Министерствообщего и профессионального
образованияРоссийской Федерации
РГРТА
Кафедра РУС
Реферат:
« Синфазнаярешетка из рупорных антенн »
Рязань 2001г.
Содержание
Введение
1. Теоретическая часть
2. Расчет одиночногорупора
3. Расчет антеннойрешетки
Заключение
Список литературы
Введение
Рупорные антенны являютсяпростейшими антеннами СВЧ-диапазона. Излучатель типа открытого конца волноводаможно рассматривать как рупор, у которого угол раскрыва равен нулю. Для полученияболее острой диаграммы направленности сечение стандартного волновода можноувеличивать плавно, превращая волновод в рупор. В этом случае структура поля вволноводе в основном сохраниться. В горле рупора, то есть в месте егосоединения с волноводом, всё же возникают высшие типы волн. Однако если уголраскрыва рупора не слишком велик, то волны всех типов, кроме основного, быстрозатухают в окрестности горловины рупора, а по рупору будет распространятьсятолько колебания основного типа.
Основные типы рупоровобразуются в результате расширения прямоугольного или круглого волновода. Еслирасширение прямоугольного волновода происходит только в одной плоскости, тополучается секториальный рупор. В зависимости от того, в какой плоскостипроисходит расширение, различают Н-плоскостные и Е-плоскостные секториальныерупоры. Если прямоугольный волновод расширяется сразу в двух плоскостях,получается пирамидальный рупор. Расширяющийся круглый волновод образуетконический рупор. Кроме указанных типов, применяются ещё комбинированныепрямоугольные рупора.
Рупорные антенны могутприменяться как самостоятельно, так и в качестве элементов более сложныхантенн. Рупорные антенны позволяют формировать диаграммы напряжённости (ДН)шириной от 100-140 градусов до 10-20 градусов. Возможность дальнейшего суженияДН ограничивается необходимостью резкого увеличения длины рупора. Рупорныеантенны являются широкополосными, они обеспечивают примерно полуторноеперекрытие по диапазону. Возможность изменения рабочей частоты в ещё большихпределах ограничивается возбуждением и распространением, в питающем волноводевысших типов волн. Коэффициент полезного действия рупора — высокий(приблизительно 100%). Включение в волноводной тракт фазирующей секции или враскрыв поляризационной решётки обеспечивает создание поля с круговойполяризацией. Для формирования узких ДН могут быть использованы двумерные решёткииз небольших рупоров. Для этого надо взять несколько слабонаправленныхизлучателей, расположить их определенным образом в пространстве, запитать отобщего генератора и подобрать должным образом амплитуды и фазы их токов.
1. Теоретическаячасть
Расчет рупорных антенноснован на результатах их анализа, то есть первоначально ориентировочнозадаются геометрическими размерами антенны, а затем определяют её электрическиепараметры. Если размеры выбраны неудачно, то расчет повторяется снова.
Поле излучения рупорнойантенны, как и всех антенн СВЧ, определяется приближенным методом. Сущностьприближения заключается в том, что несмотря на связь между полем внутри и внерупора, внутреннюю задачу решают независимо от внешней, и полученные из этогорешения значения поля в плоскости раскрыва рупора используют для решения внешнейзадачи.
Амплитудное распределениеполя в раскрыве рупора принимается таким же, как и в питающем его волноводе.При возбуждении рупора прямоугольным волноводом с волной Н10 вдоль оси X (проходящей в плоскости Н)распределение амплитуды поля косинусоидальное, а вдоль оси Y (проходящей в плоскости Е)амплитудное распределение равномерное
В связи с тем, что фронтволны в рупоре не остается плоским, а трансформируется в цилиндрический всекториальном рупоре и в сферический в пирамидальном и коническом, то фаза поляпо раскрыву меняется по квадратичному закону.
Описанные амплитудное ифазовое распределение поля по раскрыву являются приближенными. Некотороеуточнение дает учет отражения от раскрыва хотя бы только основного типа волны.При этом надо иметь в виду, что коэффициент отражения уменьшается с увеличениемраскрыва.
