Устройства СВЧ и антенны презентация

Содержание

Слайд 1Устройства СВЧ и антенны
Курс лекций
Преподаватель доцент кафедры радиотехники
Василий Сергеевич Панько

VPanko@sfu-kras.ru



Слайд 2Основные параметры и характеристики антенн;
Линейная излучающая система;
Излучающие раскрывы и решетки;
Апертурные антенны;
Фазированные

антенные решетки.

Основные темы курса

Слайд 3Д. И. Воскресенский, В. И. Степаненко и др. Проектирование фазированных антенных

решеток. Москва : Радиотехника, 2012.
В. А. Неганов, Д. С. Клюев, Д. П. Табаков. Устройства СВЧ и антенны - Москва : URSS, 2013 - 2014.
Е. И. Нефедов. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства - Москва : Академия, 2010.
Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. – М.: Высшая школа, 1988.
Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. – М.: Радио и связь, 1996.

Литература

Слайд 4Классификация антенн;
Необходимые понятия из электродинамики;
Векторная комплексная характеристика направленности;
Параметры антенн: КНД, КПД,

излучаемая мощность, входное сопротивление, КСВН, рабочий диапазон частот;
Теоремы.

1. Основные характеристики и параметры антенн

Слайд 5







(ток на одиночном диполе)
(излучение одиночного диполя)
(передача энергии с одного диполя на

другой)
(ток на двух диполях)

Для чего нужны антенны?


Слайд 6по функциональному назначению: приемные, передающие, связные, телевизионные, радиолокационные, бортовые и т.

д;
по конструкторско-технологическим признакам: рупорные, спиральные, печатные, зеркальные, щелевые, линзовые, вибраторные и т. д.;
по электродинамическим или электрическим свойствам и параметрам: диапазон частот, ширина рабочей полосы частот, направленные свойства.

По принципу формирования диаграммы направленности:
линейные антенны,
апертурные антенны,
антенные решетки.

Классификация антенн

Слайд 7Излучающие системы, малых по сравнению с длиной волны поперечных размеров.
Антенны стоячей

волны;
Антенны бегущей волны.








Линейные антенны

Слайд 8Апертура – некоторая ограни­ченная поверхность, как правило, плоская, через которую проходит

весь по­ток излучаемой или принимаемой мощности.
Принципы формирования диаграммы направленности подобны оптическим.

Апертурные антенны

Слайд 9Системы однотипных излучателей, расположенных в пространстве по определённому закону и определенным

образом возбуждаемых.
одномерные (линейные);
двумерные (поверхностные).

Фазированные АР - с независимой регулировкой амплитудно-фазовых распределений на элементах.

Антенные решетки

Слайд 10Примеры антенных решеток

Слайд 11 
Векторы электромагнитного поля


Слайд 12 
Периодическое электромагнитное колебание

Слайд 13 
Волновое число

Слайд 14 
Длина волны и частота

Слайд 15Вычислить длину волны по известной частоте, и частоту по известной длине

волны:





Задача

Слайд 16




Решение

Слайд 17Плоская электромагнитная волна, f = f0

Слайд 18Плоская электромагнитная волна

Слайд 19Поляризация – это направление вектора электрического поля в электромагнитной волне.

Линейная:






Поляризация волн


Слайд 20Эллиптическая

Поляризация волн

Слайд 21 
Сферическая система координат

Слайд 22 
Дальняя, промежуточная и ближняя зоны

Слайд 23 
Дальняя, промежуточная и ближняя зоны

Слайд 24 
Дальняя, промежуточная и ближняя зоны

Слайд 25Рассчитать положение дальней зоны для зеркальной антенны спутникового телевидения радиусом 300

мм на частоте 12 ГГц.

Задача – определение расстояния дальней зоны

Слайд 26 
Задача – определение расстояния дальней зоны

Слайд 27 
Векторная комплексная характеристика направленности

Слайд 28 
Амплитудная характеристика направленности

Слайд 29ХН изотропной антенны – сфера единичного радиуса. Она формируется так называемым

изотропным излучателем, т.е. излучателем, создающим одинаковую амплитуду поля во всех направлениях.

Типы амплитудных ХН

Слайд 30Амплитудная ХН диполя Герца:
Амплитудная характеристика направленности

Слайд 31Направленная антенна – антенна, излучающая или принимающая электромагнитную энергию в одних

направлениях более эффективно, чем в других.

