Линейка из рупорно-линзовых антенн

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

Кафедра радиоуправления и связи 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине «Антенны и устройства СВЧ» 

«ЛИНЕЙКА  ИЗ РУПОРНО-ЛИНЗОВЫХ АНТЕНН» 
 
 
 

                                                   Выполнил ст. гр. 8115

                                                   Середоха А.В.

                                                   Руководитель

                                                   Рендакова В.Я. 
 
 

Рязань 2011

Введение

Любая радиотехническая установка, предназначенная для  излучения или приёма радиоволн, содержит антенну. Антенные устройства играют важнейшую роль в радиотехнике , так как основным отличительным признаком радио является наличие излучения или приёма радиоволн. Само слово «Радио» происходит от греческого слова «излучать».

Требования, предъявляемые  к антенне, различны в зависимости  от назначения радиостанции. Все антенны  чаще всего принято классифицировать по диапазонам волн. Рассматриваемая  в данной работе линзовая антенна  относится к антеннам дециметровых и более коротких волн.

Линзовые антенны  представляют собой совокупность электромагнитной линзы и облучателя. Облучателем  может быть любой однонаправленный излучатель. Важно, чтобы возможно большая  часть энергии попадала на линзу, а не рассеивалась в других направлениях. Линзой называется радиопрозрачное тело с определённой формой поверхности, имеющее коэффициент преломления, отличный от единицы. В основе проектирования линзовых антенн лежит использование оптических свойств электромагнитных волн, которые проявляются при размерах и радиусах кривизны поверхности линзы много больших длины волны.

 Для антенн-линз характерно  то, что в них цилиндрический  или сферический фронт волны  преобразуется в плоский. Это позволяет получить очень узкую диаграмму направленности антенны с углом раствора всего лишь в несколько угловых минут.

Есть два основных типа линзовых антенн: замедляющие (см. рис. выше) и ускоряющие.

В замедляющих линзах фазовая скорость распространения электромагнитной волны меньше скорости света, а в  ускоряющих - больше. В курсовой работе рассматривается замедляющая линза  из искусственного диэлектрика. Для  таких линз коэффициент преломления  n>1.

Сейчас зачастую используются металлодиэлектрические линзы, которые обладают    лучшими массогабаритными показателями, но при этом коэффициент преломления таких линз оказывается сильно зависящим от частоты.

Линзовые антенны, несмотря на ряд ценных качеств (возможность  получения высокой направленности излучения при малом уровне побочных лепестков), пока ещё находят ограниченное применение. В настоящее время  они применяются, главным образом, в радиорелейных линиях связи. Основным препятствием к широкому внедрению  линзовых антенн является их высокая  стоимость, связанная с высокой  точностью изготовления, и относительная  сложность конструкции.

Однако, они представляют большой принципиальный интерес. Не исключена возможность, что в дальнейшем будущем они найдут более широкое применение. 
 

     Анализ  технического задания  и выбор метода расчета

По техническому заданию на курсовую работу требуется  спроектировать линейку из рупорно- линзовых антенн. В качестве облучателя используется пирамидальный рупор.

Примем следующие  обозначения: параметры рупора, рассчитываемые в Н-плоскости, будем обозначать индексом 1; параметры рупора, рассчитываемые в Е-плоскости, будем обозначать индексом 2.

Будем использовать следующую методику расчёта рупорно- линзовой антенны.

1.Определим геометрические  размеры облучателя (пирамидального рупора)

Так как для  рупорно –линзовых антенн фазовые искажения равны нулю то размеры раскрыва рупора вычислим из соотношений 

Определяем размеры  одного рупора из из условия При таком соотношении сторон диаграммы направленности  в плоскостях Е и Н имеют примерно одинаковую ширину, а размеры раскрыва получаются минимальными. Далее определяем число рупоров.

Вычисляем КНД  из соотношения 

Расчитываем оптимальное расстояние между фазовыми центрами излучателей.

2.Расчет параметров  линзы

Принимаем фокусное расстояние равным длине большей стороны раскрыва f=b₁ большое фокусное расстояние брать не желательно, чтобы не увеличивать габариты антенны. Уменьшать фокусное расстояние тоже невыгодно, поскольку при этом увеличивается толщина линзы и возрастает часть мощности, рассеиваемая освещенной стороной линзы.

Выбираем коэффициент  преломления линзы в пределах n=1.3 – 1.6

Вычисляем толщину  линзы 

Строим профиль  линзы -уравнение гиперболы 
 
 

3. Построим диаграммы направленности рупора в пл. Е и Н

Так как в  плоскости Е отсутствуют фазовые и амплитудные искажения, а в плоскости Н отсутствуют фазовые, есть амплитудные, то можно воспользоваться приближенными формулами для расчета ДН  
 

3. Построим диаграмму  направленности линейки из рупорно – линзовых антенн 

где  -множитель системы для линейки рупорно- линзовых антенн

-разность фаз  токов соседних излучателей

Для синфазного режима работы () 

Для несинфазного режима работы () 
 
 
 
 
 
 

Расчетная часть

Определим длину  волны 

По полученному  значению λ выберем волновод марки R84 c размерами a*b=28.499*12.624 мм.

Рассчитаем размеры  раскрыва рупора:

В плоскости Е

   => 

В плоскости  Н

      => 

Установим соотношение  между размерами раскрыва в плоскостях Е и Н.  