Диаграмма направленностирупорной антенны по известному полю в раскрыве может рассчитываться методомволновой оптики на основе принципа Гюйгенса и формулы Кирхгофа. Применениеформулы Кирхгофа к электромагнитному полю не является строгим. Имея выражениедля диаграммы направленности, можно найти коэффициент направленного действияантенны, зависимость ширины диаграммы направленности от размеров раскрыва идругие характеристики антенны.
Рупорная антенна состоитиз рупора, волновода и возбуждающего устройства .
2. Расчетодиночного рупора
1). Выбор волновода./>
Волновод выбираем исходяиз заданной рабочей частоты:
/>
Марка волновода: />
Размеры волновода:
в плоскости вектора Н:
/>
в плоскости вектора Е:
/>
Длину волны л находим по формуле:
/>,
где /> - скорость света.
/>
2). Размеры рупора.
а). Ширина сторонраскрыва.
Ширину сторон раскрыварупора находим из заданного размера раскрыва одиночного рупора:
S=700 см2.
Так же известно что,пирамидальный рупор оптимален, если искажения в Н-плоскости составляют б1= 135є, а в Е-плоскости – б2=90є. Получаем соотношение:
/>
Обозначим:
а1 — ширинарупора в плоскости Н;
а2 — ширинарупора в плоскости Е.
Составляем систему издвух уравнений:
/>
/>
из этих уравненийнаходим:
а1=32.4 см
а2=21.6 см
б). Длина рупора.
Обозначим:
h1 — длина рупора в плоскости H,
h2 — длина рупора в плоскости Е.
/> см,
/> см.
Для пирамидального рупораэти длины могут быть различными и не совместимыми, поэтому используем уравнение«стыковки рупора с волноводом»:
h1 (1-a/a1) = h2(1-b/a2),
Чтобы фазовые искажения враскрыве не превысили допустимых, большее значение длины h принимаем запостоянное число и выражаем меньшее значение через большее.
Подставляем полученные значениядлин рупора в уравнение «стыковки рупора с волноводом»:
/>
/> ; />
Принимаем значения: />/> и /> за действительные и в дальнейших расчётах будемиспользовать их.
в). Угол раскрыва рупора:
Зная ширину сторонраскрыва и длины рупора, считаем угол раскрыва в двух плоскостях по формулам:
/>; />, угол раскрыва в плоскости Н,
/>; />, угол раскрыва в плоскости Е.
3). Коэффициентнаправленного действия одного излучателя.
/>,
где н — коэффициентиспользования площади.
Для пирамидального рупора/>/>.
/>
4). Расчёт шириныдиаграмм для одного рупора.
Ширина диаграммынаправленности в плоскости Н:
/>, />.
Ширина диаграммынаправленности в плоскости Е:
/>, />.
5). Графическоепостроение диаграммы направленности единичного излучателя.
При расчете диаграммынаправленности антенны поле в раскрыве можно принимать синфазным, так как вправильно спроектированном рупоре фазовая ошибка не изменяет существеннодиаграмму направленности. Амплитудное распределение как указывалось раньше,принимается совпадающем с полем в поперечном сечении питающего волновода.
Диаграмма направленностирупора может быть приближенно рассчитана из выражения, полученного по формулеКирхгофа.
В плоскости вектора Н(Рис.1):
/>
/>
Рисунок 1.
В плоскости вектора Е(Рис.2):
/>
/>
Рисунок 2.
По графикам определяемширину диаграммы направленности по первым нулям:
в плоскости вектора Н:
/>;
в плоскости вектора Е:
/>
3. Расчетантенной решетки
Решетка синфазная, тоесть токи всех излучателей синфазны (имеют одинаковую фазу).
1). Расчет оптимальногорасстояния между антеннами в решётке.
При оптимальномрасстоянии между излучателями КНД синфазной решетки достигает максимальногозначения, поэтому это расстояние называется оптимальным.
/> ; />, в плоскости вектора Н.
Так как d1опт меньше, чем размер раскрыва рупора вэтой плоскости, то берём значение d1опт равноеa1: />
/>; />, в плоскости вектора Е.
Так как d2опт меньше, чем размер раскрыва рупора вэтой плоскости, то берём значение d2опт равноеa2: />
Принимаем значения: /> и /> за действительные и в дальнейших расчётах будемиспользовать их.
