Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Цель и задачи исследования
- 2. Актуальность темы
- 3. Предполагаемая научная новизна
- 4. Антенны с управляемой диаграммой направленности
- 5. Антенные решетки
- 6. Спиральные антенны
- 6.1 Цилиндрические спиральные антенны
- 6.2 Конические спиральные антенны
- 7. Круговая поляризация
- Заключение
- Список источников
Введение
Техника антенно-фидерных устройств – одна из наиболее быстро развивающихся областей радиотехники. В определенной мере она определяет развитие радиолокации, радиоастрономии, техники связи и многих других направлений науки. В результате высокой насыщенности окружающего пространства сигнала различной частоты возникает необходимость создания адаптивных антенных систем.
Исходя из вышеуказанного, можно сформулировать требования к современным антенным системам:
- низкий уровень боковых лепестков;
- широкополосность;
- максимальный коэффициент использования поверхности;
- минимизация массогабаритных параметров;
- высокая скорость управления диаграммой направленности.
Обеспечение широкополосности возможно при использовании спиральных антенн – диапазонных антенн бегущей волны, основой которых является проводник в форме спирали.
Отличительной особенностью спиральных антенн является то, что их диаграмма направленности близка к круговой. Это дает возможность применять их в спутниковых системах передачи данных. Еще одна отличительная черта данного типа антенн – высокое входное сопротивление. В ряде случаев это позволяет без каких-либо дополнительных согласующих элементов привести его к сопротивлению обычного коаксиального кабеля, равного 50 Ом.
Осевое излучение таких антенн формируется только отдельной активной областью. Данная область ограничена витками, длина которых близка к длине волны.
На современном этапе развития антенной техники спиральные антенны можно разделить на пространственные (винтообразные) и плоские (в интегральном исполнении). В свою очередь к пространственным антеннам относятся цилиндрические и конические антенны. Плоские антенны могут быть выполнены в виде спирали Архимеда или в виде логарифмической спирали.
1. Цели и задачи исследования
Целью исследование является возможность построения антенной системы с диаграммой направленности, управляемой путем изменения параметров антенн. Исследование проводится для пространственных спиральных антенн.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) изучить свойства спиральных антенн;
2) рассчитать параметры антенной системы;
3) используя данные расчетов провести компьютерное моделирование;
4) проанализировать полученные результаты.
2. Актуальность темы
На современном этапе проектирование антенных систем сталкивается с проблемой уменьшения геометрических размеров антенн. Возможность немеханического управления диаграммой направленности позволит не только сократить геометрические размеры системы, но и существенно уменьшить количество используемых антенн.
3. Предполагаемая научная новизна
В данном исследовании будет изучена возможность реализации принципиально нового способа управления диаграммой направленности системы спиральных антенн.
4. Антенны с управляемой диаграммой направленности
При разработке антенной системы с управляемой диаграммой направленности возникает необходимость решения двух основных классов задач: компоновка антенной системы и разработка средств обработки сигналов. Первый класс задач включает в себя вопросы формирования диаграммы направленности составляющих частей проектируемой системы, исследования закономерностей перемещения максимума излучения, расчета погрешностей и многое другое. Второй класс задач формируют вопросы обработки передаваемых и принимаемых сигналов отдельными элементами разрабатываемой радиотехнической системы.
Только комплексный подход к решению вышеуказанных задач позволяет максимально приблизить параметры проектируемых антенн к высоким требованиям, предъявляемым к современному оборудованию.
С развитием технологий непрерывно возрастают требования, в частности, к антенным системам, которые должны осуществлять решение целого комплекса разноплановых задач. К таким задачам можно отнести быстрое изменение направления максимума приема и излучения электромагнитных волн.
Перемещение луча антенны в пространстве может осуществляться несколькими способами: механическим, электромеханическим и электрическим. [1, 394] Рассмотрим каждый из них подробнее.
Механическое сканирование окружающего пространства осуществляется за счет поворота всей конструкции антенной системы. В большинстве случаев из-за больших геометрических размеров антенн этот способ характеризуется низкой скоростью сканирования, а также большими энергетическими затратами. Вышеуказанные недостатки не позволяют широко использовать механическое перемещение луча диаграммы направленности в современных системах.
