Министерство общего и профессионального образования РФ
Рязанская государственная радиотехническая академия
Кафедра радиоуправления и связи
Курсовая работа
по дисциплине «Антенны и устройства СВЧ»
по теме
«Линейная решётка рупорных антенн»
Выполнил:
студент группы 117
Угаров А.А.
Руководитель:
доц. Елумеев В.И.
Рязань 2004
Содержание
Введение
Теоретическая часть
Расчёт основных электрических и геометрических параметров линейной решётки рупорных антенн и её элементов
Конструктивный расчёт и разработка конструкции АФУ
Описание конструкции
Заключение
Библиографический список
Введение
Антенно-фидерное устройство, обеспечивающее излучение и прием радиоволн, — неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Требования к техническим характеристикам 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 многом зависит от рабочего диапазона волн. Хотя в радиотехнических системах используют разные диапазоны частот, сверхвысокие частоты (СВЧ) получают все более широкое применение. Это объясняется возможностями реализации в антеннах СВЧ характеристик, влияющих на важнейшие показатели качества всей радиосистемы. Так, в диапазоне СВЧ антенны могут создавать остронаправленное излучение с лучом шириной до долей градуса и усиливать сигнал в десятки и сотни тысяч раз.
Антенны СВЧ широко применяются в различных областях радиоэлектроники – связи, телевидении, радиолокации, радиоуправлении, а также в системах инструментальной посадки летательных аппаратов, радиоэлектронного противодействия, радиовзрывателей, радиотелеметрии и др.
Широкое распространение получили остронаправленные сканирующие антенны (антенные решётки). Сканирование позволяет осуществлять обзор пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. Замена слабонаправленных или ненаправленных антенн, например связных, остронаправленными сканирующими позволяет не только получать энергетический выигрыш в радиотехнической системе за счёт увеличения коэффициента усиления антенн, но и в ряде случае ослаблять взаимные влияния одновременно работающих различных систем.
Применение антенных решёток для построения сканирующих остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению объема информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн в окружающем пространстве. В зависимости от геометрии расположения излучателей в пространстве антенные решётки (АР) подразделяются на одномерные (линейные, кольцевые, дуговые), двухмерные (поверхностные) и трехмерные. Одним из видов линейных антенных решёток является линейная решётка рупорных антенн.
/>
Рис. 1. Линейная антенная решётка
1. Теоретическая часть
Заданием данной курсовой работы является проектирование и расчёт линейной решётки рупорных антенн. В качестве элемента антенной решетки будем использовать пирамидальный рупор.
Рупорные антенны являются простейшими антеннами СВЧ – диапазона. Они могут применяться как самостоятельно, так и в качестве элементов более сложных антенн. Рупорные антенны позволяют формировать диаграммы направленности (ДН) шириной от 100-140° до 10-20°. Рупорные антенны являются широкополосными, они обеспечивают примерно полуторное перекрытие по диапазону. Коэффициент полезного действия рупора – высокий (»100%).
/>
Рис.2. Пирамидальный рупор
/>
O1- вершина рупора
h1- длина (высота) рупора
g1- угол раствора рупора
O2- вторая вершина рупора
h2- вторая длина (высота) рупора
g2- второй угол раствора рупора
2. Расчёт основных электрических и геометрических параметров линейной решётки рупорных антенн и её элементов
Выпишем основные формулы для расчёта линейной решётки рупорных антенн:
/>,
где m-коэффициент, определяемый законом распределения поля в соответствующей плоскости и уровнем на котором задана ДН. Формула определяет ширину ДН линейной решетки рупорных антенн на уровне 0.5 по мощности в горизонтальной плоскости
/>
формула определяющая ширину ДН одного излучателя (рупора) на уровне 0.5 по мощности в горизонтальной плоскости
/>
формула определяющая ширину ДН линейной решётки рупорных антенн уровне 0.5 по мощности в вертикальной плоскости
/>,
формула определяющая количество излучателей (рупоров) линейной решетки
/>,
формулы определяющие длины рупоров, соответственно в "E" и "H"-плоскостях
/>
формула определяющая максимально допустимые значения шага, при котором отсутствуют дифракционные максимумы
/>
формула определяющая ДН линейной решётки рупорных антенн
/>
ДН рупора в «Е» — плоскости, без учёта фазовых искажений
/>
ДН рупора в «Е» — плоскости, с учётом квадратурных фазовых искажений
/>
множитель системы
Проведём расчёт основных параметров одиночного пирамидального рупора и линейной решётки:
1.
/>
2.
/>
3.
/>
4.
/>
5.
/>, при n = 5
Проведём расчёт ДН линейной решётки рупорных антенн:
/>, без учёта фазовых искажений
/>
ДН пирамидального рупора в «Е» — плоскости, без учёта фазовых искажений
/>
/>
ДН множителя системы:
/>
ДН множителя системы:
/>
/>
ДН линейной решётки рупорных антенн в «Е» — плоскости, без учёта фазовых искажений:--PAGE_BREAK--
/>
/>
/>, с учётом квадратурных фазовых искажений
/>
ДН пирамидального рупора в «Е» — плоскости, с учётом фазовых искажений
/>
/>
ДН множителя системы:
/>
ДН множителя системы:
/>
/>
ДН линейной решётки в «Е» — плоскости, с учётом фазовых искажений
/>
/>
Проведём расчёт волноводно-щелевой антенны
/>
Рис.4. Волноводно-щелевая антенна
Прежде чем приступить к расчёту волноводно-щелевой антенны, проведем расчет параметров волновода ( выберем его тип), необходимого для подключения рупора к волноводно-щелевой антенне.
