Расчёт волноводно-щелевой антенной решётки

Курсовая работа

по курсу: «Антенны и устройства сверхвысоких частот»

Тема: «Расчёт волноводно-щелевой антенной решётки»

Задание по курсовой работе

1. Тема проекта Волноводно-щелевая антенная решетка резонансного типа

2. Срок сдачи законченного проекта 15мая 2008 года.

3. Исходные данные к проекту:

Входные данные для проекта Таблица 1

Данные для расчета антенны Таблица 2

Щели в качестве излучающих элементов или самостоятельных антенн широко используется в технике СВЧ. Волноводно-щелевые линейные антенные решетки обеспечивают сужение диаграммы направленности в плоскости, проходящей через ось волновода.

Основными достоинствами ВЩАР являются:

1. Ввиду отсутствия выступающих частей, излучающая поверхность ВЩР может быть совмещена с внешней поверхностью корпуса летательного аппарата, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления (бортовая антенна).

2. В них могут быть реализованы оптимальные ДН, так как законы распределения поля в раскрыве могут быть различными за счет изменения связи излучателей с волноводом.

3. Они имеют сравнительно простое возбуждающее устройство, просты в эксплуатации.

Недостатком ВЩАР является ограниченность диапазонных свойств. При изменении частоты в несканирующей ВЩАР происходит отклонение луча в пространстве от заданного положения, сопровождающееся изменением ширины ДН и ее согласования с питающим фидером.

Волноводно-щелевые антенны, используемые в качестве излучателя, имеют несколько щелевых вибраторов, прорезанных в волноводе. Щель обладает резонансными свойствами. Резонансная длина щели приблизительно равна 2l? л0 / 2. Прорезанная в волноводе щель имеет однонаправленное излучение и может быть прорезана в широкой и узкой стенках волновода. При этом продольная щель в широкой и узкой стенках эквивалентна параллельно включенному в линию сопротивлению, поперечная щель в широкой стенке — включенному последовательно.

Сопротивление щели зависит от места расположения в волноводе. В тех случаях, когда необходимо обеспечить согласование антенны с трактом, меняют место расположения щели или поворачивают её. Например, продольная щель в центре широкой стенки волновода почти не излучает; если же её поворачивать или смещать в сторону боковых стенок, то излучение увеличивается; поперечная щель в узкой стенке волновода также почти не излучает, но при её повороте излучение увеличивается. Ширина щели определяется из условия электрической прочности. Увеличение ширины щели увеличивает её электрическую прочность и уменьшает резонансную длину, которая становится меньше л0 / 2. Для получения узкой диаграммы направленности применяют многоэлементные волноводно-щелевые антенны.

Если антенны состоят из N продольных щелей, расположенных на расстоянии лв / 2, то для достижения полного согласования сопротивление каждой щели должно быть больше волнового сопротивления волновода в N раз. Аналогично этому сопротивление поперечной щели должно быть меньше волнового сопротивления волновода в N раз. Если щели возбуждены синфазно, то максимум главного лепестка будет ориентирован перпендикулярно плоскости расположения щелей, причём в плоскости, перпендикулярной продольной оси волновода, ДН будет широкой, а в плоскости, содержащей ось волновода, — узкой и тем уже, чем больше длина антенны.

Достигнуть синфазного возбуждения антенны можно двумя способами: выбором расстояния между соседними щелями, равным лв или лв / 2. В обоих случаях резонансные решетки имеют синфазное возбуждение всех щелей (с учетом дополнительного сдвига фаз соседних продольных щелей на, за счет их взаимного расположения по разные стороны от середины широкой стенки).

Синфазные антенны обычно работают в режиме стоячей волны, для обеспечения которого в конце антенны устанавливают коротко-замыкающий поршень. Расстояние между поршнем и последней щелью должно быть таким, чтобы щели находились в пучности стоячей волны в волноводе. Синфазные многощелевые антенны являются резонансными.

1. Патентный поиск

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к волноводно-щелевым антенным решеткам. Задачей изобретения является подавление паразитных дифракционных лепестков в диаграмме направленности антенной решетки при использовании многомодового волновода без диэлектрического заполнения и улучшения согласования антенны. Задача решается таким образом, что в волноводно-щелевой решетке, содержащей полый многомодовый прямоугольный волновод с высотой, не превышающей половины длины волны, запитываемый с одного входа линейной волноводно-щелевой решеткой, возбуждающей в волноводе синфазный фронт волны, с выполненной в широкой стенке волновода плоской периодической решеткой, состоящей из поперечных к оси волновода щелевых излучателей, расположенных в узлах прямоугольной сетки координат, по широкой стенке волновода над излучателями симметрично установлены прямоугольные металлические скобы с высотой, не превышающей половины длины волны, и шириной в половину длины волны.

