Волноводно-щелевая антенна. 2

Министерство образования  и науки Украины

Севастопольский национальный технический университет

 

 

 

Факультет Радиоэлектроники

Кафедра Радиотехники

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине «Антенные  системы»

на тему «Волноводно-щелевая антенна»

 

 

 

 

Выполнил: студент группы Р-43д

Бильданов Р.А.

Руководитель  проекта:

д.т.н., профессор

Лобкова Л.М.

 

 

                                        Защищен с оценкой

                                        _________________

                                                             «___»____________

 

 

 

 

 

 

 

 

Севастополь

2008

 

Содержание

 

Введение ...………………………………………………………………
1. принцип действия и основные характеристики проектируемой антенны ………………………………………
1.1. Обзор разработок антенн данного класса…………………………
1.2. Описание геометрии антенны……………………………………...
1.3.  Методика расчета диаграммы направленности ……………….
1.4. Выводы……………………………………………………………..
2. методика расчетов характеристик антенны ……...
2.1. Выбор геометрических параметров антенны ……………………
2.2. Методика расчета коэффициента направленного действия и коэффициента усиления ………………………………………………….
2.3. Методика расчета входного сопротивления антенны……………
3.  рассчет характеристик антенны……………………….
3.1. Расчет диаграммы направленности.………………………………
3.2. Расчет входного сопротивления антенны………………………...
3.3. Расчет  коэффициента направленного действия  и коэффициента усиления……………………………………………………………………
4. РАЗРАБОТКА  КОНСТРУКЦИИ АНТЕННЫ……………………..
4.1. Описание  конструкции антенны………………………………….
4.2. Расчет схемы  деления мощности………………………………….
4.3. Расчет согласующих и симметрирующих устройств……………
Заключение
библиографоческий список
чертеж общего вида

 

исходные  данные разрабатываемой антенны

 

Согласно техническому заданию требуется разработать  волноводно-щелевую антенну со следующими техническими характеристиками:

 

• =5⁰— значение ширины ДН по уровню половинной мощности в H-плоскости;
• =20° — значение ширины ДН по уровню половинной мощности в E-плоскости;
• f₀= 6 ГГц — среднее значение рабочей частоты;
• =0,05 — относительная величина диапазона рабочих частот;
• =40 кВт — излучаемая в импульсе мощность;
• =0,1 мкс — длительность импульсов;
• =3 кГц — частота повторения импульсов;
• =0° — направление главного максимума ДН;
• УБЛ=-30 дБ — уровень боковых лепестков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Антенно-фидерное устройство, обеспечивающие прием и излучение радиоволн, является неотъемлемой частью любой  радиотехнической системы. К антенне  предъявляется ряд технических  требований, вытекающих из назначения радиосистемы, в которой она применяется. Условия размещения и работы антенны влияют на ее характеристики. Реализуемость требуемых направленных, частотных, энергетических и других характеристик антенны во многом определяется рабочим диапазоном волн. В диапазоне СВЧ антенны обеспечивают остронаправленное излучение с шириной луча в единицы и доли градусов и коэффициент усиления, достигающий десятки и сотни тысяч. Эти направленные свойства позволили использовать антенну не только для излучения и приема радиоволн, борьбы с помехами, обеспечения скрытности работы и для других целей.

В настоящее время  получили широкое распространение  остронаправленные сканирующие  антенны СВЧ. Сканирование позволяет  осуществлять обзор окружающего  пространства, сопровождение движущихся объектов и определения их угловых координат. При механическом сканировании, которое выполняется вращением всей антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при существующих в настоящее время скоростях летательных аппаратов оказывается недостаточной. Применение антенных фазируемых решеток для построения остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства, что способствует увеличению объема информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн в окружающем пространстве.

В технике СВЧ в  качестве излучающих элементов или  самостоятельных антенн широко используются щели. При этом в основном они  применяются в волноводах, хотя могут  использоваться и  в металлических  пластинах и в фольге, возбуждаясь при этом с помощью полосковых линий.

Волноводно-щелевые антенны, получающиеся при прорезании щелей  в волноводах, являются одним из видов линейных многоэлементных  антенн и обеспечивают сужение диаграммы  направленности в плоскости, проходящей через ось волновода.

Можно отметить основные достоинства волноводно-щелевых  антенн:

• ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность волноводно-щелевой антенны может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления;
• в таких антеннах могут быть реализованы оптимальные диаграммы направленности, так как распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателей с волноводом;
• щелевая антенна имеет сравнительно простое возбуждающее устройство, кроме того, она проста в эксплуатации.