Частично недостатки механического сканирования устранены в электромеханических методах сканирования. Электромеханическое сканирование осуществляется за счет перемещения при помощи электродвигателей (электромагнитов) одного или нескольких элементов антенной системы. В результате чего происходит наклон эквифазной поверхности поля в неподвижном раскрыве. В качестве примера можно привести управление лучом зеркальной антенны при боковом смещении облучателя. [1, 394] За счет того, что перемещаемый при данном способе сканирования элемент имеет меньшую массу, чем при механическом сканировании, возрастает быстродействие всей системы. Но, тем не менее, скорость сканирования остается достаточно низкой, что не позволяет удовлетворить требования современных систем. К существенным минусам электромеханического управления лучом диаграммы направленности также можно отнести отсутствие возможности наблюдения за перемещением в пространстве нескольких объектов, движущихся с большой скоростью.
Следующий вид сканирования окружающего пространства – электрическое. При данном типе сканирования амплитудно-фазовое распределение возбуждения в неподвижном раскрыве изменяется электронно-управляемым устройством, в качестве которого могут выступать полупроводниковые элементы, коммутаторы, ферритовые фазовращатели.
Рисунок 1 – Принцип работы системы с электрическим сканированием
(анимация: 9 кадров, 7 циклов повторения, 91 килобайт)
Скорость сканирования при использовании электрических методов управления существенно выше, чем при механических или электромеханических, и ограничивается только инерционностью электрических цепей.
Одна из первых антенн с немеханическим управлением диаграммой направленности была построена в 1937 г. Эта антенна представляла собой систему ромбических антенн, расположенных по прямой линии на участке около 1,5 км. Управление максимумом диаграммы направленности осуществлялось путем изменения фазовых соотношений между токами в отдельных ромбах. В дальнейшем антенные системы с немеханическим управлением лучом диаграммы направленности приобрели широкое распространение. Одна из первых антенн с электрическим сканированием была создана в 1955 году коллективом специалистов Ленинградского электромеханического института. Позже, в 1960 году, профессором Л.Н. Дерюгиным была разработана антенна с коммутационным управлением лучом диаграммы направленности.
На сегодняшний день антенные системы с электрическим сканированием можно разделить на три больших класса:
- антенны с фазовым сканированием (при данном способе управления регулируются сдвиги фаз на входах отдельных излучателей, при этом амплитудное распределение остается приблизительно постоянным);
- антенны с амплитудным сканированием (управление осуществляется переключением входов многолучевой антенной системы [1, 395]);
- антенны с частотным сканированием (фазовые сдвиги регулируются изменением частоты колебаний).
Существенным недостатком всех перечисленных типов антенных систем можно считать то, что при достаточно высоких скоростях управляющего воздействия мгновенная диаграмма направленности начинает сильно искажаться и антенна теряет свои направленные свойства. Это обусловлено переходными процессами в отдельных элементах системы. Избавиться от вышеуказанного дефекта можно путем подбора оптимальной скорости сканирования.
5. Антенные решетки
Характеристики антенн во многих случаях определяют возможности и параметры сложных радиосистем. Они применяются в таких областях радиоэлектроники как радиолокация, радионавигация, радиоразведка, радиопротиводействие.
Традиционные подходы к проектированию радиосистем более не являются актуальными, так как направлены на создание устройств, позволяющих осуществить только прием и передачу электромагнитных волн. В современных условиях развития техники антенно-фидерные устройства должны выполнять широкий круг задач, направленных на корректную обработку передаваемых и принимаемых сигналов. Во многом такие жесткие требования вызваны необходимость уменьшения габаритных характеристик проектируемых комплексов.
Антенные решетки – сложные радиотехнические системы, применение которых позволяет разрабатывать антенные системы с требуемыми массогабаритными и функциональными характеристиками.
Дополнительные возможности по энергетическому потенциалу, гибкости управления параметрами системы, повышению надежности и значительному расширению круга решаемых задач появляются при использовании активных фазированных антенных решеток. По своей сути активная фазированная антенная решетка является радиотехническим комплексом, в котором радиопередающее и радиоприемное устройство входят в состав антенной решетки в качестве распределенных структур. Основными узлами таких структур являются приемопередающие активные модули. [5, 11]
Основные требования к активным фазированным решеткам в системах передачи данных:
- максимизация коэффициента эллиптичности поля;
- минимизация изменения коэффициента эллиптичности электромагнитного поля в области сканирования;
- минимизация потерь;
- устойчивость режима работы;
- снижение зависимости работы антенной решетки от изменений нагрузки, вызванных взаимодействием излучателей.
6. Спиральные антенны
Обеспечение широкополосности возможно при использовании спиральных антенн – диапазонных антенн бегущей волны, основой которых является проводник в форме спирали.