Рис. 1

Изобретение относится к антенной СВЧ-технике. Техническим результатом изобретения является обеспечение одновременной работы с двумя взаимно ортогональными поляризациями на двух входах антенной решетки, увеличение кпд решетки, уменьшение толщины излучающего полотна. Технический результат достигается тем, что антенная решетка состоит из двух, вложенных одна в другую подрешеток, каждая из которых содержит отрезки волноводов с излучающими щелями, наклоненными к осям этих волноводов под углом 45o и ортогональными излучающим щелям другой подрешетки, управляемого фазовращателя, двух волноводных делителей, один из которых питает одну подрешетку, а другой — другую, причем n-отрезков волноводов с излучающими щелями в каждой подрешетке имеют П-образный профиль с размером широкой стенки меньшим или равным половине длины волны в свободном пространстве, вплотную примыкают друг к другу, образуя единую излучающую апертуру с общим количеством отрезков волноводов 2n, излучающие щели в которых прорезаны в серединах широких стенок, а по обе стороны от продольной оси каждой щели на расстоянии d равном четверть длины волны от нее, на уровне ее центра перпендикулярно широкой стенке установлены электрические вибраторы высотой h равной половине длины волны, имеющие с этой стенкой электрический контакт, при этом взаимно ортогональные щели, стоящие рядом и запитываемые соседними отрезками волноводов из различных подрешеток, попарно одинаковы, и в совокупности с относящимися к ним электрическими вибраторами образуют m-элементарных излучателей решетки, расположение этих элементарных излучателей в апертуре имеет шахматный порядок, 2nуправляемых фазовращателей установлены в каждый выходной канал обоих волноводных делителей, по n в каждый делитель, и соединены с соответствующими отрезками волноводов с излучающими щелями, дополнительно введен мост, к двум выходам которого присоединены выходы делителей, а два входа являются входами волноводно-щелевой решетки.

2. Условные обозначения, используемые в курсовом проекте

а — внутренняя ширина волновода, м;

в — внутренняя высота волновода, м;

л0 — резонансная длина волны антенны, м;

лкр — критическая длина волны в волноводе, м;

лвдлина волны в волноводе, м;

d — расстояние между щелями, м;

N — количество щелей;

2l — длина щели, м;

Рпр — предельная допустимая мощность в волноводе, Вт (кВт);

Епр — предельно допустимая напряжённость электрического поля в волноводе, кВ/см.

RУ — сопротивление излучения эквивалентного симметричного вибратора, Ом;

Um — амплитуда напряжения в пучности, В;

d1 — ширина щели, м;

x1 — расстояние от щели до середины волновода, м;

d2 — расстояние от середины последней щели до конца антенны, м;

L — длина антенны, м;

D0- коэффициент направленного действия антенны;

з — коэффициент полезного действия антенны;

G — коэффициент усиления антенны.

3. Анализ задания

Для расчёта антенны выбирается волновод с диапазоном частот, соответствующим заданию. Выбран волновод МЭК-26 со следующими параметрами:

диапазон частот 2,17 — 3,30 ГГц;

размеры:

внутренняя ширина волновода a = 0,8 636 м;

внутренняя высота волновода b = 0,4 318 м;

внешняя ширина волновода a1 = 0,0904 м;

внешняя высота волновода b1 = 0,0472 м;

толщина стенок 0,203 м;

затухание для медных стенок на частоте 3,12 ГГц. 0,0173 ДБ/м;

мощность пробоя, кВт 10 860.

Амплитудное распределение по антенне выбирается равномерное. Щели выбираются продольные, с переменно-фазной связью с полем волновода.

4. Анализ распространения радиоволн

Данная рабочая частота антенны, рассчитывается на прием сантиметровых длин волн. На данной диапазоне не проявляется ионосферная рефракция, Но тропосферная рефракция имеет место. Так как длина волны сантиметрового и в особенности миллиметрового диапазонов соизмеримы с размерами частиц среды (капли воды, присутствующие в виде тумана или дождя), то присутствует эффект поглощения энергии.

Поглощение радиоволн капельками воды происходит из-за того, что при прохождении радиоволны через такую среду в каждой капельке наводятся токи поляризаций, вызывающие тепловые потери. Эти потери возрастают с уменьшением длины волны и уменьшаются с ее увеличением. При л>10 см поглощение ничтожно.

