ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ
РЯЗАНСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедрарадиоуправления и связи
КУРСОВАЯРАБОТА
По дисциплине«Антенны и устройства СВЧ»
«ЛИНЕЙКАИЗ РУПОРНЫХ АНТЕНН»
Выполнила ст. гр. 511
Бражникова Т.М.
Руководитель
Рендакова В.Я.
Рязань, 2008
Содержание
Введение
Анализ технического задания и выбор метода расчета
Расчет одиночного рупора
Расчет диаграммы направленности антенны
Расчет фазирующей секции
Описание конструкции
Заключение
Список литературы
Введение
Волноводно-рупорныеантенны являются простейшими антеннами СВЧ-диапазона.
Они могут формироватьдиаграммы направленности шириной от 100-140о (при раскрывеспециальной формы) до 10-20о в пирамидальных рупорах. Возможностьдальнейшего сужения диаграммы рупора ограничивается необходимостью резкогоувеличения его длины.
Волноводно-рупорныеантенны являются широкополосными устройствами и обеспечивают примернополуторное перекрытие по диапазону. Возможность изменения рабочей частоты в ещебольших пределах ограничивается возбуждением и распространением высших типовволн в питающих волноводах. Коэффициент полезного действия в рупорах высокий(около 100%). Рупорные антенны просты в изготовлении.
Недостатками рупорныхантенн являются: а)громоздкость конструкции, ограничивающая возможностьполучения узких диаграмм направленности; б) трудности в регулированииамплитудно-фазового распределения поля в раскрыве, которые ограничиваютвозможность снижения уровня боковых лепестков.
Рупорные излучатели могутприменяться как самостоятельные антенны или в качестве элементов более сложных антенныхустройств.
Анализ техническогозадания и выбор метода расчета
По техническому заданиюна курсовую работу требуется спроектировать линейку из рупорных антенн. Вкачестве одиночного излучателя используется пирамидальный рупор.
Примем следующие обозначения:параметры рупора, рассчитываемые в Н-плоскости, будем обозначать индексом 1;параметры рупора, рассчитываемые в Е-плоскости, будем обозначать индексом 2. Нарис. 1 обозначены: а1, а2 – размеры раскрыва рупора; h1, h2 – длины рупора; θ1, θ2– углы раскрыва рупора.
Будем использоватьследующую методику расчёта рупорного излучателя. По заданной рабочей частотевыберем возбуждающий волновод. По заданным размерам раскрыва рупора найдемкоэффициент направленного действия одиночного излучателя и его геометрическиеразмеры. При выборе длины рупора учтем два условия.
1) Максимум КНД рупоразаданной длины достигается при определенном значении величины фазовыхискажений. Такой рупор называют оптимальным. Пирамидальный рупор оптимален,если максимальные искажения в Н-плоскости составляют 135о, а вЕ-плоскости – 90о.
/>, откуда />
/>, откуда />. [1]
2) Для пирамидальногорупора найденные длины могут быть различными и не совместимыми. Поэтомунеобходимо обеспечить правильную стыковку рупора с волноводом.
Для расчета диаграммынаправленности пользуются интегральными выражениями [3]:
/>,
/>.
Эти формулы для расчетаполя излучения рупоров сравнительно сложны и расчет по ним получаетсятрудоемким. Для оптимального рупора, фазовые искажения которого не превышаютмаксимально допустимых, расчет можно проводить по формулам
/>,
/>,
которые не приводят ксущественным погрешностям[3].
Диаграмма направленностисложной антенны определяется произведением двух множителей: диаграммы одногоизлучателя Fизл(θ) на множитель решетки Fn(θ) [1]:
/>.
Требуется, чтобы антеннавозбуждала поле с вращающейся поляризацией.
Для этого установим враскрывах рупоров фазирующие секции.
По заданию необходимообеспечить работу антенны в синфазном и несинфазном режиме. Если все излучателипитаются синфазно, то луч направлен по нормали к линии расположенияизлучателей. При несинфазном режиме работы фаза токов излучателей в направленииоси Y изменяется по линейному закону.