Игольчатая ДН:

Типы амплитудных ХН

Слайд 32Веерная ДН:
Типы амплитудных ХН

Слайд 33Частным случаем направленных антенн являются всенаправленные антенны, имеющие ненаправленную ДН в

одной плоскости (как правило, азимутальной) и направленную в другой (меридиональной).
Всенаправленная ДН:

Типы амплитудных ХН

Слайд 34Диаграммой направленности (ДН, radiation pattern) называют сечения характеристики направленности (фигура объемная)

какой-либо плоскостью. Используются декартовы или полярные координаты.

ДН диполя Герца в полярных координатах:

Диаграмма направленности




Слайд 35Различные части ДН называют лепестками. Среди них выделяют главный лепесток, боковые

и задние лепестки. Основная часть излучения антенны сконцентрирована в главном лепестке.

Диаграмма направленности и ее параметры


Слайд 36 
Диаграмма направленности и ее параметры

Слайд 37Полярные координаты неудобны при построении остронаправленных ДН и извлечения информации. Изменение

масштаба не помогает.

Декартова система координат

Слайд 38В этих случаях используют декартову систему координат, можно выбрать удобный масштаб

отображения.

Тот же график
в декартовых
координатах.

Декартова система координат

Слайд 39Ширина главного лепестка ДН (ШДН) - определяют на уровне 0,5 или

минус 3 дБ по мощности, или 0,707 по напряженности поля.
Уровень и положение боковых лепестков (УБЛ).

Параметры ДН

Слайд 40Пользуясь данными таблицы, построить нормированную амплитудную ДН передающей антенны по полю

в полярных координатах.
Определить ширину ее луча на уровнях 0,707 и нулевого излучения, а также уровень и направления боковых лепестков.



Задача – условие

Слайд 41 
Задача – решение

Слайд 42Пользуясь данными предыдущей задачи, построить нормированную амплитудную ДН передающей антенны по

мощности в прямоугольных координатах и в логарифмическом масштабе.
Определить ширину луча антенны на уровнях 0,5 (минус 3 дБ) и нулевого излучения, а также уровень и направления боковых лепестков.

Задача – условие

Слайд 43 
Задача – решение

Слайд 44 
Задача – решение

Слайд 45 
Задача – условие

Слайд 46ДН элемента Гюйгенса



Задача – решение

Слайд 47 
Фазовая характеристика направленности

Слайд 48 
Поляризационная характеристика направленности

Слайд 49Эллиптическая поляризация
 

Слайд 50 
Коэффициент направленного действия

Слайд 51 
Коэффициент направленного действия

Слайд 52 
Коэффициент направленного действия


Слайд 53вибратор логопериодические
1.6 (2 дБи) 4.5 (6,5 дБи) 7 (8,5 дБи)






рупорная зеркальная
3-25 400-126 000
5-14 дБи 26-51 дБи
Коэффициент

направленного действия

Слайд 54 
Задача – определение КНД по амплитудной ДН

Слайд 55 
Задача – определение КНД по амплитудной ДН

Слайд 56Антенна спутникового телевидения Супрал СТВ-0,55-11 АУМ с размером рефлектора 525 х

558 мм имеет ширину главного лепестка 3.3 градуса в обеих плоскостях. Определить КНД антенны в дБи.

Задача – оценка КНД по ширине главного лепестка

Слайд 57 
Решение – оценка КНД по ширине главного лепестка

Слайд 58 
Задача – условие

Слайд 59 
Задача – решение

Слайд 60 
Коэффициент полезного действия и коэффициент усиления

Слайд 61 
Сопротивление излучения. Входное сопротивление.

Слайд 62 
Фидеры

Слайд 63 
Фидеры

Слайд 64 
Коэффициент отражения

Слайд 65 
Коэффициент отражения

Слайд 66(поле в прямоугольном волноводе, режим бегущей волны, КО),
(поле в прямоугольном волноводе,

режим стоячей волны, КО),
(поле в прямоугольном волноводе, режим смешанной волны, КО).

Коэффициент отражения

Слайд 67 
Коэффициент стоячей и бегущей волны

Слайд 68 
Влияние коэффициента отражения на передачу мощности

Слайд 69 
Рабочий диапазон частот антенны

Слайд 70 
Классификация антенн по ширине рабочего диапазона частот

Слайд 71Максимальная частота рабочего диапазона антенны 10 МГц, а минимальная 6 МГц.