Потери происходят из-за рассеивания радиоволн капельками воды. Движение токов, наведенных первичной волной в капельках, индуцирует вторичное излучение, причем капелька излучает равномерно во всех направлениях. Это приводит к рассеиванию, поскольку не вся энергия передается в первоначальном направлении

5. Расчет волноводно-щелевой антенной решетки резонансного типа

Критическая длина волны (для Н10):

Резонансная длина волны:

Длина волны в волноводе:

Расстояние между щелями

Количество щелей находится из формулы:

;

откуда

Резонансная длина щели:

.

Ширина щели выбирается исходя из условий обеспечения необходимой электрической прочности и требуемой полосы пропускания. Найдём ширину щели из условия:

Предельно допустимая мощность электромагнитной энергии, проходящей по волноводу:

где л0, a, b — в сантиметрах, Епр — предельно допустимая напряженность электрического поля в волноводе [кВ/см] (при выборе ширины щели d1 должен обеспечиваться двухили трёхкратный запас по пробивной напряжённости поля для середины щели, где напряжённость поля максимальна);

Внешняя проводимость излучения щели в волноводе:

где RУ — сопротивление излучения эквивалентного симметричного вибратора.

Пробивное напряжение для щели:

Амплитуда напряжения в пучности при равномерном амплитудном распределении по раскрыву антенны:

Так как пробивное напряжение для щели меньше этого значения, то и предельная мощность, излучаемая антенной, будет меньше предельной мощности энергии, проходящей по волноводу. Из последней формулы можно

выразить предельную мощность, излучаемую антенной, подставляя в качестве Um пробивное напряжение для щели:

Для нахождения смещения щели относительно середины широкой стенки волновода рассчитывается (энергетическим методом) эквивалентная нормированная проводимость n-й щели:

где gвх — входная проводимость антенны, f (zn) — амплитудное распределение.

Подставляя эквивалентную проводимость в формулу:

находим x1:

Длина антенны:

В резонансной антенне вместо поглощающей нагрузки устанавливают короткозамыкающий поршень на расстоянии d2 от середины последней щели:

Коэффициент направленного действия антенны с переменно-фазными щелями:

;

Коэффициент затухания:

где д = 6,25М107 См/м — проводимость металла стенок волновода (медь).

Коэффициент полезного действия антенны:

;

Коэффициент усиления антенны:

;

Нормированная диаграмма направленности антенны:

F (и, ц) = F1 (и, ц) МFn (и, ц),

где F1 (и, ц) — диаграмма направленности одного излучателя,

Fn (и, ц) — множитель антенной решетки, равный Диаграмма направленности антенны в плоскости Н:

где

Рис. 2 — Диаграмма направленности антенны в плоскости Н Рисунок 3 — Диаграмма направленности антенны

6. Измерение параметров антенны

Измерение диаграммы направленности антенны.

Рисунок 4

Для измерения диаграммы направленности антенны используют две антенны: вспомогательную (слева) и исследуемую (справа). Вспомогательная антенна излучает постоянную не меняющуюся во времени мощность, а исследуемой антенной принимается часть электромагнитной волны и исследователь может фиксировать ток в зависимости от угла. Таким образом, снимается диаграмма направленности в плоскости Н. Для снятия ДН в плоскости Е обе антенны поворачивают на 90° по общей оси.

Зависимость тока от углов сводятся в таблицу, по которой строят диаграмму направленности.

Измерение КНД антенны (метод эталонной антенны).

Для измерения КНД используют эталонную антенну с известным GЭТ (слева) и исследуемую антенну (справа). При помощи аттенюатора добиваются того же значения тока, что и в эталонной антенне.

Вычисление КНД производят следующим образом:

G=GЭТ+DА (дБ),

где DА — коэффициент затухания в аттенюаторе.

Рисунок 5

Исследование фазовой характеристики антенны.

Рисунок 6

Производят те же действия, что и в пункте 1 (измерение диаграммы направленности), но снимают зависимость фазы поля от угла в пространстве при неизменных условиях возбуждения антенны.

В технике измерения ФХН существует понятие: поверхность равных фаз — это некая поверхность в пространстве, начальная фаза поля на которой одинакова с точностью до р. Если поверхность равных фаз имеет форму сферы, то говорят, что антенна имеет фазовый центр, совпадающий с центром этой поверхности.

Измерение поляризационной характеристики направленности антенны.

Рисунок 7

Для измерения поляризационной характеристики направленности антенны используют измерительную антенну с линейной поляризацией и исследуемую антенну. Одну из антенн вращают вокруг прямой, соединяющей две антенны и записывают зависимость уровня сигнала от угла поворота. После чего полученные данные анализируют и делают вывод о поляризационной характеристике направленности антенны.

