Синфазная решетка из рупорных антенн

Министерство общего и профессионального

образования Российской Федерации

РГРТА

Кафедра РУС

Реферат:

« Синфазная решетка из рупорных антенн »

Рязань 2001 г.

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

2. Расчет одиночного рупора

3. Расчет антенной решетки

Заключение

Список литературы

Введение

Рупорные антенны являются простейшими антеннами СВЧ-диапазона. Излучатель типа открытого конца волновода можно рассматривать как рупор, у которого угол раскрыва равен нулю. Для получения более острой диаграммы направленности сечение стандартного волновода можно увеличивать плавно, превращая волновод в рупор. В этом случае структура поля в волноводе в основном сохраниться. В горле рупора, то есть в месте его соединения с волноводом, всё же возникают высшие типы волн. Однако если угол раскрыва рупора не слишком велик, то волны всех типов, кроме основного, быстро затухают в окрестности горловины рупора, а по рупору будет распространяться только колебания основного типа.

Основные типы рупоров образуются в результате расширения прямоугольного или круглого волновода. Если расширение прямоугольного волновода происходит только в одной плоскости, то получается секториальный рупор. В зависимости от того, в какой плоскости происходит расширение, различают Н-плоскостные и Е-плоскостные секториальные рупоры. Если прямоугольный волновод расширяется сразу в двух плоскостях, получается пирамидальный рупор . Расширяющийся круглый волновод образует конический рупор . Кроме указанных типов, применяются ещё комбинированные прямоугольные рупора.

Рупорные антенны могут применяться как самостоятельно, так и в качестве элементов более сложных антенн. Рупорные антенны позволяют формировать диаграммы напряжённости (ДН) шириной от 100-140 градусов до 10-20 градусов. Возможность дальнейшего сужения ДН ограничивается необходимостью резкого увеличения длины рупора. Рупорные антенны являются широкополосными, они обеспечивают примерно полуторное перекрытие по диапазону. Возможность изменения рабочей частоты в ещё больших пределах ограничивается возбуждением и распространением, в питающем волноводе высших типов волн. Коэффициент полезного действия рупора - высокий (приблизительно 100%). Включение в волноводной тракт фазирующей секции или в раскрыв поляризационной решётки обеспечивает создание поля с круговой поляризацией. Для формирования узких ДН могут быть использованы двумерные решётки из небольших рупоров. Для этого надо взять несколько слабонаправленных излучателей, расположить их определенным образом в пространстве, запитать от общего генератора и подобрать должным образом амплитуды и фазы их токов.

1. Теоретическая часть

Расчет рупорных антенн основан на результатах их анализа, то есть первоначально ориентировочно задаются геометрическими размерами антенны, а затем определяют её электрические параметры. Если размеры выбраны неудачно, то расчет повторяется снова.

Поле излучения рупорной антенны, как и всех антенн СВЧ, определяется приближенным методом. Сущность приближения заключается в том, что несмотря на связь между полем внутри и вне рупора, внутреннюю задачу решают независимо от внешней, и полученные из этого решения значения поля в плоскости раскрыва рупора используют для решения внешней задачи.

Амплитудное распределение поля в раскрыве рупора принимается таким же, как и в питающем его волноводе. При возбуждении рупора прямоугольным волноводом с волной Н10 вдоль оси X (проходящей в плоскости Н) распределение амплитуды поля косинусоидальное, а вдоль оси Y (проходящей в плоскости Е) амплитудное распределение равномерное

В связи с тем, что фронт волны в рупоре не остается плоским, а трансформируется в цилиндрический в секториальном рупоре и в сферический в пирамидальном и коническом, то фаза поля по раскрыву меняется по квадратичному закону.

Описанные амплитудное и фазовое распределение поля по раскрыву являются приближенными. Некоторое уточнение дает учет отражения от раскрыва хотя бы только основного типа волны. При этом надо иметь в виду, что коэффициент отражения уменьшается с увеличением раскрыва.

Диаграмма направленности рупорной антенны по известному полю в раскрыве может рассчитываться методом волновой оптики на основе принципа Гюйгенса и формулы Кирхгофа. Применение формулы Кирхгофа к электромагнитному полю не является строгим. Имея выражение для диаграммы направленности, можно найти коэффициент направленного действия антенны, зависимость ширины диаграммы направленности от размеров раскрыва и другие характеристики антенны.

Рупорная антенна состоит из рупора, волновода и возбуждающего устройства .

2. Расчет одиночного рупора

1). Выбор волновода.

Волновод выбираем исходя из заданной рабочей частоты:

Марка волновода:

Размеры волновода:

в плоскости вектора Н:

в плоскости вектора Е:

Длину волны л находим по формуле:

,

где - скорость света.

2). Размеры рупора.

а). Ширина сторон раскрыва.

Ширину сторон раскрыва рупора находим из заданного размера раскрыва одиночного рупора:

S=700 см².

Так же известно что, пирамидальный рупор оптимален, если искажения в Н-плоскости составляют б₁₌ 135є, а в Е-плоскости – б₂=90є. Получаем соотношение:

Обозначим:

а₁ - ширина рупора в плоскости Н;

а₂ - ширина рупора в плоскости Е.

Составляем систему из двух уравнений:

из этих уравнений находим:

а₁=32.4 см

а₂=21.6 см

б). Длина рупора.

Обозначим:

h₁ - длина рупора в плоскости H,

h₂ - длина рупора в плоскости Е.

см,

см.