Чему равны относительная ширина полосы рабочих частот (в процентах) и коэффициент перекрытия диапазона?

Задача – условие

Слайд 72 
Задача – решение

Слайд 73Частотно-независимая антенна Rohde&Schwarz HF907
 

Слайд 74 
Широкополосная антенна цифрового телевидения ПТВГ-6

Слайд 75 
Узкополосная радиовещательная антенна

Слайд 76По теореме взаимности приемную антенну характеризуют те же параметры, что

и передающую, однако для приемных антенн существуют специфические параметры.

Эквивалентная схема приемной антенны:



Энергетические соотношения в цепи приемной антенны


 

Слайд 77 
Энергетические соотношения в цепи приемной антенны

Слайд 78 
Энергетические соотношения в цепи приемной антенны

Слайд 79 
Энергетические соотношения в цепи приемной антенны

Слайд 80 
Задача – условие

Слайд 81 
Задача – решение

Слайд 82 
Уравнение идеальной радиопередачи

Слайд 83Мощность сигнала, излучаемого передающей антенной с КУ = 10 на частоте

 30 МГц, составляет 15 Вт.
Какой КУ должна иметь приемная антенна, установленная на расстоянии  1 км от передающей, чтобы максимальная мощность принимаемого сигнала была 1 мВт?

Задача

Слайд 84 
Задача – решение

Слайд 85 
Эффективная поверхность

Слайд 86 
Теорема перемножения



Слайд 87 
Теорема перемножения



Слайд 88 
Принцип электродинамического подобия

Слайд 89Линейный излучатель – удобная модель, позволяющая рассмотреть общие принципы работы многих

антенн.

Множитель направленности линейного излучателя;
Влияние амплитудного распределения на параметры ДН;
Влияние фазовых искажений на параметры ДН;
Линейная дискретная система.

ЛИНЕЙНАЯ ИЗЛУЧАЮЩАЯ СИСТЕМА

Слайд 90Линейный излучатель – непрерывное или дискретное распределение одинаковых источников электромагнитного излучения

вдоль отрезка заданной прямой.

Для его анализа нужно знать:
Комплексную векторную нормированную характеристику направленности отдельных излучателей;
Место расположения излучателей вдоль отрезка прямой;
Закон распределения комплексных коэффициентов возбуждения отдельных излучателей (амплитудно-фазовое распределение).

Определение линейного излучателя

Слайд 91 
Множитель направленности линейного излучателя
 

Слайд 92 
Множитель направленности линейного излучателя

Слайд 93 
Множитель направленности линейного излучателя

Слайд 94 
Амплитудно-фазовое распределение (АФР) линейного излучателя

Слайд 95 
Амплитудно-фазовое распределение линейного излучателя

Слайд 96(поле излучения линейной АР, ξ = 0),
(поле излучения линейной АР, ξ

= 0.5),
(поле излучения линейной АР, ξ = 1).

Коэффициент замедления

Слайд 97 
Множитель направленности непрерывного линейного излучателя

Слайд 98 
Множитель направленности непрерывного линейного излучателя

Слайд 99(множитель направленности при разных параметрах излучателя - MCAD)
Множитель направленности непрерывного линейного

излучателя

Слайд 100 
Режим поперечного излучения

Слайд 101 
Режим наклонного излучения

Слайд 102 
Режим наклонного излучения

Слайд 103 
Режим осевого излучения

Слайд 104 
Задача

Слайд 105 
Задача - решение

Слайд 106 
Множитель направленности линейного излучателя

Слайд 107ДН линейного излучателя разной длины в режиме поперечного излучения: l = 4λ (сплошная

линия), l = 10λ (пунктир)

Множитель направленности непрерывного линейного излучателя

Слайд 108 
Влияние амплитудного распределения на параметры ДН

Слайд 109 
Влияние амплитудного распределения на параметры ДН

Слайд 110 
Влияние амплитудного распределения на параметры ДН


Слайд 111 
Влияние амплитудного распределения на параметры ДН


Слайд 112 
Влияние амплитудного распределения на параметры ДН

Слайд 113 
Влияние фазовых искажений на параметры ДН

Слайд 114 
Влияние фазовых искажений на параметры ДН. Линейные фазовые искажения.