7. Параметры передачи и приема

Для передающих антенн рассчитывается напряженность электрического поля, либо плотность потока мощности, создаваемого антенной на расстояниях 10, 25, 50 и 75 км:

Эффективная площадь антенны:

Мощность излучения передающей антенны:

Так как по заданию сказано, что параметры приемной и передающей антенн идентичны, то мы берем для расчета одинаковые значения параметров приемной и передающей антенн.

Коэффициенты усиления передающей и приемной антенн:

Мощность в приемной антенне:

Между приемной антенной и входом расположен фидер, который влияет на сигнал на входе приемника посредством своего КПД, который всегда меньше единицы и вносит основные потери во всей системе.

КПД фидера:

Таким образом, окончательное значение мощности сигнала на входе согласованного приемника:

Плотность потока мощности на единице поверхности приемной антенны:

8. Эмс, безопасность и экология производства при разработке антенны

радиоволна антенна излучение передача Воздействие электромагнитных излучений на организм человека.

Источники излучений Электромагнитные излучения радиочастот широко применяются в радиосвязи, радиовещании, телевидении, астрономии, радиоспектроскопии, ядерной физике, радиолокации, современной технологии.

Источниками электромагнитных излучений ВЧ и УВЧ являются индукторы, конденсаторы, ВЧ-трансформаторы, фидерные линии, усилители мощности, при работе которых в окружающем их пространстве создаются электромагнитные поля. Причиной появления электромагнитных полей в рабочих помещениях является некачественное экранирование источников излучения.

Источниками СВЧ-энергии являются электровакуумные приборы миллиметрового, сантиметрового и дециметрового диапазонов (магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны, лампы обратной волны), лазеры, генераторы электромагнитных колебаний, излучающие системы — антенна или эквивалент антенны, открытый конец волновода и т. д.

Действие высокочастотных электромагнитных полей на человека Результат облучения организма человека в диапазоне радиочастот примерно одинаков, но наиболее резко все симптомы проявляются в диапазоне 105−108 МГц, а особенно при 108−1011 МГц (диапазон ВЧ-СВЧ). Оценить опасность облучения возможно, определив поглощенную телом мощность W [Вт] по формуле: W=у•Sэф, где у — плотность потока мощности Вт/м2, Sэф — эффективная поглощающая поверхность тела человека.

Значение Sэф определить довольно сложно, так как поверхность тела — это сочетание различных криволинейных поверхностей, по-разному отражающих в различных точках. Кроме того, тело человека представляет собой многослойную структуру, в которой энергия прошедшей волны многократно отражается, преломляется и поглощается тканями неодинаково. Поглощение зависит также от частоты излучения. Так, на частоте до 100 000 Гц размеры тела человека малы по сравнению с длиной волны и диэлектрические процессы в тканях выражены еще слабо. При более высоких частотах, особенно при УВЧ и СВЧ, размеры тела и толщин отдельных слоев тканей соизмеримы с длинами волн. Диэлектрические потери становятся существенными и различными в разных тканях. Сложность расчета заключается еще и в том, что подкожный жировой слой может согласовывать волновое сопротивления воздуха и мышечной ткани, граничащей с жировым слоем, в этом случае количество поглощенной энергии возрастает.

Поглощаемая тканями энергия электромагнитного поля превращается в теплоту. Если механизм терморегуляции тела не способен рассеять избыточное тепло, возможно повышение температуры тела. Органы и ткани человека, обладающие слабо выраженной терморегуляцией, более чувствительны к облучению (мозг, глаза, почки, кишечник и семенники).

Перегревание отдельных тканей и органов ведет к их заболеваниям, а повышение температуры тела на 1 °C и выше недопустимо из-за возможных необратимых изменений. Кроме того, отражение от граничных поверхностей тканей тела и областей расположения костного мозга при определенных условиях приводит к образованию стоячих волн. Чрезмерное возрастание температуры в отдельных участках действия стоячих волн может вызвать повреждение ткани.

Влияние электромагнитных полей заключается не только в их тепловом воздействии. Микропроцессы под действием полей заключаются в поляризации макромолекул тканей и ориентации их параллельно электрическим силовым линиям, что может приводить к изменению их свойств.

Отрицательное воздействие электромагнитных полей вызывает обратимые, а также необратимые изменения в организме: торможение рефлексов, понижение кровяного давления, замедление сокращений сердца, изменение состава крови в сторону увеличения числа лейкоцитов и уменьшения эритроцитов, помутнение хрусталика глаза.

Субъективные критерии отрицательного воздействия электромагнитных полей — головные боли, повышенная утомляемость, раздражительность, сонливость, одышка, ухудшение зрения, повышение температуры тела.

