История разработки первых антенн, их роль в системе приема-передачи информации. Основные параметры современных антенных комплексов, коэффициент направленного действия, спектр и диаграммы модуляции сигнала. Расчет КНД и схема направленности антенны.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Курсовая работа

Пространственный спектр (ДН) волноводной антенны, питаемой волной Н10

Введение

Антенна-устройство для излучения и/или приема электромагнитных волн путем прямого преобразования электрического тока в излучение (при передаче) или излучения в электрический ток (при приеме).

Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны. Форма, размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначении антенны. Нашли широкое применение антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников, металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов, волноводов с системой прорезанных щелей, а также многие другие типы.

Целью курсовой работы является обозначение основных параметров антенн, расчет характеристик таких как: коэффициент направленного действия и диаграмма направленности антенны, которые не однократно будут упомянуты в ходе данной работы.

Данная курсовая работа носит больше обзорный характер, чем практический. Основной уклон будет идти в сторону объяснения назначения и роли антенны, а также способах её применения.

1.Антенна в системе приема-передачи информации. Основные параметры современных антенных комплексов

антенна сигнал спектр

Диаграммой направленности (ДН) антенны по полю часто называют зависимость модуля комплексной амплитуды вектора напряженности Е электрической компоненты электромагнитного поля, создаваемой антенной в дальней зоне, от угловых координат и и ц точки наблюдения в горизонтальной и вертикальной плоскости, то есть зависимость E(и,ц).

Чаще ДН обозначается символом ѓ(и,ц). ДН нормируют - все значения E(и,ц) делят на максимальное значение и обозначают нормированную ДН символом F(и,ц).

Диаграмму направленности передающей антенны можно снимать поворачивая её и измеряя напряженность поля в фиксированной точке на частоте передачи. Это измерения дают диаграмму направленности в полярных координатах.

Полярная диаграмма показывает направление, в котором концентрируется энергия антенны.

Если антенна излучает одинаковую мощность во всех направлениях, она называется изотропной или математической моделью, обычно на практике коэффициент усиления (КУ) выражают в децибелах по отношению к эталонному диполю.

Коэффициент усиления (КУ) антенны -- отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны при условии, что обе антенны создают в данном направлении на одинаковом расстоянии равные значения напряженности поля или такой же плотности потока мощности .

Ширина основного лепестка антенны.

Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентрации излучаемой электромагнитной энергии.

Ширина ДН - это угол между двумя направлениями в пределах главного лепестка, в которых амплитуда напряжённости электромагнитного поля составляет уровень 0,707 от максимального значения (или уровень 0,5 от максимального значения по плотности мощности).

2.Волноводные антенны

Классификация волн в волноводах

В основу классификации волн в волноводах положены различия в структурах силовых линий векторов E и H. Эти различия обусловлены характером поляризации плоских волн, отраженных от стенок волновода (парциальных волн) и образующих суммарное поле. Различают три типа волн (полей) в вол-новодах:

· поперечно-магнитные волны, обозначаемые символом ТМ (TransversionMagnetic -поперечно-магнитное);

· поперечно-электрические волны, обозначаемые символом ТЕ, (TransversionElectric - поперечно-электрическое);

· поперечно-электромагнитные волны, обозначаемые символом ТЕМ (TransversionElectro-Magnetic) или волны типа Т;

· смешанные (гибридные) волны.

Рассмотрим подробнее волны типа ТМ, ТЕ и Т.

Волны типа ТМ.Эти волны образуются при сложении плоских волн,от-раженных от стенок, имеющих вертикальную линейную поляризацию. Образо-вание волн типа ТМ иллюстрируется рис.3, где для упрощения рассмотрения показана только одна плоская стенка волновода.

В вертикально поляризованной волне вектор падающей на стенку волны Ei, вектор отраженной от стенки волны ER лежат в плоскости падения (плос-кости XZ) и имеют проекции на оси X и Z: в падающей волне -Eix, Eiz, в отраженной волне - ERX, ERZ.