Недостатком волноводно-щелевых  антенн является ограниченность диапазонных  свойств. При изменении частоты  в нескаирующей волноводно-щелевой  антенне происходит отклонение луча в пространстве от заданного положения, сопровождающееся изменением ширины диаграммы направленности и её согласования с питающим фидером.

 

1.1. Обзор разработок антенн данного  класса

В настоящее время  ведутся интенсивные разработки в области совершенствования известных и создания новых типов антенных решеток, которые все шире применяются как в различных военных, так и в новых коммерческих приложениях. Среди этих приложений важное место занимают различные модификации волноводных и волноводно-щелевых антенных решеток, что связано с их преимуществами.

В частности, для выполнения комплекса предельно высоких  требований, предъявляемых к бортовым фазированным антенным решеткам (ФАР) для истребительной авиации, в были разработаны ФАР волноводных излучателей с волноводной распределительной системой. Для этих антенн характерны высокие значения коэффициента использования поверхности (КИП>0.5), низкий уровень боковых лепестков в широком секторе сканирования, высокая электрическая прочность. Такие многофункциональные решетки, устанавливаемые в носовой части самолета, пришли на смену зеркальным и волноводно-щелевым АР с механическим сканированием. По своей энергетической эффективности ФАР с волноводной распределительной системой вплотную приблизились к зеркальным и волноводно-щелевым антеннам с механическим сканированием, обеспечивая радару радикальные преимущества за счет свойств электронного управления лучом. Одной из тенденций, наблюдаемых в развитии антенн КВЧ диапазона для коммерческих приложений, является поиск альтернативы зеркальным антеннам. Для этого требуются компактные плоские антенны с высоким коэффициентом усиления, пригодные для массового производства. К числу таких приложений относятся, в частности, высокоскоростные локальные беспроводные сети связи (LAN) (диапазон 60 ГГц), автомобильные радары (диапазон 60-80 ГГц), радиорелейные системы связи диапазона 20 ГГц для соединения базовых станций мобильной связи, системы спутниковой связи и

вещания диапазона 20-50 ГГц  и др.

В данный момент разработаны компактные конструкции остронаправленных несканирующих волноводно-рупорных АР с волноводной схемой питания для систем связи диапазонов 39 ГГц и 58 ГГц. Другим перспективным классом антенн в решении данной проблемы являются волноводно-щелевые АР. Еще одно из перспективных применений волноводно-щелевых решеток – это излучатели в составе активных ФАР многофункциональных космических радиолокационных комплексов с синтезированной апертурой.

Развитие современных  бортовых радиоэлектронных систем приводит к

необходимости многолучевой работы, расширения сектора сканирования и рабочей полосы, выполнения ряда функций (совмещенная работа систем связи, радиолокации, госопознавания, радиоэлектронной борьбы и др.). Перспективным  с этой точки зрения является разработка различных выпуклых АР, в т.ч. цилиндрических. Реализация многолучевых режимов работы с независимым управлением положением, уровнем и фазой лучей представляет также существенный практический интерес, например, в условиях многолучевого приема одной антенной, в задачах радиоэлектронной борьбы и др.

Разработка волноводных  и волноводно-щелевых АР с высокими электрическими параметрами в качестве необходимого этапа включает их электродинамическое  моделирование.

Во многих случаях  на практике АР имеет диэлектрическое покрытие, которое используется для защиты от внешних воздействий, а также для улучшения согласования при сканировании. Как было установлено, применение многослойных обтекателей антенн, в т.ч. с непрерывным изменением показателя преломления, позволяет обеспечить функционирование антенны в широком частотном диапазоне. Однако влияние конечных многослойных диэлектрических покрытий на характеристики волноводных АР пока недостаточно исследовано.

Методам электродинамического анализа различных типов волноводно-

щелевых АР посвящено  очень много работ. Однако большая  часть известных подходов основана на использовании тех или иных упрощающих предположений, которые  сужают область применения этих моделей  и их точность. В последнее время  все большее внимание уделяется созданию строгих электродинамических моделей волноводно-щелевых АР.

Таким образом, актуальной является разработка строгих электродинамических методов решения трехмерных задач анализа конечных волноводных и волноводно-щелевых АР. Это имеет фундаментальное значение для создания АР рассматриваемого класса с высокими электрическими параметрами. Большой теоретический и практический интерес представляет также создание электродинамических моделей цилиндрических волноводных АР и реализация многолучевых режимов работы АР.

Возросший за последнее  время уровень требований к электрическим  параметрам разрабатываемых частотно-селективных  и распределительных волноводных  устройств СВЧ и КВЧ диапазонов, а также существенный прогресс в  области технологий изготовления этих устройств ставит качественно более сложные задачи в области их моделирования.

