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
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
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
g1- угол
раствора рупора
O2- вторая вершина рупора
h2- вторая длина (высота) рупора
g2- 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 m-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:
1. , 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 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 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