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
Содержание
Введение
Теоретическая часть
Расчёт основных электрических и геометрических параметров линейной решётки рупорных антенн и её элементов
Конструктивный расчёт и разработка конструкции АФУ
Описание конструкции
Заключение
Библиографический список
Введение
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:
,
где -коэффициент, 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:
, 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:
, 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 двух- или
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 E- типа, либо H- типа
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
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 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, 1998год
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