Большой практический интерес  представляют различные компоненты на волноводах сложных сечений и  прямоугольных волноводах: волноводные  фильтры нижних частот на многогребневых секциях (вафельного типа) для многодиапазонных фидерных трактов наземных станций спутниковой связи; волноводные фильтры квазипланарного типа на гребневых секциях и Е-плоскостных диафрагмах, многощелевые направленные ответвители для систем связи миллиметрового диапазона; многоканальные делители мощности на Е-плоскостных шлейфах для диаграммообразующих устройств антенн с контурной диаграммой направленности; 90-градусные поляризаторы на квадратных волноводах для систем спутниковой связи и др.

При изготовлении пассивных волноводных компонентов для современной элементной базы СВЧ и КВЧ диапазона используются методы прецизионной механической и электроискровой обработки, элементы планарной технологии, LTCC-технология (применение низкотемпературной керамики), технология инжекционного литья (формовки) из пластмасс с последующей металлизацией и др.

В этой связи обязательным этапом в разработке волноводных  устройств является их электродинамическое  моделирование. Моделирование таких  устройств может быть выполнено  на основе универсальных численных

методов (метод конечных элементов, конечного интегрирования, конечных разностей во временной  области, метод R-функций  и др.), численно-аналитических  методов, гибридных (комбинированных) методов. Проигрывая численным методам в универсальности, численно- аналитические методы дают радикальный выигрыш в эффективности, обеспечивая высокую точность результатов при наименьших затратах времени на разработку. В тех случаях, когда построить численно-аналитическое решение невозможно, гибридные методы позволяют добиться наилучшего результата.

Это достигается выбором  наиболее эффективных методов решения  подзадач, на которые разделяется  решение исходной электродинамической  задачи. Исходя из этого, актуальной является разработка эффективных комбинированных и численно-аналитических методов электродинамического

анализа частотно-селективных  и распределительных устройств  на гребневых

и прямоугольных волноводах для современной элементной базы СВЧ и КВЧ

диапазонов.

Представим некоторые  антенны из этой области:

1. Щелевая антенна (секторная), NN-SV-14 (14 dBi, 90°x12°)

                                             

                               Рисунок 1.1 – щелевая антенна(секторная)

 

 

Антенна спроектирована для построения базовых станций  с секторной организаций. Одна антенна формирует сектор 90 градусов. Антенна имеет такие особенности, как широкий лепесток в горизонтальной плоскости и сравнительно широкий (по сравнению с 11 дБ все направленными антеннами) - в вертикальной.

 

 

 

Особенностью является отсутствие у диаграммы направленности боковых и задних лепестков. Антенны производятся в заводских условиях по нормам и с использованием технологий военной электроники. Используемые материалы - алюминиевый и латунный прокат, пенополиуретан, тефлон, высокотемпературные краски.

 

Таблица 1.1 - Технические  характеристики антенны 

 

Тип антенны	Волноводно-щелевая
Входное сопротивление	50 Ом
Рабочий диапазон частот	2400 - 2500 МГц
Коэффициент усиления в  рабочей полосе частот	14 dB
Поляризация	Вертикальная (горизонтальная - на заказ)
Ширина ДН в вертикальной плоскости (вектор Е)	12°
Ширина ДН в горизонтальной плоскости (вектор Н)	90°
КСВ в рабочей полосе частот	Не хуже1.2:1
Разъем	Гнездо N типа (female)
Габариты	600 х 120 x 30 мм
Масса	2,5 кг
Способ молниезащиты	Необходим внешний грозоразрядник
Крепление	на трубу диаметром 40-50 мм под любым углом
Исполнение	Внешнее, всепогодное

 

2. Решетка волноводно-щелевая

 

                                       

                       Рисунок 1.2 - Решетка волноводно-щелевая

 

Решетка волноводно-щелевая  предназначена для установки  в антенну А813-0106.1 или другие подобные антенны, предназначенные для работы в составе бортовых метеорадиолокационных  комплексов в диапазоне частот 9345±30МГц. 

 

Таблица 1.2 - Технические характеристики антенны

 

Ширина диаграммы направленности	5°x 5°
Уровень боковых лепестков (в главных  сечениях ДН)	-27..-28 дБ
Коэффициент усиления	31 дБ
КСВ входа	1,2
Диаметр	440 мм
Масса	940 г

 

1.3 Секторная антенна SFA-15

 

                                Рисунок 1.3 - Секторная антенна SFA-15

 

Антенна построена по схеме фазированной антенной решетки  и специально спроектирована для  построения базовых станций с  секторной организаций.

