Устройства СВЧ и антенны

Казанский государственный  технический университет им. А. Н. Туполева

 

 

 

Кафедра радиоэлектронных и телекоммуникационных систем

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект по дисциплине:

 

«УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ»

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. 5301

Медведев А. В.

 

Принял:

Шакиров А. С.

 

 

 

Казань 2008

Введение

В современных антенных системах, в СВЧ измерительной технике  и в ряде других случаев часто  применяются микрополосковые делители мощности. Делителями мощности называют многополюсные устройства,  предназначенные  для распределения мощности, поданной на вход между другими входами в заданное соотношение.

 

Анализ задания и обоснование  выбранного варианта

 

Исходные данные:

 

1) Частота     2450МГц

2) Число излучателей   6

3) Уровень боковых лепестков  -13Дб

4) Фазовое распределение   синфазное

5) Конструктивное исполнение  моноблок

6) Входное\выходное сопротивление 75Ом

 

Так как нам задано разработать диаграммобразающую схему на 4 излучателя, то справедливо будет предположить, что эти излучатели представляют из себя антенную решетку.

Для расчёта амплитудного распределения  в излучателях мы используем заданный нам уровень боковых лепестков, равный -15 дБ. Воспользовавшись таблицей 2.1 ([5] стр. 24) найдём, что для уровня боковых лепестков -13,1 дБ, что обеспечивает более меньший уровень боковых лепестков чем заданное, характерен следующий закон изменения амплитуды поля:

А(х)=1,

где x – координата каждого из излучателей.

Для определения координат каждого из излучателей, определимся с геометрией решётки. Шаг решётки (d) выберем следующим:

Размер решётки, согласно формуле  приведённой ниже формуле, равен:

Подставив в выше приведённые формулы  значение длинны волны λ₀ выраженную из заданной частоты (2450 МГц) по следующей формуле:

Получив, таким образом, численные значения всех нужных нам параметров рассчитаем амплитудное распределение по решётке, оно будет равномерным, т.е. амплитуды на каждом из излучателей равны.

Для получения данного амплитудного распределения нам понадобится  разработать схему делителя мощности, который будет обеспечивать деление  в заданной пропорции.

Делителями мощности называют многополюсные  устройства, предназначенные для  распределения мощности, поданной на вход между другими выходами в заданном соотношении. В условиях без потерь, сумма выходных сигналов равна сумме входных. В данной работе будет рассмотрены взаимные линейные устройства без потерь. Условие взаимности делителя мощности означает, что он может использоваться в режиме сложения сигналов, если сигналы на его входы подать в том же амплитудном и фазовом соотношении, что и на входах в режиме делителя. В общем случае, делитель должен удовлетворять следующим требованиям:

1. деление сигнала в заданном соотношении
2. согласование всех плеч
3. развязка выходных плеч

Делитель можно охарактеризовать идеальной матрицей рассеяния следующёго вида:

В идеальном случае, элементы главной диагонали = 0, т.е. отражения  от входов устройства нет. Этим же принципом будем руководствоваться и мы. Также, руководствуясь условием взаимности, справедливым является следующее утверждение:

Также, для выполнения условия развязки выходных плеч, для  нашего конкретного случая, всякое если ни один из индексов (i и j) не равен 1. Это условие оговаривает то, что мощность с одного выхода (2, 3, 4, 5,6 или 7) не может передаться ни на какой из этих выходов, а только на выход 1.

Расчёт элементов матрицы  рассеяния будем производить, используя следующее приближение:

Мощность на входе:

Соответственно:

Пользуясь этими соотношениями, найдём все элементы матрицы рассеяния.

Теперь можно переходить к выбору типа делителя, который  позволит реализовать данное амплитудное распределение и максимально соответствовать выдвинутым ранее теоретическим требованиям.

 

На основе микрополосковой  линии реализуются три основных типа делителя:

1. Т – образный тройник

2. Делитель типа «гребёнка»

 

 

 

 

3. НО с электромагнитной связью

 

От третьего типа делителя было решено отказаться сразу, так как ответвление  мощности в нём есть, в первом приближении, функция от расстояния между боковыми проводниками и центральным, что вносит сложность в расчет. Также, отсутствие простого, хотя бы и приближённого, метода расчёта данного делителя делает его малопривлекательным. Как не трудно заметить, если один из концов проводников считать входом, то выходов будет нечётное число, что не соответствует техническому заданию (по заданию выходов \ излучателей должно быть 6), что обуславливает использование согласованной нагрузки на одном из концов, что составляет дополнительные трудности.

