Волноводно-рупорная антенна

Содержание Введение

1. Расчет геометрических размеров раскрыва и параметров амплитудно-фазового распределения возбуждения поля на раскрыве антенны

2. Расчет нормированной амплитудной диаграммы направленности и максимального коэффициента направленного действия антенны Заключение Список используемой литературы

Введение

Большинство антенных устройств сантиметрового и миллиметрового поддиапазонов УКВ диапазона (рупорные, линзовые, зеркальные) излучают из раскрывав (апертур) плоской формы; для получения высокой направленности размеры раскрывав обычно значительно превышают длину волны.

Волноводно — рупорная антенна используется в антенной технике как самостоятельная антенна, так и в составе более сложных антенн. Сущность изобретения: волноводно — рупорный излучатель содержит отрезок короткозамкнутого металлической пластиной волновода, в E-плоскости которого, посередине, размещены два продольных металлических гребня с плавно изменяющимся зазором между ними, возбудитель и отверстие для фидера. Металлические гребни выполнены в виде металлизации одной из сторон диэлектрической пластины, установленной в E-плоскости излучателя, по другой стороне которой выполнен в виде металлизации изогнутый проводник, пересекающий в проекции зазор между металлическими гребнями на расстоянии л/4 металлической пластины, где в — максимальная рабочая длина от длины волны в волноводе, и образующий в этом месте возбудитель, не имеющий гальванического контакта с металлическими гребнями, причем отверстие для фидера расположено в металлической пластине, а фидер — в виде несимметричной полосковой линии, экраном которой является первый из металлических гребней, а полоском — часть изогнутого проводника, расположенная между отверстием для фидера и возбудителем, при этом остальная часть изогнутого проводника, между его концом и возбудителем, вместе с вторым металлическим гребнем образуют разомкнутый отрезок несимметричной полосковой линии длиной л/4, где л — максимальная рабочая длина волны в полосковой линии. Изобретение обеспечивает уменьшение массы, поперечных размеров и упрощение технологии изготовления излучателя.

Волноводно-рупорные антенны находят применение в сантиметровом дециметровом поддиапазонах УКВ как самостоятельные антенны, как облучатели линз и зеркал и как элементы фазированных антенных решеток (ФАР). Волноводно рупорные антенны обладают следующими достоинствами: простота конструкции, высоким КПД, широкополостностью.

Рис. 1. Антенна в виде в Еплоскостного секториального рупора в трехмерной системе координат

1. Расчет геометрических размеров раскрыва и параметров амплитудно-фазового распределения возбуждения поля на раскрыве антенны АФР возбуждения на раскрыве Е — плоскостного секториального рупора в этой плоскости полностью совпадает с АФР возбуждения в плоскости ХOZ антенны в виде открытого конца прямоугольного волновода:

(где =0,1; р=2), где — размер стенки раскрыва рупора в плоскости XOZ, равный размеру широкой стенки питающего прямоугольного волновода;

Рисунок 2 — Форма раскрыва и вид АФР возбуждения Нормированное амплитудное распределение возбуждения в плоскости YOZ («Е») равномерное: А (у) = 1.

Фазовое распределение возбуждения — квадратичное

(с максимальной фазовой ошибкой

где — изменяющийся размер стенки рупора, — длина рупора) Приближенно ширину ДН по уровню половинной мощности в плоскости «Н» (XOZ)исходя из АФР в плоскости «Н» можно определить по формуле:

где коэффициент, который зависит то АФР возбуждения в плоскости «Н» на раскрыве.

где — коэффициент, который зависит от АФР возбуждения в плоскости «Е» на раскрыве,

bp — размер излуч. раскрыва в плоскости «Е».

Зная частоту, определим длину волны

;

Тогда размер раскрыва в плоскости Н:

;

Аналогично размер раскрыва в плоскости «Е» равен:

Таким образом, размеры раскрыва в главных плоскостях определены.

Найдем длину рупора по формуле:

и угла раствора рупора:

Рисунок 3 — Графики зависимостей

Графики амплитудных и фазовых распределений возбуждения поля на раскрыве антенны в главных плоскостях, рассчитанные по выражениям (1)-(4) приведены на рисунках 4−7.

Рассчитаем

де bpopt — изменяющийся размер стенки рупора, RE — длина рупора.

Так как, то нет необходимости производить оптимизацию антенны.

Рисунок 4 — Амплитудное распределение возбуждения в плоскости Н Рисунок 5 — Фазовое распределение возбуждения в плоскости Н ФE (y)

фазовое распределение возбуждения Рисунок 6 — Амплитудное и фазовое распределение возбуждения в плоскости Е Данная антенна удовлетворяет заданным техническим нормам после оптимизации.