Отличительной особенностью спиральных антенн является то, что их диаграмма направленности близка к круговой. Это дает возможность применять их в спутниковых системах передачи данных. Еще одна отличительная черта данного типа антенн – высокое входное сопротивление. В ряде случаев это позволяет без каких-либо дополнительных согласующих элементов привести его к сопротивлению обычного коаксиального кабеля, равного 50 Ом.
Осевое излучение таких антенн формируется только отдельной активной областью. Данная область ограничена витками, длина которых близка к длине волны.
На современном этапе развития антенной техники спиральные антенны можно разделить на пространственные (винтообразные) и плоские (в интегральном исполнении). В свою очередь к пространственным антеннам относятся цилиндрические (рис. 2а) и конические (рис. 2б) антенны. Плоские антенны могут быть выполнены в виде спирали Архимеда (рис. 3а) или в виде логарифмической спирали (рис. 3б).
Рисунок 2 – Пространственные спиральные антенны
Рисунок 3 – Плоские спиральные антенны
Спиральные антенны применяются в дециметровом и сантиметровом диапазоне длин волн. Они используются в качестве элементов антенных решеток и облучателей зеркальных антенн. В радиолокации вследствие того, что спиральные антенны обладают круговой поляризацией, они применяются для получения более контрастного изображения цели на фоне существующих в окружающем пространстве помех.[9,75]
6.1. Цилиндрические спиральные антенны
Однозаходная цилиндрическая спиральная антенна представляет собой проволочную спираль с постоянным шагом намотки, выполненную на цилиндрической поверхности. Один конец данной спирали подсоединяется к внутреннему проводнику коаксиальной линии, а другой конец остается свободным. Внешний проводник коаксиальной линии присоединяется к металлическому экрану, который необходим для получения однонаправленного излучения.
Цилиндрические спиральные антенны определяются следующими геометрическими параметрами: l – осевая длина спирали; A = D/2 – радиус спирали; s – расстояние между витками (шаг спирали); N – число витков; L – длина одного витка; a – угол подъёма спирали.
Предельными случаями спиральной антенны являются кольцевая антенна (рамка), в которую спираль обращается при a>0, и линейный провод (штыревая антенна) при a>90°.
Направленные свойства спиральной антенны в первую очередь зависят от её поперечных размеров. Различают несколько режимов работы спиральной антенны:
1. Режим ненаправленного излучения
При малом по сравнению с длиной волны диаметре витков, каждый отдельный виток спирали можно считать элементарной плоской рамкой. В таком случае спираль является совокупностью элементарных рамок, оси которых совпадают с осью антенны. Данная антенна не излучает вдоль своей оси. Максимальная эффективность излучения наблюдается в плоскости витка, то есть в направлении, перпендикулярном оси антенны.
2. Режим осевого излучения
При диаметре витка, находящемся в диапазоне от 0,25 до 0,45 длины волны максимум излучения формируется в направлении оси антенны. При этом излучение является однонаправленным.
3. Режим конического излучения
Данный режим наблюдается при дальнейшем увеличении диаметра витков спирали. В этом случае появляются два направления максимума излучения, которые составляют острые углы с осью антенны. Пространственная диаграмма направленности принимает вид конуса.
6.2. Конические спиральные антенны
Применение конических спиральных антенн позволяет увеличить рабочий диапазон частот по сравнению с применением цилиндрических. Конические спиральные антенны рассматриваются как цилиндрические с плавно изменяющимся диаметром.
Для данного типа антенн характерно то, что диаграмма направленности в основном формируется группой из трех витков, которая называются активной областью. [9, 75] Для данной группы витков выполняется условие осевого излучения. При изменении частоты активная зона перемещается вдоль оси спирали, то есть условие осевого излучения выполняется уже для другой группы витков.
При сравнении конических спиральных антенн с цилиндрическими можно отметить, что основных их достоинством является большая широкополосность. При этом они обладают меньшим коэффициентом направленного действия в результате того, что в формировании диаграммы направленности участвует не вся спираль, а только отдельная ее часть.
7. Круговая поляризация
Под поляризацией электромагнитных волн понимают физическую характеристику излучения, описывающую анизотропию волн, то есть неэквивалентность различных направлений распространения волны в пространстве. В общем случае при излучении электромагнитной волны направление вектора напряженности электрического поля случайно и непредсказуемо в каждый момент времени, что указывает на неполяризованность волны. О поляризации можно говорить в том случае, когда изменение во времени пространственной ориентации вектора напряженности электрического поля подчиняется строго определенному закону.
