Теоретическая часть
1. Назначение и особенностиволноводно-щелевых антенн
Волноводно-щелеваяантенна (ВЩА) относится к классу линейных (плоских) многоэлементных антенн.Излучающими элементами таких антенн являются щели, прорезаемые в стенкахволноводов, объемных резонаторов или металлических основаниях полосковых линий.На практике находят применение ВЩА с неподвижной в пространстве диаграммойнаправленности (ДН), а также ВЩА с механическим, электромеханическим иэлектрическим сканированием [1].
К достоинствам ВЩА можноотнести:
— отсутствие выступающихчастей, что позволяет совмещать их излучающую поверхность с внешнейповерхностью корпуса летательных аппаратов, не внося при этом дополнительногоаэродинамического сопротивления;
— сравнительно несложноевозбуждающее устройство и простота в эксплуатации.
Основным недостатком ВЩАявляется ограниченность диапазонных свойств. При изменении частоты внесканирующей ВЩА луч отклоняется от заданного положения в пространстве, чтосопровождается изменением ширины ДН и нарушением согласования антенны с питающимфидером.
2. Основные параметрыщели в волноводе
Щель, вырезанная в волноводе, будет возбуждаться, если ее широкая сторонапересекает токи, текущие по внутренним стенкам. При построении ВЩА на основепрямоугольного волновода с основной волной Н10 необходимо учитывать,что в широкой стенке волновода имеются продольные и поперечные составляющиеповерхностного тока, а в узкой стенке – только поперечные. Щели могут бытьвырезаны в широкой и узкой стенках волновода.
Рассмотрим щель, расположенную на широкой стенке волновода продольно поотношению к осевой (средней) линии широкой стенки (рис.1).
/>
Рис. 1
Такая щель возбуждается поперечной составляющей тока, если она смещенаотносительно средней линии на расстояние х1. При х1=0излучение щели отсутствует. Изменяя величину смещения щели х1, можнорегулировать интенсивность ее излучения.
При возбуждении щели токами, текущими по внутренним стенкам волновода,происходит излучение электромагнитной энергии как во внешнее пространство, таки в волновод. Для анализа работы щели вводят понятия внешней и внутреннейпроводимостей щели, определяемых внешним и внутренним излучением щелисоответственно. Зная величины данных проводимостей, можно определитьрезонансную частоту щелей разной длины и проследить ее зависимость отрасположения на стенке волновода.
Как известно, щель, прорезанная в волноводе, нарушает режим его работы, вызываяотражение энергии: часть ее излучается, остальная проходит дальше по волноводу.Таким образом, можно считать, что щель служит нагрузкой для волновода, накоторой рассеивается часть мощности, эквивалентной мощности излучения. Поэтомудля упрощения анализа можно заменить волновод эквивалентной двухпроводнойлинией, в которую включены нагрузки параллельно или последовательно взависимости от типа щели (продольная щель эквивалентна параллельному включению,поперечная щель – последовательному).
3. Разновидности ВЩА
По принципу, на котором основана работа ВЩА, различают резонансные инерезонансные волноводно-щелевые антенны.
В резонансных антеннахрасстояние между соседними щелями выбирают равным lВ (щели, синфазно связанные с полем волновода) или lВ/2 (щели, переменно-фазно связанные с полемволновода), где lВ – длинаволны в волноводе, и на конце волновода устанавливают короткозамыкающийпоршень. Таким образом, резонансные антенны являются синфазными и,следовательно, направление их максимального излучения совпадает с нормалью кпродольной оси антенны. Синфазное возбуждение продольных щелей, расположенныхпо разные стороны относительно средней линии, обеспечивается за счетдополнительного фазового сдвига по фазе на 180°, обусловленного противоположными по направлениютоками по обеим сторонам осевой линии широкой стенки волновода.
Резонансную антенну можнохорошо согласовать с питающим фидером в достаточно узкой полосе частот.Действительно, так как каждая щель отдельно не согласована с волноводом, то всеотраженные от щелей волны складываются на входе антенны синфазно и коэффициентотражения системы становится большим. Поэтому обычно отказываются от синфазноговозбуждения отдельных щелей и выбирают расстояние между ними d ¹ lВ/2.
Характерной особенностью получаемой таким образом нерезонанснойволноводно-щелевой антенны (НВЩА) является более широкая полоса частот, впределах которой имеет место хорошее согласование, так как отдельные отраженияпри большом числе излучателей почти полностью компенсируются. Однако отличиерасстояния между щелями от lВ/2 приводит к их несинфазному возбуждению падающейволной и отклонению направления главного максимума излучения от нормали к осиантенны. Для устранения отражения от конца волновода обычно устанавливаютоконечную поглощающую нагрузку.
Как было указано выше,НВЩА имеет хорошее согласование с фидером в достаточно широком диапазоне.Исключение составляет случай, когда d»lВ/2; приэтом отраженные волны складываются в фазе и коэффициент бегущей волны (КБВ) вволноводе резко падает. Подобный характер изменения КБВ при приближениирасстояния между щелями к величине lВ/2носит название эффекта нормали.