При таком соотношении  сторон диаграммы направленности  в плоскостях Е и Н имеют примерно одинаковую ширину, а размеры раскрыва получаются минимальными 

Вычислим площадь  раскрыва одного рупора 

Рассчитаем число  рупоров

            => N=7  
 

Вычислим коэффициент  направленного действия 

Так как  то : 

Примем фокусное расстояние равным длине большей  стороны раскрыва

f=b₁=28.68 см

Выберем коэффициент  преломления линзы n=1.5

Вычислим толщину  линзы 

Профиль линзы 

   уравнение гиперболы

 

Определим угол раскрыва диэлектрической линзы из соотношения

      => 

Диаграмма направленности рупора в Е плоскости 

 
 
 
 
 
 
 

Диаграмма направленности рупора в H плоскости 
 

Расчет расстояния между фазовыми центрами излучателей 

Так как то расстояние между фазовыми центрами излучателей будет следующим d=b₁=28.68 см  
 
 
 

Определим ДН линейки  из рупорных антенн 

где  -множитель системы для линейки рупорно- линзовых антенн

-разность фаз  токов соседних излучателей

Синфазный режим  работы () 

Определим ширину ДН по уровню 0.5 

Уровень боковых  лепестков 
 
 

Положение первого  дифракционного максимума

     где - номер дифракционного максимума 
 

Несинфазный режим

Максимальное  отклонение ДН антенны от нормали  к ее поверхности

  - ширина   ДН по уровню 0.7 в пл. E

тогда     =>    

 
 
 
 
 
 
 

     Список  литературы

1. Антенны и  устройства СВЧ. Расчет и проектирование  антенных решеток и их излучающих  элементов / Под ред. Д. И. Воскресенского. М. : Сов. радио, 1972.

2. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. М.: Сов. радио, 1974.

3. Антенны и  устройства СВЧ: Методические  указания к лабораторным работам.  Часть 1 / Под ред. А.В. Рубцова. Рязань, 2006. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

Введение……………………………………………………………………

Анализ технического задания и выбор метода расчета…………………

Расчетная часть……………………………………………………………

Схема питания  …………………………………………………………….

Конструкция антенны……………………………………………………..

Описание конструкции…………………………………………

Заключение…………………………………………………………………

Список литературы……………………………………………………….. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Схема питания 
 

 

 

 

 

 

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Конструкция антенны

 
 

   1 - рупор

   2 - согласованная  нагрузка

   3 - жесткий  короб с направленным ответвителем внутри

   4 - питающий от генератора волновод

   5 - ВЧ разъём

   6 - жесткий обод защитной стенки

   7 - защитная радиопрозрачная стенка

   8 - металлическая крепежная мачта

   9 - держащая цилиндрическая балка

   10 - ребро жесткости

   11 - держащая пластина

   12 - жесткая рама

   13 - короб защитный 

    Описание  конструкции

            Конструкция антенны довольно  проста. Все рупоро-линзовые излучатели объединяются между собой посредством клепочного соединения. Решетка соединенных воедино излучателей охватывается по краю раскрыва металлической рамой , обеспечивая надежное скрепление всех рупоров и придавая необходимую жесткость. Для обеспечения экранировки, а также для изоляции фидерного устройства от внешних неблагоприятных воздействий, направленные ответвители и фазовращатели помещаются в специальные короба. Короб также выполняет функцию крепления антенны к мачте посредством цилиндрических балок и держащей пластины. К держащей пластине приваривается крепежная мачта с ребрами жесткости.

Для защиты линзы и внутренней части рупора в конструкции предусмотрена  защитная стенка. Чтобы не влиять на работу решетки она должна быть изготовлена  из радиопрозрачного материала, имеющего плотную структуру. Стенка крепится к решетке жестким ободом.

Вся установка  может быть размещена на необходимой  высоте с помощью башни или  мачты или какой-либо другой конструкции  в зависимости от условий эксплуатации. При этом конструкция крепления  устройства антенны при необходимости  может быть изменена. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Заключение

Рассчитанная  в курсовой работе антенна может  быть значительно модернизирована  за счёт использования схем механического (ограничен размером и массой антенны) и электромеханического качания  луча. Метод электромеханического сканирования особенно эффективен при использовании  линз специальной формы (сферические, цилиндрические, модифицированные линзы  Люнеберга, а также металлические линзы с широким сектором качания луча). Массу и толщину рассчитанной линзы можно было значительно сократить, используя зонирование. Но при этом рабочая полоса частот антенны резко сужается, а на линзе появляются так называемые вредные зоны.

Линзовая антенна, рассчитанная в данной работе, обладает достаточно хорошими характеристиками. Однако, применение замедляющих линз более оправдано, когда требуется получить игольчатую диаграмму направленности шириной в несколько угловых минут, так как большинство других типов антенн с такой задачей справиться не в состоянии. При этом необходимо учитывать резко возрастающие размеры и массу линзы, а также сложность её изготовления.

При сравнительно широкой диаграмме направленности, как в этой работе, целесообразность применения линзовых антенн будет определяться сравнительным соотношением  характеристик  антенны и затрат на её изготовление. Но следует учитывать, что при  решении специальных задач, связанных  с обеспечением игольчатой диаграммы  направленности при малом уровне боковых лепестков, диэлектрическая  линзовая антенна становится одной  из самых востребованных.