МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра радиоуправления и связи
Реферат
по дисциплине “Антенны и устройства СВЧ”
на тему: АНТЕННАЯ РЕШЁТКА ИЗ РУПОРНО-ЛИНЗОВЫХ АНТЕНН С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМКАЧАНИЕМ ЛУЧА.
Выполнил:
Руководитель:
Рендакова В.Я.
Рязань 2003
Содержание
Введение
Анализ поставленной задачи
Расчёт одиночного излучателя
Расчёт длины и углов раствора рупора
Расчёт антенной решётки
Расчёт диаграммы направленности антенной решётки
Схема питания антенной решётки
Симметрирующая приставка
Заключение
Список используемой литературы
Введение
Антенно-фидерное устройство, обеспечивающее излучение и приёмрадиоволн, — неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Требования к техническимхарактеристикам антенн вытекают из назначения радиосистемы, условий размещения,режима работы, допустимых затрат и т.д. Реализуемость необходимых направленных свойств,помехозащищённости, частотных, энергетических и других характеристик антенн во многомзависят от рабочего диапазона волн. Широкое распространение в последнее время получилиостронаправленные сканирующие антенны СВЧ диапазона. Сканирование позволяет осуществлятьобзор пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат.[2]
Для обеспечения острой направленности антенны, высокой скоростиперемещения антенного луча в пространстве, обзора весьма широкого сектора пространстваприменяют многоэлементные решётки излучателей с электрически управляемыми диаграммаминаправленности. Для формирования антенного луча в двух взаимно перпендикулярныхплоскостях и обеспечения возможности управления его положением, необходимо использоватьдвумерную (поверхностную) решётку излучателей.
На рис.1 показана структурная схема антенного устройства подобноготипа.
антенна радиоволна радиотехническая система/> />
Рис.1
Мощность с выхода передатчика поступает в распределительно-управляющееустройство. Здесь осуществляется деление мощности в нужной пропорции между излучателямирешётки, а также обеспечивается создание требуемых фазовых сдвигов между токамив них. Для решения этих задач в распределительно-управляющих устройствах применяютсяделители мощности, фазовращатели, коммутаторы и другие элементы фидерного тракта.Формируемая решёткой диаграмма направленности зависит от диаграмм направленностиотдельных излучателей, их взаимного расположения и числа. [3]
Анализ поставленной задачи
По техническому заданию на курсовую работу требуется спроектироватьрешётку из рупорно-линзовых антенн с электрическим качанием луча в Е-плоскости.В Н-плоскости требуется обеспечить синфазный режим.
В качестве одиночного излучателя используется пирамидальный рупорс ускоряющей линзой в раскрыве. Будем использовать металлопластинчатую линзу. Такаялинза выполняется из параллельных металлических пластин, расположенных на расстоянииа одна от другой и образующих вогнутую поверхность. Вектор напряжённостиэлектрического поля /> должен быть параллелен пластинам.[4] Линза применяется для коррекции фазовых искажений в раскрыве рупора за счётискусственного выравнивания длины пути, проходимого электромагнитной волной от вершинырупора до всех точек раскрыва.
Использование линзы позволяет достичь заданного КНД при гораздоменьшей длине рупора. Соответственно меньше становятся габариты и масса антенны.
Будем использовать следующую методику расчёта рупорно-линзовогоизлучателя. По заданной рабочей частоте и мощности в антенне выберем возбуждающийволновод. По заданному коэффициенту усиления для одиночного излучателя найдём геометрическиеразмеры рупора, рассчитаем профиль линзы и диаграмму направленности одиночного излучателя.
Как уже отмечалось, для получения острой направленности антенныи обеспечения сканирования пространства применяются антенные решётки. Заданные ширинадиаграммы направленности и сектор сканирования являются исходными данными для расчёта.По этим значениям определяются расстояние между излучателями, количество излучателей,длина строки и столбца решётки, уровень боковых лепестков в диаграмме направленностиантенны. Затем рассчитывается сама диаграмма направленности антенной решётки.Расчёт одиночного излучателя
/>
В качестве одиночного излучателя используется пирамидальный рупор с ускоряющей линзойв раскрыве (рис.2).
Рис.2
Поляризация горизонтальная, значит, вектор /> будет лежать в горизонтальнойплоскости.
1. Выбор размеров волновода.
Размеры поперечного сечения прямоугольного волновода /> и />выбираются из условияраспространения в волноводе только основного типа волны Н10:
/>
Размер />должен удовлетворять условию /> и может быть выбранравным />. [5]Этим требованиям удовлетворяет волновод Р-81. Он обладает полосой пропускания />, внутренние размеры/>, толщинастенок 1.27мм, предельная мощность 1.77МВт. [6]
2. По заданному КУ находим КНД рупора:
/>
Считаем />, т.е. мощность энергии, отдаваемойгенератором в антенну, практически равняется мощности излучения антенны. Тогда /> (/>).