2). Коэффициентнаправленного действия антенны.
Качество антенныхарактеризуется коэффициентом усиления антенны, равным произведениюкоэффициента направленного действия (КНД) на коэффициент полезного действия(КПД) антенны:
/>
Для рупорных антенн можносчитать, что мощность потерь значительно меньше мощности излучения, благодаря чемуКПД антенны можно принять равным единице: />, значит />
По техническому заданию: />дБ или />;
/> - КНД антенны.
3). Расчёт количестваизлучателей в решетке.
Рассчитаем ширинудиаграммы направленности на уровне 0.5 по формулам:
/>,
в плоскости вектора Н,где /> -число излучателей в строке.
/>,
в плоскости вектора Е,где /> -число излучателей в столбце.
В техническом заданиидано: ширина диаграммы направленности на уровне 0.5 по мощности вгоризонтальной плоскости />. Составим соотношение и получим:
/>.
Также известно, чтокоэффициент направленного действия антенны рассчитывается по формуле:
/>
Получили систему из двухуравнений с двумя неизвестными /> и />:
/>
Выражаем /> и />, и находим их значения:
/>
/>
/>, округляем до 4.
/>, округляем до 12.
Принимаем значения: /> и /> задействительные и в дальнейших расчётах будем использовать их.
Общее число излучателей вантенной решетке:
/>
/>
4). Габариты решетки.
L1 — длина антенны встроке:
/>
/>.
L2 — длина антенны встолбце:
/>
/>.
5).Положениедифракционных максимумов.
В плоскости вектора Н(Рис.3):1 2 3 4 5 ±7.092є ±14.183є ±21.275є ±28.367є ±35.458є
/>; p=1, 2 …
/>
Рисунок 3.
В плоскости вектора Е(Рис.4):1 2 3 4 5 ±10.672є ±21.344є ±32.016є ±42.688є ±53.360є
/>; p=1, 2 …
/>
Рисунок 4.
6). Графическоепостроение диаграммы направленности (ДН) решетки.
Диаграмма направленностирешетки есть произведение ДН одного излучателя решетки на ДН множителя решетки.
Строем ДН множителярешетки, при этом учитывая, что решетка синфазная.
В плоскости вектора Н(Рис.5):
/>
/>
Рисунок 5.
В плоскости вектора Е(Рис.6):
/>
/>
Рисунок 6.
Строим ДН решетки.
В плоскости вектора Н(Рис.7):
/>
/>
Рисунок 7.
В плоскости вектора Е(Рис.8):
/>
/>
Рисунок 8.
Заключение
В данной работе былирассчитаны требуемые параметры синфазной решетки из рупорных антенн: размерыволновода, размеры рупора, КНД излучателя, габариты решетки, количествоизлучателей, расстояние между излучателями; построены графики: ДН единичногоизлучателя, ДН множителя системы, ДН решетки. Представлена структурная схемапитания рупоров от общего генератора.
Рупорные антенны имеютряд ценных качеств: они просты по конструкции, широкополосны, позволяютосуществлять независимое изменение ДН в Е-и Н-плоскостях у пирамидальногорупора, обладают высоким КПД =1 и относительно низким уровнем боковыхлепестков. Часто рупоры применяются в качестве антенн измерительных приборов, атакже облучателей зеркальных и линзовых антенн.
Списоклитературы
1. А.Л. Драбкин иВ.Л. Зузенко «Антенно-фидерные устройства» Издательство «Советское радио»Москва-1961год
2. Д.М. Сазонов «Антенны и устройстваСВЧ», Москва «Высшая школа» 1988год
3. А.С. Лавров, Г.Б.Резников «Антенно-фидерные устройства» Москва «Советское радио» 1974год
4. Под редакциейД.И. Воскресенского «Антенны и устройства СВЧ» Расчёт и проектирование антенныхрешёток и их излучающих элементов. Издательство «Советское радио»Москва-1972год
5. Антенны и устройстваСВЧ: Методические указания к лабораторным работам. Часть / РГРТА; Составили:В.Я. Рендакова, А.Д. Касаткин, А.В. Маторин, А.В. Рубцов; Под редакцией А.В.Рубцова. Рязань, 1998год