Рис.3. Образование волны типа Е

Векторы магнитного поля параллельны границе раздела: в падающей волне - Hi, в отраженной волне - HR . Эти векторы перпендикулярны оси вол-новода Z (параллельны оси Y) т.е. имеют составляющие Hiy и H Ry. В волне, равной сумме волн, отраженных от противоположных стенок, векторы поля бу-дут иметь следующие составляющие:

Волна, описываемая выражениями (7), (8), имеющая поперечные по отношению к оси волновода Z составляющие векторов E и H и продольную составляющую вектора E, называется поперечно-магнитной волной (полем типа ТМ). Эта волна называется также волной (полем) типа Е. Таким названием подчеркивается наличие у вектора E продольной и поперечной составляющих. В общем случае при произвольной форме поперечного сечения волновода вектор E в волне типа Е имеет проекцию на ось волновода Z -Ez и поперечную к оси Z составляющую - EЃЫ , а вектор H имеет только поперечную по отношению к оси волновода Z составляющую - HЃЫ. Для такой волны векторы E и H удобно записать в виде:

Е= EЃЫ + Ez,

Волны типа ТЕ. Эти волны образуются при сложении плоских волн, от-раженных от стенок, имеющих горизонтальную линейную поляризацию. Об-разование волн типа ТЕ иллюстрируется рис. 4, где для упрощения рассмотре-ния показана только одна плоская стенка волновода.

Нix	Н i	Н R	НRX
Е i+	Нiz	НRZ	+ ЕR
	? i	?R

Z

Стенка волновода

Рис. 4. Образование волны типа Н

В горизонтально поляризованной волне вектор падающий на стенку вол-ны Hi, вектор отраженной от стенки волны HR лежат в плоскости падения (плоскости XZ) и имеют проекции на оси X и Z: в падающей волне - Hix, Hiz, в отраженной волне - HRX, HRZ. Векторы электрического поля параллельны границе раздела: в падающей волне - Ei, в отраженной волне - ER. Эти векторы перпендикулярны оси волновода Z (параллельны оси Y) т.е имеют состав-ляющие Eiy и ERy . В волне, равной сумме волн, отраженных от противоположных стенок, векторы поля будут иметь следующие составляющие:

H= Hxxo+ Hzzo ,(11)

E= Eyyo (12)

где Hx = Hix + HRX , Hy = Hiy + HRy.

Волна, описываемая выражениями (11), (12), имеющая поперечные по отношению к оси волновода Z составляющие векторов E и H и продольную составляющую вектора H, называется поперечно электрической волной (полем типа ТЕ). Эта волна называется также волной (полем) типа Н. Таким названием подчеркивается наличие у вектора H продольной и поперечной составляющих. В общем случае при произвольной форме поперечного сечения волновода вектор H в волне типа Н имеет проекцию на ось волновода Z - Hz и поперечную к оси Z составляющую - HЃЫ, а вектор E имеет только поперечную по отношению к оси волновода Z составляющую - EЃЫ . Для такой волны векторы E и H удобно записать в виде:

E= EЃЫ,

H= HЃЫ+ Hz ,.

Волны типа Т

Волны этого типа имеют векторы E иH ,перпендикулярные оси волновода Z. Эти волны не распространяются путем многократных отражений от стенок волновода, а представляют собой плоскую волну, распространяющуюся вдоль оси волновода. Для волн типа Т справедливы соотношения:

E = EЃЫ, H = HЃЫ, и=0, Vф =Vэ = с, лв = л

· Волна H10

Выражения для векторов поля и критической длины волны находятся путем решения уравнений Максвелла.

Из выражений (21) следует, что составляющие векторов поля E и H вдоль сторон волновода a и b меняются по закону синуса или косинуса, причем на стороне a укладывается m полупериодов, на стороне b - n полупериодов. В соответствии с этим поля в прямоугольном волноводе обозначаются символами Emn и Hmn. Символы m и n не могут одновременно принимать нулевые значения, так как при этом все составляющие векторов E иH становятся равными нулю.

В прямоугольных волноводах обычно a ? b. В этом случае, как следует из (22), максимальная критическая длина волны соответствует значениям m=1, n=0и равна2a.Следовательно,основной волной в прямоугольном волноводеявляется волна Н10. Критические длины волн в прямоугольном волноводе для полей типа Е и Н обозначаются символами лemn и лhmn.

Таким образом, для основной волны лh10 =2а....