Рисунок 4 – Волна с линейной поляризацией
При рассмотрении суперпозиции двух монохроматических волн одинаковой частоты, распространяющихся в одном направлении можно заметить, что в том случае, когда вектора напряженности электрического поля этих волн совершают колебания во взаимно перпендикулярных направлениях, кривая, описываемая концом проекции вектора результирующей волны, имеет вид эллипса. В данном случае следует говорить об эллиптической поляризации. При эллиптической поляризации различают волны с правым или левым направлением вращения вектора напряженности электрического поля. Частным случаем эллиптической поляризации является круговая поляризация электромагнитной волны.
Рисунок 5 – Волна с круговой поляризацией
Круговая поляризация применяется в тех случаях, когда для приема сигнала положение плоскостей поляризации приемной и передающей антенн не имеет значения. Например, в системах спутниковой связи или в радиолокации.
Заключение
На сегодняшний день спиральные антенны используются в различных радиотехнических устройствах. В частности, широкое распространение получили плоские спиральные антенны (спираль Архимеда, логарифмическая спираль). Это обусловлено возможности значительного сокращения геометрических размеров антенных систем в результате использования интегральных структур.
Список источников
- Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов – М.: Высш. шк., 1988. – 432 с.
- Вендик О.Г. Антенны с немеханическим движением луча (введение в теорию) – М.: Сов. радио, 1965. – 360 с.
- Вендик О.Г. Антенны с электрическим сканированием / Вендик О.Г., Парнес М.Д.; под. ред. Л.Д. Бахраха [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://bookre.org....
- Проблемы антенной техники / под. ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского – М.: Радио и связь, 1989. – 368 с.
- Гостюхин В.Л. Активные фазированные антенные решетки / Гостюхин В.Л., Трусов В.Н., Гостюхин А.В. – М.: Радиотехника, 2011. – 304 с.
- Бекетов В.И. Антенны сверхвысоких частот. – М.: Воен. издат., 1957. – 119с.
- Хмель В.Ф. Антенны и устройства СВЧ. / Хмель В.Ф., Чаплин А.Ф., Шумлянский И.И. – Киев: Вища школа, 1990. – 232с.
- Чернышев В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещания. – М.: Связь, 1978. – 288с.
- Гошин Г.Г. Устройства СВЧ и антенны: Учебное пособие. – Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2003. – 130 с.
- Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. / Под. ред. Д.И. Воскресенского – М.: Сов. радио, 1972. – 320 с.
- Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток) / Д.И. Воскресенский, Р.А. Грановская, Н.С. Давыдова; под. ред. Д.И. Воскресенского – М.: Радио и связь, 1981. – 432 с.
- Юрцев О.А. Спиральные антенны. / Юрцев О.А., Рунов А.В., Казарин А.Н. – М.: Сов. радио, 1974. – 224 с.
- Табаков Д.И. Применение теории сингулярных интегральных уравнений к электродинамическому анализу кольцевых и спиральных структур: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук: спец. 01.04.03
Радиофизика
/ Д.И. Табаков – Самара, 2009 – 20 с. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.psuti.ru.... - Неганов В.А. Теория и применнение устройств СВЧ: Учебн. пособие для вузов / Неганов В.А., Яровой Г.П.; под. ред. В.А. Неганова. – М.: Радио и связь, 2006. – 720 с.
- Неганов В.А. Физическая регуляризация некорректных задач электродинамики – М.: Сайнс-пресс, 2008. – 450 с.
- Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн / Никольский В.В., Никольская Т.И. – М.: Наука, 1989. – 544 с.
- Айзенберг Г.3. Антенны УКВ / Айзенберг Г.3., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. – М.: Связь, 1977. – 384 с.
- Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны – М.: Сов.радио, 1957. — 581 с.
- Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ. Часть 1. Компьютерное моделирование. MMANA. – М.: ИП РадиоСофт, 2004. – 128 с.
- Марков Г.Т. Возбуждение электромагнитных волн / Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. – М.: Энергия, 1967. – 376 с.
- Пименов Ю.В. Техническая электродинамика / Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцов А.Д.; под. ред Ю.В. Пименова. – М.: Радио и связь, 2000. – 536 с.
- Masoumeh Karimi Advances in Satellite Communications / Masoumeh Karimi, Yuri Labrador. – InTech, 2011. – 194 p. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.intechopen.com....