    Одна антенна  формирует сектор 60 градусов. Антенна  имеет такие особенности, как полное отсутствие боковых лепестков в задней полусфере, широкий лепесток в горизонтальной плоскости и сравнительно широкий (по сравнению с 11 дБ всенаправленными антеннами) – в вертикальной. Именно отсутствие задних и боковых лепестков в диаграмме направленности антенны позволяет строить эффективные многосекторные системы даже при установке антенн, работающих на соседних или одних частотах, в ближней зоне.

 

    Антенна замкнута  по постоянному току, что избавляет  от необходимости использовать грозозащиту. Грозозащитные мероприятия сводятся к заземлению антенной мачты и внешней оплетки кабеля, что обеспечивается компактным коаксиальным переходником.

    Полностью  герметичное исполнение антенны  и применение специальных конструктивных  решений обеспечивают работоспособность антенны в тяжелых климатических условиях, включая мокрый снег, без существенного ухудшения характеристик.

 

                                              

                   Рисунок 1.4 - Диаграмма направленности (вектор Е)

 

                                       

        Рисунок 1.5 - Диаграмма направленности (вектор Н)

 

    Таблица 1.3 - Технические характеристики антенны

Тип антенны	Фазированная решетка
Коэффициент усиления в  рабочей полосе частот	>14,5 dBi
Поляризация	Линейная
Диаграмма направленности	67°х12°
КСВ в рабочей полосе частот	<1.4:1
Разъем	Гнездо N типа (female)
Габариты	490х125х25мм
Масса	не более 2,5 кг
Способ молниезащиты	заземление антенной мачты
Крепление	на горизонтальную трубу  диаметром 20-40 мм
Исполнение	Всепогодное

 

 

 

 

      1.2. Описание геометрии антенны

Щели, прорезанные в  стенках волновода, возбуждаются токами, протекающими по его внутренней поверхности. Распределение поверхностного тока определяется типом волны, распространяющейся в волноводе, а интенсивность возбуждения щели зависит от числа пересекающих её линий тока. Чем больше проекция щели на нормаль к линиям тока и чем больше его плотность, тем сильнее возбуждается щель и больше напряжённость излучаемого ею поля. Таким образом, интенсивность поля излучения можно регулировать путём выбора положения щели на поверхности волновода. Примеры расположения щелей и протекание токов показаны на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Расположение щелей на стенках волновода: а — продольная щель; б — поперечно смещённая щель; в — наклонная щель в боковой стенке; г — наклонная щель; д — гантелеобразная щель

Продольная щель пересекает поперечный ток, если она сдвинута относительно средней линии широкой стенки волновода. Поперечная щель возбуждается продольными токами. Интенсивность её возбуждения уменьшается при смещении от средней линии. Наклонно-смещённая щель пересекается как продольными, так и поперечными токами. Когда угол наклона щели относительно средней линии широкой стенки волновода равен нулю, излучение щели отсутствует. Наклонная щель, прорезанная на узкой стенке волновода при угле наклона равном нулю, относительно нормали к широкой стенке волновода, — не возбуждается. Если этот угол равен 90° то излучение максимально. Однако протекание токов в стенках вблизи от этих щелей можно изменить таким образом, чтобы излучение происходило. Для этого используются так называемые реактивные вибраторы, представляющие собой металлические стержни, ввинчиваемые в волновод рядом со щелью, и нарушающие симметрию тока в стенке волновода.

Наклонные щели в узкой стенке обычно несколько вдаются в широкие  стенки волновода. При прорезании таких  щелей в волноводе оказывается, что практически независимо от угла наклона щели (не более 15°) при фиксированной  глубине выреза реактивная проводимость щели мала и незначительно влияет на постоянную распространения волновода. Кроме того, подобные щели обладают тем ценным качеством, что их реактивная проводимость при изменении частоты меняется значительно меньше, чем у щелей, прорезанных в широкой стенке волновода. В соответствии с этим наклонные щели в узкой стенке волновода являются предпочтительными как с электрической, так и конструктивной точек зрения, особенно в больших антенных системах.

Путём совмещения центров щелей (а) и (б) (см. рисунок 1.1) можно получить крестообразную щель. При расположении центра крестообразной щели в соответствующем месте на широкой стенке прямоугольного волновода она излучает волны, поляризованные по кругу. Это свойство щелевых излучателей используется в расчётах многощелевых решёток с целью создания необходимого распределения амплитуд возбуждения вдоль антенны.