Изменение разности фазполей излучателей, обусловленное изменением разности фаз их токов, ведет кизменению направления максимального излучения антенны. Если основной лепестокДН множителя при отклонении луча будет выходить за пределы основного лепесткаДН одного излучателя, то уровень боковых лепестков резко увеличится. Поэтомувозьмем максимальное отклонение ДН антенны от нормали к ее поверхности равноеширине ДН ее излучателей по мощности по уровню 0,7.
φmax = φ0,7изл
Электрическое управлениеположением антенного луча будем осуществлять при помощи фазовращателей, которыеобеспечивают изменение сдвига по фазе между токами в излучателях антенны.
Качество антеннхарактеризуется коэффициентом усиления антенны, равным произведению КНД накоэффициент полезного действия антенны. Для рупорных антенн можно считать, чтомощность потерь значительно меньше мощности излучения, благодаря чему КПДантенны можно принять равным единице[1].
Расчет одиночногорупора
Рассчитаем длину волны λ и волновое число k:
/>,
где с= 3*108 м/с – скорость света.
/>,
/>.
Выбор размеровпоперечного сечения прямоугольного волновода производится из условияраспространения в волноводе только основного типа волны Н10:
/>
По полученному значению λ выберем волновод марки R100 c размерами a*b=22.86*10.16 мм.
Рассчитаем коэффициентнаправленного действия рупора:
/>,
/>.
Найдем значения оптимальныхдлин рупора в плоскостях E и H:
/>,
/>.
Используем уравнение стыковкирупора с волноводом[1]:
h1 (1-a/a1) = h2(1-b/a2).
Чтобы фазовые искажения враскрыве не превысили допустимых, большее значение длины h принимаем за постоянное число и выражаем меньшее значениечерез большее:
/>, />
Рассчитаем углы раскрыварупорной антенны:
/>,
/>.
Рассчитаем и построим ДНрупора.
а) В плоскости Е
/>, />.
/>
Рис. 3. Диаграмманаправленности рупора в плоскости Е
Ширина ДН по уровню 0,5: φ0,5= 5,4о.
б) В плоскости H
/>,
/>.
/>
Рис. 4. Диаграмманаправленности рупора в плоскости Н
Ширина ДН по уровню 0,5: φ0,5= 4,9о
Расчет диаграммынаправленности антенны
1. Синфазный режимработы.
Диаграмма направленностилинейки из рупорных антенн:
/>.
Множитель решеткиопределяется формулой:
/>,
где d – расстояние между излучателями.
В ДН множителя будутнесколько дифракционных максимумов. Так как размеры раскрыва одного рупораравны 20*30 см, то не выполняется условие /> обеспечивающее существование одного максимума[1]. Но до тех пор, пока дифракционныемаксимумы находятся за пределами основного лепестка ДН одного излучателя, в ДНрешетки их не будет, так как они уничтожаются при перемножении диаграмм. Исходяиз этого, определим расстояние между излучателями dopt, при котором в ДН линейкиизлучателей начинают появляться дифракционные лепестки:
dopt= λ/sin(φ0 изл).
По ДН одиночного рупоранаходим, что в обеих плоскостях (Н- и Е-плоскости) φ0 изл = 9о,тогда
dopt = 3.1/sin9o= 19.8 см.
Полученное значение dopt близко по значению размера раскрыварупора в плоскости Е а2=20 см, поэтому возьмем расстояние междуизлучателями d = 20 см. Тогда расположение рупоров в антенне будет таким как изображено на рис. 5
Учитывая, что длясинфазной линейки излучателей ∆ψ = 0, найдем диаграмму направленностивсей антенны в плоскости Е по следующей формуле:
/>,
/>.
/>
Рис. 6. Диаграмманаправленности синфазной антенны
Ширину диаграммынаправленности антенны по нулевому уровню и по уровню 0,5 определим следующимобразом [3]:
/>,
/>.
Уровень боковыхлепестков:
/>.
Положение первого дифракционногомаксимума определим по формуле:
φдиф = ± arcsin(p·λ /d),
где р – номердифракционного лепестка.
φдиф = ± arcsin(3,1 / 20) = ±8,9о.
Диаграмма направленностилинейки излучателей в Н — плоскости будет такой же, как и у одного излучателя вН – плоскости.
2. Несинфазный режимработы.
Рассчитаем максимальноеотклонение ДН антенны от нормали к ее поверхности:
φmax = φ0,7изл .
