Линейная решётка рупорных антенн

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

1. Теоретическая часть

2. Расчёт основных электрических и геометрических параметров линейной решётки рупорных антенн и её элементов

3. Конструктивный расчёт и разработка конструкции АФУ

4. Описание конструкции

Заключение

Библиографический список

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

1- угол раствора рупора

O2- вторая вершина рупора

h2- вторая длина (высота) рупора

2- 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:

гдекоэффициент, 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:

1., 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:

2., 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 волновода WR-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 двухили 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 Eтипа, либо Hтипа

· 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

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» 1988 год

3. А. С. Лавров, Г. Б. Резников «Антенно-фидерные устройства» Москва «Советское радио» 1974 год Под 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, 1998 год

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