Облучение может быть постоянным или прерывистым. Установлено, что суммарные воздействия прерывистого облучения несколько меньше постоянного или равно ему. Функциональные нарушения, вызванные биологическим действием электромагнитных полей, способны в организме аккумулироваться (накапливаться), но являются обратимыми, если исключить воздействие излучения и улучшить условия труда.

Предельно допустимые нормы СВЧ энергии (плотность потока мощности для частот выше 1 ГГц).

Нормы СВЧ-энергии (плотность потока мощности для частот выше 1 ГГц):

Произведем расчет мощности СВЧ-излучения на заданном расстоянии от источника в случае, когда проводится настройка аппаратуры. Источником излучения служит антенна, диаграмма направленности которой является узконаправленной:

Рсвч=10 Вт — мощность СВЧ-сигнала на выходе излучателя;

R=1 мрасстояние до места приема;

Sсф=4•р•R2=125 600 см2 — площадь сферы;

ППМ=Рсвч/Sсф =79.6 мкВт/см2 — плотность потока мощности СВЧ-сигнала на 1 см².

Расстояние в один метр принято приблизительно, т. к. при настройке антенны человек будет находиться приблизительно на таком удаление от нее. Как видно из расчетов и таблицы «Норм СВЧ-энергии», находиться перед работающей антенной небезопасно и излучение превышает норму.

Однако, как видно из расчета, при удаление от антенны на 2 метра ППМ падает до 19.9 мкВт/см2, а при удаление на 3 и более метра входит в пределы допустимых норм. Т. к. работа данной антенны не предполагает долгого нахождения перед ней человека (автоматизирована) и случайный доступ к ней неосведомленных об опасности людей может быть ограничен путем ее ограждения или расположения на возвышенности; а также за счет узкого главного лепестка ДН, который несет основную мощность, то можно считать эксплуатацию антенны возможной с соблюдением норм техники безопасности.

Требования к коллективным и индивидуальным средствам защиты от неблагоприятного влияния ЭМП.

Коллективные и индивидуальные средства защиты должны обеспечивать снижение неблагоприятного влияния ЭМП и не должны оказывать вредного воздействия на здоровье работающих людей. Коллективные и индивидуальные средства защиты изготавливаются с использованием технологий, основанных на экранировании (отражение, поглощении энергии ЭМП) и других эффективных методах защиты организма человека от вредного воздействия ЭМП. Средства защиты от воздействия ЭМП должны соответствовать требованиям государственного стандарта на общие технические требования к средствам защиты от статического электричества. Средства защиты от воздействия ЭМП должны изготавливаться из материалов с высокой магнитной проницаемостью, конструктивно обеспечивающих замыкание магнитных полей.

Коллективные и индивидуальные средства защиты работающих от воздействия ЭМП радиочастотного диапазона (>10 кГц-300 ГГц) в каждом конкретном случае должны применяться с учетом рабочего диапазона частот, характера выполняемых работ, необходимой эффективности защиты.

Экранирование источников ЭМП радиочастот (ЭМП РЧ) или рабочих мест должно осуществляться посредством отражающих или поглощающих экранов (стационарных или переносных). Отражающие ЭМПРЧ-экраны выполняются из металлических листов, сетки, проводящих пленок, ткани с микропроводом, металлизированных тканей на основе синтетических волокон или любых других материалов, имеющих высокую электропроводность. Поглощающие ЭМП РЧ экраны выполняются из специальных материалов, обеспечивающих поглощение энергии ЭМП соответствующей частоты (длины волны). Экранирование смотровых окон, приборных панелей должно осуществляться с помощью радиозащитного стекла (или любого радиозащитного материала с высокой прозрачностью). Защитная одежда включает в себя: комбинезон или полукомбинезон, куртку с капюшоном, халат с капюшоном, жилет, фартук, средство защиты для лица, рукавицы (или перчатки), обувь. Все части защитной одежды должны иметь между собой электрический контакт

Заключение

Рассчитанная в данном курсовом проекте волноводно-щелевая антенна резонансного типа удовлетворяет заданным техническим параметрам. Её характеристики приведены в таблице.

Список используемой литературы

1. Антенны и устройства СВЧ. Задания и методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 0701 — «Радиотехника» /дневной формы обучения Сост. Ю. П. Саломатов; Красноярск, 2005, 16.

2. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнических. спец. вузов. — М.: Высшая школа, 1988. — 432 с.

3. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решёток): Учебное пособие для вузов. Д. И. Воскресенский, Р. А. Грановская, Н. С. Давыдова и др. / Под ред. Д. И. Воскресенского. — М.: Радио и связь, 1981, 432 с.