Слайд 115Форма ДН линейного излучателя длиной 4λ при различных значениях линейной фазовой

ошибки Ф1.
Амплитудное распределение равномерное.


Ф1= 0
Ф1 = –π
Ф1 = 2π

Влияние фазовых искажений на параметры ДН. Линейные фазовые искажения.

Слайд 116 
Влияние фазовых искажений на параметры ДН. Квадратичные фазовые искажения.

Слайд 117Влияние квадратичных фазовых искажений на ДН (амплитудное распределение равномерное):









Ф2= 0 Ф2 = π/2

Влияние фазовых искажений на параметры ДН. Квадратичные фазовые искажения.



Слайд 118










Ф2 = π; Ф2 = 2π.

Влияние фазовых искажений на параметры ДН. Квадратичные фазовые искажения.



Слайд 119Влияние квадратичных фазовых искажений на ДН (амплитудное распределение косинусоидальное):









Ф2= 0 Ф2 = π/2


Влияние фазовых искажений на параметры ДН. Квадратичные фазовые искажения.



Слайд 120Влияние квадратичных фазовых искажений на ДН (амплитудное распределение косинусоидальное):









Ф2 = π Ф2 = 2π

Влияние фазовых искажений на параметры ДН. Квадратичные фазовые искажения.



Слайд 121Кубические искажения приводят к отклонению максимума излучения и искажению ДН. Происходит

расширение главного лепестка, снижение КНД и КИП.
Кубическое фазовое распределение:
Ф3 = π/4;
Ф3 = π/2;
Ф3 = π.

Влияние фазовых искажений на параметры ДН. Кубичные фазовые искажения.

Слайд 122Влияние кубических фазовых искажений на ДН (амплитудное распределение равномерное):









Ф3 = 0 Ф3 = π/2

Влияние фазовых искажений на параметры ДН. Кубичные фазовые искажения.



Слайд 123Влияние кубических фазовых искажений на ДН (амплитудное распределение равномерное):









Ф3 = π Ф3 = 2π

Влияние фазовых искажений на параметры ДН. Кубичные фазовые искажения.



Слайд 124Влияние кубических фазовых искажений на ДН (амплитудное распределение косинусоидальное):









Ф3 = 0 Ф3 = π/2

Влияние фазовых искажений на параметры ДН. Кубичные фазовые искажения.



Слайд 125Влияние кубических фазовых искажений на ДН (амплитудное распределение косинусоидальное):









Ф3 = π Ф3 = 2π

Влияние фазовых искажений на параметры ДН. Кубичные фазовые искажения.



Слайд 126 
Линейная дискретная система

Слайд 127 
Линейная дискретная система

Слайд 128 
Линейная дискретная система

Слайд 129(демонстрация в MathCAD и CST)
Сравнение ДН линейного излучателя и дискретной излучающей

системы

Слайд 130 
Линейная дискретная система. Подавление дифракционных максимумов.

Слайд 131Применение в качестве излучателей АР направленных элементов. Применение направленных элементов ограничивает

сектор сканирования антенны.

Линейная дискретная система. Подавление дифракционных максимумов.

Слайд 132 
Линейная дискретная система. Подавление дифракционных максимумов.

Слайд 133Линейные излучатели формируют остронаправленное излучение и обеспечивают сканирование только в одной

плоскости, проходящей через ось системы.
Для сужения ДН во второй плоскости нужно использовать двумерные плоские излучатели (раскрывы).

Множитель направленности плоского раскрыва


Слайд 134 
Множитель направленности плоского раскрыва

Слайд 135 
Множитель направленности плоского раскрыва

Слайд 136 
Прямоугольный раскрыв

Слайд 137 
Прямоугольный раскрыв
 

Слайд 138 
Прямоугольный раскрыв

Слайд 139 
Прямоугольный раскрыв. Разделяющиеся амплитудные распределения.

Слайд 140 
Круглый раскрыв

Слайд 141 
Круглый раскрыв

Слайд 142 
Круглый раскрыв

Слайд 143 
Круглый раскрыв
 

Слайд 144 
Круглый раскрыв

Слайд 145 
КНД плоского раскрыва

Слайд 146Оценить КНД круглой зеркальной параболической антенны Rohde&Schwarz AC120 диаметром 1,2 м

на частоте 5 ГГц и 15 ГГц.
КИП принять равным 0,5, ответ дать в дБи.