/>/>
Рис.5. Прямоугольный волновод
Выбор волновода:
Волновод выбираем исходя из заданной рабочей частоты:
/>
Марка волноводаWR-112
Размеры волновода:
/>
Расчёт волноводно-щелевой антенны:
Найдем размеры волновода и длину волны в волноводе:
/>
Т.о. значение d выбрано нами неверно. Выберем, например:
/>
Т.о. длина волны в волноводе равна:/>
Размеры волновода:
/>
Определяем размеры и марку волновода по справочнику:
Марка волновода: WR-112
Размеры волновода:
/>
Определим теперь длину щели в узкой стенке прямоугольного волновода и её ширину, зная заданную мощность в антенне.
Длина щели равна:
/>
Проведём расчёт ширины щели:
Ширина щели d1 в ВЩА выбирается исходя из условий обеспечения необходимой электрической прочности и требуемой полосы пропускания. При выборе ширины щели должен обеспечиваться двух- или трехкратный запас по пробивной напряжённости поля для середины щели, где напряжённость поля /> максимальна (/>). Такой запас выбирается исходя из конструктивных требований и условий работы щелевой антенны:
/>, где
/> -амплитуда напряжения в пучности; d1-ширина щели; /> — предельное значение напряжённости поля, при котором наступает электрический пробой(для воздуха при нормальных условиях />)
При равномерном амплитудном распределении поля по раскрыву антенны, когда излучаемая антенной мощность делится поровну между щелями:
/>, где
/> — подводимая к антенне мощность; />-проводимость излучения щели; />-число щелей.
/>
/> ,
для резонансных щелей />
Расчёт:
/>
/>/>
/>
Оценка полосы пропускания антенны:
Проведём оценку полосы пропускания антенны:
/>
Эскиз проектируемой антенны
/>
3. Конструктивный расчёт и разработка конструкции АФУ
Предварительный анализ проектируемой антенны
Изобразим приближенно элементы устройства:
В линейную решётку рупорных антенн будут входить следующие элементы:
Линейка из пирамидальных рупоров
Запитывать рупоры будем с помощью волноводно-щелевой антенны (поперечные щели в узкой стенке волновода)
Запитывать волноводно-щелевую антенну будем с помощью волноводного тройника, либо E — типа, либо H — типа
Волноводы также будем использовать для соединения линейки рупоров, с волноводно-щелевой антенной
/>
Рис.3. Волноводно-щелевая антенна
/>
Рис.4. Линейная решётка рупорных антенн
/>
Рис.5. Волноводный тройник Н-типа
Заключение
В ходе выполнения данной курсовой работы, я рассчитал параметры и диаграмму направленности линейной решетки состоящей из рупорных антенн. В качестве рупора я использовал пирамидальный рупор. Рис.2. Решётка представляет собой набор пирамидальных рупоров расположенных в линейку. Рис.4. В процессе расчётов установили, что число рупоров (излучателей) N равно 32.
Достоинством рупорных антенн является большая диапазонность и простота конструкции. С помощью рупорных антенн, мы спроектировали линейную решётку, обладающую достаточно узкой ДН.
Недостатком такой линейной решётки является то, что из-за большого числа излучателей увеличиваются размеры решётки, а соответственно и масса конструкции тоже увеличивается.
По результатам выполнения курсовой работы была рассчитана линейная решетка из рупорных антенн со следующими параметрами :
Ширина ДН в горизонтальной плоскости 2 град
Ширина ДН в вертикальной плоскости 20 град
Сектор сканирования +/- 10 град
Поляризация линейная
Полоса пропускания антенны является достаточно широкой
Полученные результаты соответствуют требованию технического задания
Список литературы
1. А.Л. Драбкин и В.Л. Зузенко «Антенно-фидерные устройства» Издательство «Советское радио» Москва-1961год
2. Д.М. Сазонов «Антенны и устройства СВЧ»Москва «Высшая школа» 1988год
3. А.С. Лавров, Г.Б. Резников «Антенно-фидерные устройства»Москва «Советское радио» 1974годПод редакцией Д.И. Воскресенского «Антенны и устройства СВЧ» Расчёт и проектирование антенных решёток и их излучающих элементов. Издательство «Советское радио» Москва-1972год
4. Антенны и устройства СВЧ: 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
5. М. С.Жук, Ю. Б. Молочков. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. М: Энергия, 1973.
6. А. Л. Фельдштейн, Л. Р. Явич, В. П. Смирнов. Справочник по элементам волноводной техники. М: Советское радио, 1967
7. Конспект лекций по курсу «Антенны и устройства СВЧ». А.В. Рубцов