Одиночный щелевой излучатель обладает слабыми направленными свойствами. Поэтому практическое применение находят многоэлементные щелевые антенны, направленные свойства которых существенно зависят от числа щелей, их взаимного расположения на стенках волновода и режима работы передающей линии. В соответствии с этим различают резонансные и нерезонансные антенны. В каждом из этих классов возможно построение антенн с так называемыми согласованными щелями.

В резонансных волноводных антеннах щели возбуждаются синфазно. Это достигается  расположением их относительно друг друга на расстоянии L, где L — длина волны в волноводе (рисунок 1.3). При этом на конце волновода может быть короткозамыкающий поршень или поглощающая нагрузка. Если в конце антенны на расстоянии L/4 от последней щели находится короткозамыкающий поршень, то все щели оказываются расположенными в пучности тока.

Для уменьшения длины антенны при данном числе щелей их прорезают в шахматном порядке по обе стороны от средней линии широкой стенки волновода (рисунок 1.3б) на расстоянии L/2 друг от друга. При таком расположении они возбуждаются синфазно, так как поверхностные токи (см. рисунок 1.1) пересекают их в одном направлении.

Полагая, что взаимное влияние щелей пренебрежимо мало, а размеры и интенсивность  их возбуждения одинакова (рисунок 1.2), направленные свойства многоэлементной антенны можно характеризовать следующей функцией направленности

 

 

 

 

 

 

,     (1.1)

 

где N — число щелей; d — расстояние между щелями; y₀ — разность фаз токов соседних излучателей; q — угол, отсчитываемый в плоскости Н от нормали к плоскости антенны; F₁(q) — функция направленности одиночного излучателя.

 

 

Рисунок 1.2 — К определению ДН малоэлементной антенны

 

Рисунок 1.3 — Щели в  резонансных антеннах: а — расстояние между

щелями L; б — расстояние между щелями L/2

 

 

 

Для щели длиной 2l в плоскости Н эта функция имеет вид

.    (1.2)

 

 

1.3. Описание ДН решетки при помощи полиномов Чебышева

Рассмотрим линейную решетку N излучателей (рисунок 1.4). Полагаем, что начало координат совмещено с серединой решетки, вибраторы возбуждаются синфазно и распределение неизвестных амплитуд относительно центра симметрично, т.е. I _—1 = I ₁, I _—2 = I ₂, I _-n = I _n, … I _—n = I_n.

Рисунок 1.4 —  Линейная решетка: а — четное число  излучателей N=2n; б — нечетное число излучателей N=2n+1

 

Поле излучения n-ой пары вибраторов будет

 

.   (1.3)

 

Если F₁(q,j)=const, то с точностью до постоянного множителя полное поле всей антенны равно:

• для четного числа вибраторов N = 2n

 

,

; (1.4)

 

• для нечетного N= 2n+1

 

.   (1.5)

 

C помощью подстановки и полиномов Чебышева тригонометрические ряды (1.4) и (1.5) приводятся к рядам (N-1) степени

 

,  ,  (1.6)

 

где .

Очевидно, изменяя коэффициенты I_n этих рядов, можно изменять ДН антенны. Поэтому, если потребовать, чтобы ДН была оптимальной, необходимо, чтобы она описывалась полиномом Чебышева N-1 степени

T_N-1(y). Сравнивая этот полином с соответствующим выражением (1.6), можно определить неизвестные коэффициенты I_n. Однако при максимальные значения полинома T_N-1(y)=cos[(N-1)×arccos(y)] не превосходят единицы, поэтому функция T_N-1(y) в данном интервале не описывает главного лепестка ДН. Для приведения полинома T_N-1(y) к необходимому виду надо сжать шкалу абсцисс, положив y= a₀×x, где a₀ ³ 1 — коэффициент сжатия.

Таким образом, из выражений (1.6) получаем следующие уравнения

• для четного N

 

;   (1.7)

 

• для нечетного N

 

;   (1.8)

 

позволяющее определить I_n:

 

• для четного N= 2n

 

;   (1.9)

 

• для нечетного N= 2n+1

 

.   (1.10)

 

Если в оптимальной  антенне создать линейный фазовый  набег, то главный лепесток ДН отклонится на угол q_м, определяемый из соотношения

 

.     (1.11)

 

При этом в вышеприведенных формулах необходимо сделать подстановку

 

    (1.12)

Основные свойства антенны  с Чебышевской характеристикой направленности

 

Выражение для функции  направленности

 

   (1.13)

 

позволяет определить максимальное значение главного лепестка ДН, соответствующее  точке

 

 .    (1.14)

 

Из свойств полиномов  Чебышева следует, что максимальное значение всех боковых лепестков равно единице, поэтому их относительный уровень будет 1/R. Из (1.14) можно определить коэффициент сжатия