

Форма ДН – осесимметричная коническая

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры

Достижимый КНД – 20…120

Диапазон волн – (0,5…30) см

Коэффициент перекрытия диапазона – до 2

Поляризация – линейная или эллиптическая

б) Стержневые ребристые антенны:

Форма ДН – осесимметричная коническая

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры

Достижимый КНД – 20…120

Диапазон волн – (3…300) см

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,3…1,5

Поляризация – линейная или эллиптическая

в) Стержневые модулированные антенны:

Форма ДН – коническая

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры

Достижимый КНД – 20…30

Диапазон волн – (3…30) см

Коэффициент перекрытия диапазона – до 1,5

Поляризация – линейная вертикальная

г)  Плоские диэлектрические антенны:

Форма ДН – осесимметричная веерная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры

Достижимый КНД – до 150

Диапазон волн – (0,5…30) см

Коэффициент перекрытия диапазона – до 2

Поляризация – линейная или эллиптическая

д) Плоские ребристые антенны:

Форма ДН – осесимметричная веерная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры

Достижимый КНД – до 150

Диапазон волн – (3…30) см

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,3…1,5

Поляризация – линейная вертикальная

е)  Плоские модулированные антенны:

Форма ДН – осесимметричная веерная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры

Достижимый КНД – до 300

Диапазон волн – (3…30) см

Коэффициент перекрытия диапазона – до 1,5

Поляризация – линейная вертикальная

ж) Дисковые диэлектрические антенны:

Форма ДН – коническая

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры

Достижимый КНД – 25…30

Диапазон волн – (0,5…30) см

Коэффициент перекрытия диапазона – до 2

Поляризация – линейная или эллиптическая

з)  Дисковые ребристые антенны:

Форма ДН – коническая

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры

Достижимый КНД – 20…30

Диапазон волн – (3…30) см

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,3…1,5

Поляризация – линейная вертикальная

5) Спиральные и логопериодические антенны (основное преимущество – легкость обеспечения поляризации ЭМВ, близкой к круговой без введения дополнительных элементов, простота конструкции. Однако для получения высоконаправленной антенны её длина должна быть недопустимо большой (не выполняется условие механической прочности)):

а) Цилиндрические спиральные антенны:

Форма ДН – с увеличением частоты, ДН сужается

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –  до 30%

Достижимый КНД – 5…25

Коэффициент перекрытия диапазона – 10…20

Поляризация – эллиптическая или управляемая

б) Частотно-независимые эквиугольные спиральные антенны:

Форма ДН – ДН является периодической функцией логарифма рабочей частоты

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –  до 20%

Достижимый КНД – 2…10

Коэффициент перекрытия диапазона – 10…20

Поляризация – эллиптическая или управляемая

в) Частотно-независимые логопериодические антенны:

Форма ДН – ДН является периодической функцией логарифма рабочей частоты

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –  до 10%

Достижимый КНД – 4…15

Коэффициент перекрытия диапазона – 10…20

Поляризация – линейная (может быть получена эллиптическая и управляемая с помощью двух крестообразно расположенных логопериодических антенн)

г)  Квазичастотно-независимые плоские архимедовы спиральные антенны:

Форма ДН – зависит от закона изменения угла намотки по длине антенны

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – почти отсутствует

Достижимый КНД – 3…6

Коэффициент перекрытия диапазона – до 5

Поляризация – эллиптическая или управляемая

д) Квазичастотно-независимые спиральные антенны на телах вращения:

Форма ДН – зависит от закона изменения угла намотки по длине антенны

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –  до 30%

Достижимый КНД – 2…15

Коэффициент перекрытия диапазона – 2,5…5

Поляризация – эллиптическая или управляемая

6) Линзовые антенны (обеспечивают высокую направленность излучения/приема, однако по сравнению с зеркальными менее требовательны к точности изготовления поверхности, имеют 3 степени свободы (2 поверхности преломления и закон распределения коэффициента преломления) для придания антенне дополнительных свойств (широкоугольное качание диаграммы направленности, требуемое распределения амплитуды и фазы поля по раскрыву). Также отсутствует затенение раскрыва облучателем. Существенными недостатками являются большая масса, узкополосность и потери в веществе линзы):

а) Замедляющие линзы – сплошной диэлектрик:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -20 дБ

Достижимый КНД – 100…1000

Диапазон волн – (0,1…10) см

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,8

Поляризация – линейная и круговая

б) Замедляющие линзы – искусственный диэлектрик:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -20 дБ

Достижимый КНД – 1000…10000

Диапазон волн – (3…20) см

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,8

Поляризация – линейная и круговая

в) Ускоряющие линзы:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -20 дБ

Достижимый КНД – 100…1000

Диапазон волн – (1…10) см

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,8

Поляризация – линейная

г)  Геодезические линзы:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -20 дБ