Для наших исходных данных делитель типа «гребёнка» подходит более всего. Рассмотрим основные пункты по которым производился выбор:

1. Обеспечение числа выходов \ излучателей:

Т – образный тройник и его  комбинации могут делить мощность в  заданном соотношении лишь для числа  выходов отвечающих условию , где n=1,2,3… Что не подходит для нас, т.к. N_вых=6. (В дальнейшем его рассматривать не имеет смысла).

Делитель типа «гребёнка», может  осуществлять деление на любое число  выходов.

2. Обеспечение синфазности:

Делитель типа «гребёнка». Для обеспечения синфазности, также должно выполняться условие прохождения волной одинаковых электрических путей. Как видно из рисунка делителя, L3 всегда будет больше L2 и, следовательно, для обеспечения синфазности необходимо удлинять полосок Z2 для того, чтобы L2 стал равным L3. Это вносит определённую сложность для формирования платы и выводов, но рассчитать это вполне возможно.

3. Обеспечение развязки выходных плеч:

Делитель типа «гребёнка» имеет ненулевые коэффициенты матрицы рассеяния соответствующие передачи между выводами, но эти значения не очень велики и с ними придётся мириться.

Оценивая положительные качества каждого из типов делителя, в приложении к конкретно заданным параметрам, был сделан вывод, что самым правильным и аргументированным выбором будет выбор делителя типа «гребёнка».

Расчет делителя мощности:

Будем считать, что коммутация нашего делителя мощности будет осуществляться коаксиальными кабелями с сопротивлением R=75Ом, следовательно, для согласования, мы выберем Z0=75Ом. Расчёт остальных параметров этой схемы будем производить согласно методике освещённой в книге [3].

Основным параметром данного делителя является (для рисунка 2 «Делитель  типа гребёнка») следующее выражение:

Т.е. волновое сопротивление подводящего полоска равно параллельному соединению волновых сопротивлений отходящих от него полосков. Исходя из этого утверждения рассчитаем все волновые сопротивления нашего делителя, если он имеет вид:

Z0	75
Z1	12,5
Z2	15
Z3	18,75
Z4	25
Z5	37,5
Z6	75
Z7	75
Z8	75
Z9	75
Z10	75
Z11	75
Ztp	30,619

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для каждого из этих значений волновых сопротивлений рассчитаем по формуле  толщины полосков и занесём эти данные в таблицу (все толщины указаны в сантиметрах):

 

Z0	75	W0	0,216974
Z1	12,5	W1	2,427308
Z2	15	W2	1,985241
Z3	18,75	W3	1,543174
Z4	25	W4	1,101107
Z5	37,5	W5	0,65904
Z6	75	W6	0,216974
Z7	75	W7	0,216974
Z8	75	W8	0,216974
Z9	75	W9	0,216974
Z10	75	W10	0,216974
Z11	75	W11	0,216974
Ztp	30,619	Wtp	0,857731

 

Длины полосков выбираются согласно рекомендации синфазности, т.е. электрические  длины путей, проходимых сигналом от входа до каждого из выходов, должны быть равными. Для расчёта путей  использовалась следующие формулы:

Расстояние между соседними  отведениями от центрального полоска  должно быть равным:

Получив все исходные данные мы можем  перейти к выполнению чертежей платы  и других сборочных единиц.

 

Заключение

 

Нам удалось решить задачу деления мощности между излучателями в антенной решётке. Получившееся устройство делит мощность на заданной частоте в заданном соотношении, имеет малые потери. Устройство включается посредством коаксиальных кабелей с сопротивлением 75Ом.

 ОТТД:

Масса:    1,8 кг.

Габаритные размеры:  213х135х35 мм.

 

Устройство выполнено из легкосплавных  материалов и покрыто эмалью, что  позволяет сохранить его от коррозии и попадания посторонних предметов  внутрь корпуса.

 

Список использованной литературы

 

 

 

 

1. Авксентьев А. А., Воробьев Н. Г., Морозов Г. А., Стахова Н. Е. Устройства СВЧ для радиоэлектронных систем: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. Техн. Ун-та, 2004. 96с.
2. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справочник по элементам волноводной техники: Издание 2-е, переработанное и дополненное. Москва: Советское радио, 1967. С.214-230
3. Малорацкий Л. Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. Москва: Советское радио, 1976. С.164-170
4. Справочник по расчёту и конструированию СВЧ полосковых устройств. Под. ред. Вольмана В. И. Москва: Радио и связь, 1982. С.188-189
5. Антенны и устройства СВЧ:Проектирование фазированных антенных решёток. Под. ред. Воскресенского Д. И. Москва: Радио и связь, 1981, 432 с.