Недостатком НВЩА являютсяменьший, чем у резонансных антенн, коэффициент полезного действия (для егоувеличения следует повышать интенсивность возбуждения щелей) и не устранимыеамплитудные искажения (для их уменьшения следует снижать интенсивностьвозбуждения щелей). Исходя из этого, интенсивность возбуждения необходимовыбирать из компромиссных соображений.
4. Особенности антенн доплеровскогоизмерения скорости и угла сноса самолета (антенн ДИСС)
Задача по определению истинного местоположения летательного аппарата (ЛА)в пространстве при воздействии на него метеорологических факторов может бытьрешена, если известны продольная и поперечная составляющие его скорости. Данныевеличины обычно определяются косвенно путем измерения доплеровских частот.Известно [2], что радиосигнал частотой f, отраженный отобъекта (например, от ЛА), движущегося в пространстве со скоростью V,получает дополнительное приращение по частоте
/>,
где a — угол между вектором скорости и радиальнымнаправлением на ЛА. Знак доплеровского приращения положительный, если объектдвижется навстречу источнику радиоизлучения, и отрицательный, если объектудаляется от него.
Антенны ДИСС позволяют,измеряя доплеровские составляющие, определять продольную и поперечную скоростиЛА, и скорость его перемещения в вертикальном направлении. Такие антенныформируют четыре луча так, как показано на рис.2.
/>
Рис. 2
Поскольку доплеровские составляющие, вызванные движением ЛА снекоторой скоростью, в передних и задних лучах имеют разный знак, а случайные(помеховые) составляющие в них приблизительно одинаковы, то, вычитая сигналы совторой пары лучей из сигналов первой пары, можно добиться компенсации помехи и,следовательно, повышения точности измерения скорости ЛА.
Антенны доплеровского измерения скорости и угла сноса самолета частостроятся на основе решеток ВЩА. Для защиты от атмосферных осадков и пылираскрыв антенных решеток закрывают диэлектрической пластиной или помещают всюизлучающую систему в радиопрозрачный обтекатель.
антеннаволновод щель доплеровский
5. Расчёт ВЩА
5.1 Расчёт широкой стенкиволновода
Решим систему уравнений,из которой найдем a и лкр.
/>
/>
а надо выбрать такимчтобы длина волны в волноводе состовляла 0.9 от критической длины волны.
/>
5.2 Расчёт расстояниямежду щелями d, возьмём цmax=-20 град, d найдём решив уравнение:
/>
Таким образом расстояниемежду щелями равно равно:
/>
Сразу рассчитаем узкуюстенку волновода – b, />
5.3 Расчёт числа щелей n
Так как мы рассчитываемнерезонансную щелевую антенну, то необходимо использовать формулу учитывающуюамплитудные искажения:
/>,
где з = 0,95
N необходимо выбрать целым числом,поэтому число щелей равно:
/>.
5.4 Расчёт смещения щелиот широкой стенки волновода – x
Сначала найдемпроводимость щели
/>
Таким образомпроводимость щели равна:
/>
Зная проводимость щелинайдем х:
/>
Решим это уравнениеотносительно x
/>
/>
5.5 Расчёт ширины щели Д,по полосе по зависимости добротности щели от её относительной ширины, найдем х:
/>
/>/>
5.6 Расчёт длины щелитакже произведем исходя из зависимости длины продольной щели от её смещения х:
/>
Так как отношение d/л равно 0,461, а относительноесмещение х/л равно 0,109, то l/л=0.232,следовательно длина щели равна
/>
5.7 Расчет КБВ
/>,
где Г – коэффициентотражения
/>,
где к – волновое число
/>
/>
/>
/>,
Таким образом видим чтона заданной частоте обеспечивается необходимое согласование
/>
Зависимость КБВ отчастоты
В пределах полосыпропусквния осуществляется необходимый коэффициент бегущей волны который по ТЗдолжен быть больше 0.8.
5.8 Расчёт диаграммынаправленности ВЩА
ДН ВЩА рассчитывается какпроизведение ДН множителя решетки на ДН одного излучателя.
ДН одного излучателя
/>
/>
ДН множителя
/>
/>
/>
ДН антенны найдем какпроизведение ДН множителя решетки на ДН одного излучателя
/>
/>
Горизонтальнаякоордината, т. е. угол ц на графике представлена в радианах.
6. Расчёт решётки ВЩА
6.1 расчёт расстояниямежду волноводами
/>
6.2 Расчёт числаволноводов
/>
m=5.653; Возьмём m равным 6.
6.3 Расчёт ДН решетки ВЩА
/>
/>
6.4 Расчёт КНД решеткиВЩА вцелом
/>
7. Конструкция решеткиВЩА
/>
Заключение
В данной курсовой работебыла спроектирована антенна самолетной РЛС, с необходимыми параметрами согласнотехническому заданию.
Списокиспользуемой литературы
1.Антенны и устройства СВЧ / под редакцией Д.И. Воскресенского – М. Радио исвязь. 1989г
2.Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. – М. Высшая школа, 1988г