По графику ДН одиночногорупора в плоскости Е (рис. 3) определяем, что φmax = 4о.
Расстояние междуизлучателями решетки с электрическим качанием луча должно быть меньшеоптимального [3]. В нашем случае размер раскрыва рупора в плоскости, в которойпроисходит отклонение луча, равен оптимальному значению. Таким образом,уменьшить расстояние между излучателями невозможно, а значит, дифракционныелепестки множителя решетки будут входить в основной лепесток ДН излучателя. Этоприведет к росту боковых лепестков ДН антенны.
Разность фаз токовизлучателей ∆ψ найдем из формулы, определяющей направлениемаксимального излучения[3].
/>,
/>,
/>.
Диаграмму направленностиантенны в несинфазном режиме найдем перемножением диаграммы одного излучателя вЕ-плоскости F2(θ2) на множитель решетки Fn(θ2) при ∆ψ= 2,8 рад.
/>
/>
/>
Рис. 7. Диаграмманаправленности антенны в несинфазном режиме работы
Рассчитаем коэффициентнаправленного действия и коэффициент усиления антенны.
/>,
где Sа = S·n – площадь излучающей поверхности антенны.
/>
/>
Расчет фазирующейсекции
Фазирующая секцияпредставляет собой систему прямоугольных параллельных пластин, устанавливаемыхв раскрыве рупора (рис. 8).
Расстояние междупластинами r лежит в пределах λ/2
/>,
/>.
Секцию в раскрыверасполагаем так, чтобы вектор электрического поля был под углом 45ок пластинам. Это объясняется тем, что поле с вращающейся поляризацией можнорассматривать как совокупность двух линейно поляризованных волн. Плоскостиполяризации этих волн должны быть взаимно перпендикулярны, а разность фазсоставлять 90о.
Распространяясь под углом45о, вектор Е может быть разложен на две составляющие Еn и Еtg. Составляющая Еn движется между пластинами соскоростью света с, так как пластины на нее влияния не оказывают. Составляющая Еtg, параллельная пластинам,распространяется между ними как в волноводе с повышенной фазовой скоростью.Вследствие различия фазовых скоростей у составляющих Еn и Еtg набег фазы при прохождении системы пластин длинной l = 2,1 см будет составлять 90о.
При заданном размерераскрыва рупора и вычисленных размерах пластин, их количество в секции составляет18 штук.
Описание конструкции
Антенна, состоящая излинейки рупоров, имеет 20 излучателей. Рупора плотно прилегают друг к другусторонами раскрыва, имеющими больший размер. Ширина диаграммы направленностиантенны по уровню 0,5 в Н-плоскости φ0,5 = 4,9о, вЕ-плоскости φ0,5 = 0,4о.
Отклонение луча приработе антенны в несинфазном режиме происходит в Е-плоскости.
Питание осуществим спомощью схемы с фидерным распределением типа «елочка» с параллельнымфазированием. Постепенное деление мощности производится при помощи волноводныхтройников типа Е. Генератор, питающий антенну, имеет волноводный выход.Фидерный тракт выполняется в виде прямоугольного волновода с волной Н10.Волноводный фидер непосредственно переходит в волновод, возбуждающий рупор.
При размерах раскрыварупора в несколько длин волн можно считать, что отражений от раскрыва непроисходит, аналогично можно пренебречь отражением от горловины рупора, так какуглы раскрыва малы и соответствуют оптимальным размерам рупора[2].
Для создания поля свращающейся поляризацией в раскрыве каждого рупора устанавливаются фазирующиесекции.
антенна рупорволноводный фазирующий
Заключение
При выполнении даннойкурсовой работы была рассчитана антенна, состоящая из линейки рупорных антенн.Для получения более качественных характеристик расчет проводился дляоптимального рупра. Проведенный расчет соответствует требованиям техническогозадания.
Список литературы
1. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенныхрешеток и их излучающих элементов / Под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Сов. радио,1972.
2. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства.М.: Сов. радио, 1974.
3. Антенны и устройства СВЧ: Методические указания клабораторным работам. Часть 1 / Под ред. А.В. Рубцова. Рязань, 2006.
4. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированныхантенных решеток / Под ред.Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1994.