По заданному КНД находим площадь раскрыва рупора:
/>,
где /> для рупоров с коррекцией фазы [6]
/>
3. Находим стороны раскрыва рупора из соотношения />. Зададим значение /> из соображений, что сканированиеосуществляется в плоскости Е, и, соответственно, ширина диаграммы направленностив этой плоскости должна быть достаточно широкой.
4. Тогда:
/>
5. /> />
Рассчитаем профиль линзы, найдём фокусное расстояние и ширину линзы (рис.3).Примем фокусное расстояние равным большей стороне линзы [6]: />
Рис.3
Линза ускоряющая — коэффициент преломления />. Пусть />. Расстояние между пластинамиa найдём из формулы
/> [4].
Получаем:
/>
Профиль линзы задаётся формулой [6]:
/> (1)
Подставляя значения /> и /> в (1) получаем для данного случая:
/> (2)
Считая в (2) y=a1/2 найдём толщину линзы d.
/>
Толщина линзы в плоскости Н будет другой.Расчёт длины и углов раствора рупора
длина рупора в плоскости E: />
длину рупора в плоскости Н считаем равной длине рупора в плоскостиЕ, т.е. R2=R1=23.3см
Находим углы раствора рупора:
/>
/>
6. Расчёт диаграммы направленности рупорно-линзового излучателя:
Поле в раскрыве синфазное, амплитудное распределение в раскрывепринимаем совпадающим с полем в поперечном сечении питающего волновода. Тогда диаграмманаправленности будет рассчитываться по следующим формулам [5]:
/> - в Н плоскости;
/> - в Е плоскости.
Соответственно для нашего случая диаграмма направленности приметвид:
/> - в Н плоскости;
/> - в Е плоскости.
/>Диаграмма направленностирупора в Н плоскости:
/>
/>
Диаграмма направленности рупора в Е плоскости:
/>
Расчёт антенной решётки
Как уже отмечалось, антенные решётки позволяют сделать диаграммуостронаправленной, увеличить КНД антенны, обеспечить возможность обзора довольноширокого сектора пространства. Исходными данными для расчёта антенной решётки (рис.4)являются ширина диаграммы направленности, сектор сканирования./> />
Рис.4
Поляризация горизонтальная, значит, вектор /> лежит в горизонтальной плоскости.Тогда параметры решётки в плоскости Е: d1,n, Ly,/>, />.
Параметры решётки в плоскости Н: d2,m, Lz,/>.
1. Расчёт расстояний между излучателями.
Так как в плоскости Е осуществляется сканирование, то расстояниемежду излучателями находится по формуле:
/>
/>, /> - находим по диаграмме направленностирупора на уровне 0.3 (сектор сканирования 10дБ, или/>). Тогда:
/>
Получилось, что d1max меньше стороны рупора. Берём/>. Соответственно,данная решётка не сможет осуществить качание луча в заданном секторе. Так как антеннане может обеспечить заданный сектор сканирования на уровне 0.3, то сами зададимсектор сканирования, допустим, на уровне 0.7. По диаграмме направленности одиночногорупора находим новое значение /> (сектор сканирования />).
В плоскости Н режим синфазный. Находим расстояние между излучателями,при котором КНД решётки достигает максимального значения, т.е. оптимальное:
/>, где />, />
Берём />. Так как />, то в диаграмме направленности будутдовольно большие дифракционные лепестки.
2. Расчёт количества излучателей.
/>, />
3. Расчёт длины решётки.
/>
/>
4. Расчёт уровня боковых лепестков.
в плоскости Е:
/>
так как в плоскости Н 2 излучателя, то боковые лепестки в диаграмменаправленности в Н плоскости будут отсутствовать.
5. Расчёт КНД решётки.
КНД антенной решётки находится по формуле: />, где /> - количество излучателейв решётке; /> -КНД одиночного излучателя.
/>
Видим, что КНД решётки значительно больше КНД одиночного рупора.
6. Определение разности фаз между соседними излучателями в плоскости, где осуществляетсясканирование, т.е. в Е плоскости:
/>
Расчёт диаграммы направленности антенной решётки
Диаграмма направленности антенной решётки определяется произведениемдвух множителей: диаграмм направленности одиночного излучателя решётки /> и множителя решётки/>. Диаграммамножителя решётки находится по формуле:
/>, где />
В плоскости Н: />. В данном случае диаграмма направленностиантенной решётки примет вид:
/>, где /> (3)
Подставляя в (3) известные величины, окончательно получаем:
/>, где />
В плоскости Е: />. В плоскости Е осуществляется сканирование.В этом случае диаграмма направленности антенной решётки примет вид:
/>, где /> (4)
/> - сектор сканирования.