2. Расчет нормированной амплитудной диаграммы направленности и максимального коэффициента направленного действия антенны Диаграмма направленности антенны определяется размерами раскрыва и распределением поля в нем. Обычно прибегают к приближенным методам нахождения ДН, считая, что поле на конце волновода представляет собой сумму падающей и отраженной волн основного типа колебаний. Высшие типы волн, которые неизбежно возникают при отражении от открытого конца волновода, и токи, появляющиеся на внешней поверхности волновода, при этом не учитываются. В некоторых случаях для упрощения решения пренебрегают и отраженной от открытого конца волновода волной. Для определения ДН обычно применяют метод Гюйгенса-Кирхгофа и принцип эквивалентности. Полученное таким путем приближенное решение достаточно хорошо соответствует ДН в переднем полупространстве при частоте возбуждения волновода значительно выше критической для данного типа волны. Применяемые на практике соотношения частот возбуждения волновода и его критической частоты, как правило, позволяют пользоваться результатами расчетов.

Расчет диаграммы направленности целесообразно произвести в двух плоскостях — XOZ и YOZ.

В соответствии с теоремой перемножения ДН можно записать:

(9)

где — амплитудная ДН элементарного источника излучения, из которых состоит антенна (диполь Герца, элементарный магнитный вибратор, источник Гюйгенса)

— амплитудный множитель системы, вид которого зависит от типа антенны и полностью определяется АФР тока в излучающей системе.

В случае плоского раскрыва элементарным источником излучения является источник Гюйгенса, ДН которого определяется выражением:

(10)

волноводная рупорная антенна Для расчета ДН по формуле (10) воспользуемся готовыми формулами для вычисления множителя системы в главных плоскостях.

Множитель системы открытого конца прямоугольного волновода в главных плоскостях определится как для линейных антенн:

а) в плоскости Е — как для линейной антенны с равномерным распределением амплитуд и фаз;

б) в плоскости Н — как для линейной антенны с квадратичным распределением амплитуд и равномерным распределением фаз;

С учетом этого можно записать:

(11)

где .

Соответственно в плоскости «Н»:

(12)

где .

В этих формулах отсчет углов наблюдения ведется от нормали к раскрыву. Расчетный диапазон угловых координат выберем от -90°<�и<+90°.

Расчеты по формулам (11) и (12) для плоскостей Н (XOZ) и Е (YOZ) сведем в таблицу 1.

Таблица 1

Рисунок 8 — Нормированная ДН в плоскости XOZ в декартовых координатах Рисунок 9 — Нормированная ДН в плоскости XOZ в полярных координатах Рисунок 10 — Нормированная ДН в плоскости YOZ в декартовых координатах Рисунок 11 — Нормированная ДН в плоскости YOZ в полярных координатах С помощью рисунков 8 и 10 определим параметры ДН раскрыва:

— ширина главного лепестка в плоскости XOZ

— ширина главного лепестка в плоскости YOZ

— максимальный уровень бокового излучения

.

Выводы: рассчитанная антенна удовлетворяет заданным условиям.

КНД антенны с плоским раскрывом можно рассчитать по формуле:

где — коэффициент использования поверхности раскрыва (КИП), определяемый по рисунку 12

Конструктивный чертёж антенны и форма ДН в главных плоскостях приведены в приложении, А и Б соответственно.

Рисунок 12 — КИП плоского раскрыва

Заключение

В данном курсовом проекте расчет антенны проводился на основе теоретических и экспериментальных данных.

Амплитудно-фазовое распределение возбуждения выбрано разделяющимся. На раскрыве такой антенны в плоскости Е имеется равномерное распределение амплитуды и фазы поля, в плоскости Н — комбинированное распределение амплитуды поля и квадратичное распределение фазы.

Раскрыв обладает довольно узкой ДН и высоким КНД.

При расчете не учитывалось отражение от края волновода, краевой эффект и другие явления, присущие реальным антеннам.

Данный Е — плоскостной секториальный рупор может применяться как самостоятельная антенна Е — плоскостной секториальный рупор имеет вертикальную линейную поляризацию ЭМП.

Список используемой литературы

1. Антенны и распространение радиоволн. Методические указания по выполнению курсовой работы. Составитель В. Н. Горбатенко. Минск, 2009 г.

2. Жук М. С., Молочков Ю. Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. М; Энергия, 1966 г.

3. Хохлов Г. В. и др. Антенные системы РЭС. М.;Воен.издат., 1978 г.

4. Леонов А. И., Фомичев К. И. Моноимпульсная радиолокация. М.; Радио и связь, 1984 г.

5. Фрадин А. З. Антенно-фидерные устройства. М.; Связь, 1977 г.

6. Горбатенко В. Н. Антенны и распространение радиоволн. Ч.1 -Мн.; изд. МГВАК, 2006 г.

7. Горбатенко В. Н. Антенны и устройства СВЧ. Ч.2 — Мн.; изд. МГВАК, 2009 г.