Для пирамидального рупора эти длины могут быть различными и не совместимыми, поэтому используем уравнение «стыковки рупора с волноводом»:

h₁ (1-a/a₁) = h₂ (1-b/a₂),

Чтобы фазовые искажения в раскрыве не превысили допустимых, большее значение длины h принимаем за постоянное число и выражаем меньшее значение через большее.

Подставляем полученные значения длин рупора в уравнение «стыковки рупора с волноводом»:

;

Принимаем значения: и за действительные и в дальнейших расчётах будем использовать их.

в). Угол раскрыва рупора:

Зная ширину сторон раскрыва и длины рупора, считаем угол раскрыва в двух плоскостях по формулам:

; , угол раскрыва в плоскости Н,

; , угол раскрыва в плоскости Е.

3). Коэффициент направленного действия одного излучателя.

,

где н - коэффициент использования площади.

Для пирамидального рупора .

4). Расчёт ширины диаграмм для одного рупора.

Ширина диаграммы направленности в плоскости Н:

, .

Ширина диаграммы направленности в плоскости Е:

, .

5). Графическое построение диаграммы направленности единичного излучателя.

При расчете диаграммы направленности антенны поле в раскрыве можно принимать синфазным, так как в правильно спроектированном рупоре фазовая ошибка не изменяет существенно диаграмму направленности. Амплитудное распределение как указывалось раньше, принимается совпадающем с полем в поперечном сечении питающего волновода.

Диаграмма направленности рупора может быть приближенно рассчитана из выражения, полученного по формуле Кирхгофа.

В плоскости вектора Н (Рис.1):

Рисунок 1.

В плоскости вектора Е (Рис.2):

Рисунок 2.

По графикам определяем ширину диаграммы направленности по первым нулям:

в плоскости вектора Н:

;

в плоскости вектора Е:

3. Расчет антенной решетки

Решетка синфазная, то есть токи всех излучателей синфазны (имеют одинаковую фазу).

1). Расчет оптимального расстояния между антеннами в решётке.

При оптимальном расстоянии между излучателями КНД синфазной решетки достигает максимального значения, поэтому это расстояние называется оптимальным.

; , в плоскости вектора Н.

Так как d_1опт меньше, чем размер раскрыва рупора в этой плоскости, то берём значение d_1опт равное a₁:

; , в плоскости вектора Е.

Так как d_2опт меньше, чем размер раскрыва рупора в этой плоскости, то берём значение d_2опт равное a₂:

Принимаем значения: и за действительные и в дальнейших расчётах будем использовать их.

2). Коэффициент направленного действия антенны.

Качество антенны характеризуется коэффициентом усиления антенны, равным произведению коэффициента направленного действия (КНД) на коэффициент полезного действия (КПД) антенны:

Для рупорных антенн можно считать, что мощность потерь значительно меньше мощности излучения, благодаря чему КПД антенны можно принять равным единице: , значит

По техническому заданию: дБ или ;

- КНД антенны.

3). Расчёт количества излучателей в решетке.

Рассчитаем ширину диаграммы направленности на уровне 0.5 по формулам:

,

в плоскости вектора Н, где - число излучателей в строке.

,

в плоскости вектора Е, где - число излучателей в столбце.

В техническом задании дано: ширина диаграммы направленности на уровне 0.5 по мощности в горизонтальной плоскости . Составим соотношение и получим:

.

Также известно, что коэффициент направленного действия антенны рассчитывается по формуле:

Получили систему из двух уравнений с двумя неизвестными и :

Выражаем и , и находим их значения:

, округляем до 4.

,округляем до 12.

Принимаем значения: и за действительные и в дальнейших расчётах будем использовать их.

Общее число излучателей в антенной решетке:

4). Габариты решетки.

L1 - длина антенны в строке:

.

L2 - длина антенны в столбце:

.

5).Положение дифракционных максимумов.

В плоскости вектора Н (Рис.3):

; p=1, 2 …

Рисунок 3.

В плоскости вектора Е (Рис.4):

;p=1, 2 …

Рисунок 4.

6). Графическое построение диаграммы направленности (ДН) решетки.

Диаграмма направленности решетки есть произведение ДН одного излучателя решетки на ДН множителя решетки.

Строем ДН множителя решетки, при этом учитывая, что решетка синфазная.

В плоскости вектора Н (Рис.5):

Рисунок 5.

В плоскости вектора Е (Рис.6):

Рисунок 6.

Строим ДН решетки.

В плоскости вектора Н (Рис.7):

Рисунок 7.

В плоскости вектора Е (Рис.8):

Рисунок 8.

Заключение

В данной работе были рассчитаны требуемые параметры синфазной решетки из рупорных антенн: размеры волновода, размеры рупора, КНД излучателя, габариты решетки, количество излучателей, расстояние между излучателями; построены графики: ДН единичного излучателя, ДН множителя системы, ДН решетки. Представлена структурная схема питания рупоров от общего генератора.

Рупорные антенны имеют ряд ценных качеств: они просты по конструкции, широкополосны, позволяют осуществлять независимое изменение ДН в Е-и Н-плоскостях у пирамидального рупора, обладают высоким КПД =1 и относительно низким уровнем боковых лепестков. Часто рупоры применяются в качестве антенн измерительных приборов, а также облучателей зеркальных и линзовых антенн.

Список литературы

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» 1988год

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

4. Под редакцией Д.И. Воскресенского «Антенны и устройства СВЧ» Расчёт и проектирование антенных решёток и их излучающих элементов. Издательство «Советское радио» Москва-1972год

5. 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, 1998год