Задача - условие

Слайд 147 
Задача - решение

Слайд 148Полученное решение близко совпадает с паспортными данными антенны:

Задача - решение

Слайд 149 
Апертурные антенны


Слайд 150Типы рупорных антенн:
секториальные;
пирамидальные;
конические.




E-секториальный рупор


H-секториальный рупор

Рупорные антенны



Слайд 151









Пирамидальный рупор

Конический рупор


Рупорные антенны



Слайд 152При большой длине рупора можно считать, что структура электромагнитного поля в

рупоре соответствует структуре электромагнитной волны, распространяющейся в волноводе.

Фазовое распределение в раскрыве рупора


Слайд 153 
Фазовое распределение в раскрыве рупора

Слайд 154 
Амплитудно-фазовое распределение в раскрыве рупора

Слайд 155Зависимость КНД рупорной антенны от размеров раскрыва.
Рупорные антенны

Слайд 156 
Рупорные антенны

Слайд 157 
Расчет рупорной антенны

Слайд 158 
Расчет рупорной антенны

Слайд 159
Различные варианты исполнения рупорных антенн

Слайд 160Методы сканирования:
Механическое: перемещение всей антенны по угловым координатам, например, зеркальные антенны

РЛС;
электромеханическое – перемещение элементов антенны, которое приводит к наклону фазового фронта излучаемой волны, например, смещение облучателя из фокуса параболического зеркала;
электрическое сканирование, ранее называемое немеханическим. Это наиболее быстрый способ сканирования, осуществляется изменением АФР в раскрыве антенны.

Сканирующие антенны

Слайд 161Методы электрического сканирования наиболее хорошо приспособлены для многоэлементных антенных решёток, которые

в этом случае называются фазированными антенными решётками (ФАР).
Три вида электронного сканирования:
Фазовый – регулировка только фазовых характеристик;
Амплитудный – регулировка амплитуд возбуждения;
Частотный – регулировка фазовых сдвигов путем изменения частоты.
Все способы сводятся, в конце концов, к изменению фазового распре-деления в раскрыве АР.

Электронное сканирование

Слайд 162 
Фазовое электронное сканирование

Слайд 163Каждая ФАР должна иметь устройство, обеспечивающее нужное распределение амплитуд и фаз

токов возбуждения каждого излучателя. Такие устройства называют диаграммообразующими схемами (ДОС).
Различают ДОС закрытого и открытого (оптического) типа.

Диаграммообразующие схемы для фазового сканирования

Слайд 164

генератор

направленный ответвитель

согласованная нагрузка

фазовращатель

Последовательные ДОС закрытого типа

Слайд 165Схемы последовательного возбуждения имеют ограничение по диапазону частот, поскольку расстояния от

генератора для каждого излучателя различны, что приводит к изменению электрических расстояний при изменении частоты.
Параллельные ДОС свободны от этого недостатка.

Параллельные ДОС закрытого типа

Слайд 166Вариант выполнения параллельной ДОС
Параллельные ДОС закрытого типа

Слайд 167Проходная ДОС:






Отражательная ДОС:

ДОС открытого типа

Слайд 168Амплитудный способ сканирования подразумевает дискретное переключение амплитуд возбуждения отдельных входов некоторой

ДОС. При этом происходит изменение направления максимума ДН. Обычно такие антенны называют многолучевыми антеннами.

Амплитудный способ сканирования – многолучевые антенны

Слайд 169Многолучевые антенные решетки – матрица Бласса

Слайд 170Многолучевые антенные решетки – матрица Батлера

Слайд 171Матрица Батлера – сдвиг фаз в излучателях при включении входов

Слайд 172
Частотное сканирование

Слайд 173 
Частотное сканирование

Похожие презентации

Фестиваль детского телевидения 259
Кто же называется географами? 223
Руководитель:воспитатель 2 категории Хазеева Т. С. МДОУ д/с № 15 Золотая рыбка 226
Всё про Деда Мороза 340
Употребление деепричастного оборота в речи 437
Стратегия МИРПАЛ и реализация регионального плана действий 223

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое ThePresentation.ru?

Это сайт презентаций, докладов, проектов, шаблонов в формате PowerPoint. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами с другими пользователями.

Для правообладателей

Яндекс.Метрика