Подставляя в (4) известные величины, окончательно получаем:
/>, где />
Диаграмма направленности множителя решётки и одиночного рупорав Н плоскости:
/>
/> />
Диаграмма направленности антенной решётки в Н плоскости:
/>
/>
/> />
Диаграмма направленности множителя решётки и одиночного рупорав Е плоскости:
/>
/> />
Диаграмма направленности антенной решётки в Е плоскости:
/>
/> />Схема питания антенной решётки
Для обеспечения обзора пространства /> (т.е. обеспечение сканирования) следуетобеспечить разность фаз между излучателями />. Для этого используем ферритовый фазовращательна прямоугольном волноводе. Схема питания решётки в плоскости Е представлена нарис.5, в плоскости Н нарис.6.
Рис.5
/>
Рис.6
Симметрирующая приставка
На рис. XXII.19 показано в разрезе переходное устройство с симметрирующей приставкой. Питаниек антенне подводится через коаксиальный фидер.
Центральная жила фидера соединяетсяс правой половиной вибратора (в точке 1) и, кроме того, с металлическим стержнемдлиной в четверть волны, играющим роль симметрирующей приставки. Основание стержняприпаяно к экрану фидера. Этот стержень вместе с соответствующим участком экранафидера образует четвертьволновый отрезок линии, короткозамкнутой на конце. Оболочкакоаксиального фидера соединяется с левой половиной вибратора (в точке 2).
Как видно из рис. XXII.19, обе половины вибратора совершенно симметричны относительно оболочки фидера,так как одинаково соединены с наружными стержнями, из которых левый является экраномфидера, а правый симметрирующей приставкой.
Эта приставка на резонансной волне К0не влияет на работу вибратора вследствие того, что образованный приставкой иучастком наружного экрана четвертьволновый отрезок линии обладает весьма большимсопротивлением в точках присоединения к зажимам вибратора.
Сопротивление нагрузки для фидера(в точках 1-2) на резонансной волне Я0остается примерноравным входному сопротивлению самой антенны. Так, например, полуволновый вибратор,имеющий входное сопротивление около 73 Ом, оказывается хорошо согласованным со стандартнымкабелем, имеющим волновое сопротивление 70-75 Ом.
Переходное устройство с симметрирующейприставкой в отличие от «6/-колена» и «четвертьволнового стакана»является широкополосным. При изменении частоты относительно резонансной симметрияпитания вибратора не нарушается. Входное сопротивление отрезка линии, образованнойприставкой и экраном фидера, при изменении частоты падает и начинает шунтироватьсопротивление вибратора в точках 1-2. Однако в небольшой полосе частот этошунтирующее сопротивление при правильно подобранных параметрах схемы можно использоватьдля компенсации реактивного сопротивления «полуволнового» вибратора также, как в рассмотренной выше эквивалентной схеме рис. XXII.15,а.
На рис. XXII.20показан вариант схемы симметрирующей приставки, используемой для телевизионных приемныхантенн.
Заключение
В процессе выполнения данной курсовой работы спроектировалиантенную решётку из 12 рупорно-линзовых излучателей с электрическим качанием лучав Е плоскости. При расчёте решётки столкнулись с тем, что не смогли обеспечить оптимальноерасстояние между излучателями в Н плоскости. В связи с этим в диаграмме направленностипоявились нежелательные довольно большие дифракционные лепестки. Также не удалосьобеспечить заданный сектор сканирования на уровне 0.3. Поэтому мною был выбран секторсканирования на уровне 0.7. Это требование удалось обеспечить, хотя и с довольнобольшим дифракционным лепестком в диаграмме направленности.
В итоге получилась антенная решётка со следующими параметрами:
Рабочая частота — 7.5 ГГц;
Мощность в антенне — 4 кВт;
КНД антенны — 2400;
Поляризация — горизонтальная;
Ширина диаграммы направленности на уровне 0.5 по мощности:
- в горизонтальной (Е) плоскости — />
- в вертикальной (Н) плоскости — />
Сектор сканирования на уровне 0.7 по мощности />
При расчёте антенны использовались некоторые приближённые формулы,что в конечном счёте повлияло и на точность результатов в целом.
Список используемой литературы
1. Устройства СВЧ и антенны. Методические указания к курсовому проектированию.Сост.: В.И. Елумеев, А.Д. Касаткин, В.Я. Рендакова. Рязань, 1998. №2693
2. Д.И. Воскресенский. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированныхантенных решёток. — М.: Радио и связь, 1994.
3. А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов. Антенно-фидерные устройства. — М.:Советское радио, 1974.
4. Д.М. Сазонов. Антенны и устройства СВЧ. Учебник для радиотехнических специальныхвузов. — М.: Высшая школа, 1988г.
5. Д.И. Воскресенский. Расчёт антенн СВЧ. Ч.1. — Москва, 1970.
6. А.П. Дорохов. Расчёт и конструирование антенно-фидерных устройств. Изд. Харьковскогоуниверситета, 1960.