Достижимый КНД – 1000…10000

Диапазон волн – (1…10) см

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,8

Поляризация – линейная

д) Линзы с переменным коэффициентом преломления:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков – -20 дБ

Достижимый КНД – 100…10000

Диапазон волн – (1…10) см

Коэффициент перекрытия диапазона – 1,8

Поляризация – линейная и круговая

7) Зеркальные антенны (легко обеспечивают высокую направленность, широкополосны, имеют сравнительно простую конструкцию. При высоких частотах требования к точности изготовления очень жесткие (отклонения порядка ). Круговая поляризация обеспечивается конструкцией облучателя или введением дополнительных элементов, что усложнит и утяжелит конструкцию.):

А) Однозеркальные антенны :

а) Парабола – параболоид вращения осесимметрический:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –

Достижимый КНД – до 1000000

Диапазон волн – ММВ, СМВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – до 7,8

Поляризация – определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)

б) Парабола – параболоид вращения усеченный:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –

Достижимый КНД – до 1000000

Диапазон волн – ММВ, СМВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – до 7,8

Поляризация – определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)

в) Парабола – круглая или квадратная внеосевая несимметричная вырезка из параболоида вращения:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –

Достижимый КНД – до 1000000

Диапазон волн – ММВ, СМВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – до 7,8

Поляризация – определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)

г)  Парабола – параболический симметричный цилиндр:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –  (в плоскости профиля)

Уровень боковых (задних) лепестков –  (в плоскости профиля)

Достижимый КНД – до 1000000

Диапазон волн – ММВ, СМВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – до 7,8

Поляризация – определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)

д) Профиль – окружность, зеркало – сферическое:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –

Достижимый КНД – до 1000000

Диапазон волн – ММВ, СМВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – до 7,8

Поляризация – определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)

е)  Профиль – окружность, зеркало – круглоцилиндрическое:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –  (в плоскости профиля)

Уровень боковых (задних) лепестков –  (в плоскости профиля)

Достижимый КНД – до 1000000

Диапазон волн – ММВ, СМВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – до 7,8

Поляризация – определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)

Б) Двухзеркальные антенны :

а) Большое зеркало – параболоид, малое зеркало – гиперболоид:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –

Достижимый КНД – до 100000000

Диапазон волн – ММВ, СМВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – до 7,8

Поляризация – определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)

б) Двухзеркальная апланатическая система:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –

Достижимый КНД – до 100000000

Диапазон волн – ММВ, СМВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – до 7,8

Поляризация – определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)

в) Большое зеркало – сферическое, малое зеркало – специального профиля:

Форма ДН – различная

Ширина ДН –

Уровень боковых (задних) лепестков –

Достижимый КНД – до 100000000

Диапазон волн – ММВ, СМВ, ДМВ

Коэффициент перекрытия диапазона – до 7,8

Поляризация – определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)

Выбор типа антенны

Нужно спроектировать антенну для системы спутникового непосредственного телевизионного вещания. Вследствие этого к ней должны предъявляться такие требования:

· Надежность

· Устойчивость к агрессивному влиянию внешней среды

· Дешевизна

· Простота эксплуатации

· Возможно меньшие габариты и масса

Перечисленному списку хорошо удовлетворяет волноводно-щелевая антенна.

Т.к. эта антенна состоит из металлических волноводов, то чтобы ее повредить требуется большое усилие. В свою очередь ее конструкция проста, что означает маловероятную поломку. Отсюда следует вывод о большой надежности антенны.

При покрытии волноводов антикоррозийными материалами или их изготовлении из коррозостойких металлов предотвращает разрушение антенны из-за атмосферных осадков. Ветер, падение деревьев и т.п. должны иметь большую разрушительную силу, чтобы повредить антенну. Т.е второй пункт также выполняется.

Простота конструкции и деталей, дешевизна материалов, простота изготовления – все это приводит к небольшой стоимости антенны по сравнению, например, с зеркальными.

Обслуживание антенны не требует значительных усилий.

Т.к. антенна, в основном, состоит из металлических частей, то она имеет довольно большую массу при сравнительно небольших габаритах.

Как видим, выбранный тип антенны удовлетворяет большинству требований, предъявленных выше.

В свою очередь она реализовывает оптимальную ДН, что приводит к хорошим усилительным свойствам антенны.

По условию проектируемая антенна узкополосная – это исключает такой недостаток волноводно-щелевой антенны как отклонение луча в пространстве от заданного направления при изменении частоты.

Исходя из приведенных доводов, волноводно-щелевую антенну можно применять для систем спутникового телевидения и использовать при предложенных исходных данных.