Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Волноводно-щелевые антенны

Содержание.

Введение…………………………………………………………………..………4

Техническое задание.…………………………………………………………….5

1. Анализ технического задания………………………..……….…………...….6

2. Выбор функции амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала….7

3. Расчет размеров раскрыва……………………….…………………………....9

4. Расчет ДН облучателя………..……….………….………………...………...10

5. Выбор и проектирование облучателя…..……….…………………..............13

6. Расчет реального распределения поля……….……….…………………......14

7. Расчет ДН антенны……………………….….……………………………….19

8. Выбор фидерного тракта…...…………….….…..………………………….. 21

9. Расчет основных параметров антенны ……….……………………..............22

10. Расчет конструкции антенны ………………….…...……...……………….24

11. Устройство СВЧ - Балансный смеситель………………..……………...…26

Список литературы ….……………………....…………………………………..31

Приложения………………………….………………………………..................32

Введение

Щели в качестве излучающих элементов или самостоятельных антенн широко используются в технике СВЧ. 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.

Основные преимущества волноводно-щелевых антенн:

1) 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;

2) в таких антеннах могут быть реализованы оптимальные ДН, так как распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателей с волноводом;

3) 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 несканирующей волноводно-щелевой антенне происходит отклонение луча в пространстве от заданного положения, сопровождающееся изменением ширины диаграммы направленности и её согласования с питающим фидером.

Техническое задание

Рассчитать антенну, предназначенную для береговой РЛС.

Технические условия

1. Ширина основного лепестка ДН по уровню 0,5 в рабочем диапазоне

в плоскости E: 1.8 град

в плоскости H: 8.0 град

2. Рабочий диапазон частот: 8900±5% МГц.

3. Уровень первого бокового лепестка (УБЛ)

в плоскости E: -19.3 дб;

в плоскости H: -18.2 дб.

4. Поляризация поля вертикальная.

5. Длина фидера: 1.7 м.

6. КСВ в тракте, не более 1.16.

7. Мощность передатчика в импульсе:147 кВт.

8. Устройство СВЧ: балансный смеситель.

9. Специальные требования: минимальная парусность.

1. Анализ технического задания.

Существует несколько методов расчета волноводно-щелевых антенн. Строгие методы расчета связаны со значительными математическими трудностями, поэтому использование их для инженерных расчетов и применения в задачах синтеза не представляется возможным. Будем использовать так называемый энергетический метод. Этот метод не учитывает взаимного влияния щелей по внутреннему и внешнему пространствам. Предполагается, что фазовый сдвиг между соседними излучателями по питающему волноводу равен электрическому расстоянию между ними и фазовое распределение в раскрыве антенны линейное. Данным методом можно воспользоваться в следствии того, что количество щелей будет велико (В плоскости E ширина диаграммы направленности сравнительно мала).

Подобно расчету антенны с непрерывным распределением амплитуды тока, когда можно выбирать закон распределения с целью обеспечения заданного уровня боковых лепестков, амплитуды возбуждения элементов антенных решеток также выбираются определенным образом. В общем случае отыскание требуемого закона распределения амплитуд возбуждения решетки излучателей представляет задачу значительной сложности. Однако во многих случаях, например для нашего случая эквидистантных решеток с достаточно большим числом элементов оказывается возможным выбрать амплитуды возбуждения таким образом, чтобы их огибающая совпадала с распределением соответствующего непрерывного раскрыва.

2. Расчет антенны в H плоскости

Длина волны, соответствующая частоте 8900 МГц равна:

Lamb=C/f=3.4 см

Размеры волновода выберем так, чтобы в рабочем диапазоне частот в нем могла распространяться только волна основного типа . Из таблицы стандартных прямоугольных волноводов выбираем волновод с размерами а=35 мм b=15мм. Значит длина волны в волноводе будет равна

Так как заданная рабочая полоса частот довольно широка, то следует использовать нерезонансную волноводно-щелевую антенну с поглощающей нагрузкой в конце волновода. Для уменьшения уровня боковых лепестков щели будем располагать в шахматном порядке. В этом случае расстояние между щелями следует выбрать

так как при таком расстоянии будет исключено резонансное взаимодействие в заданном диапазоне и появление побочных максимумов, таким образом возьмем

d=18 мм.

Выбираем для плоскости H распределение, которое позволяет реализовать заданные УБЛ (косинус в квадрате на пьедестале):

где -длина волноводно-щелевой антенны.

Пользуясь таблицей характеристик направленности прямоугольного синфазного раскрыва, определяем величину скачка поля на краю волноводно-щелевой антенны и значение коэффициента пропорциональности :

Определяем длину антенны:

_см

И количество щелей:

Строим график :

Рис. 2.1 Распределение поля в плоскости Н.

Так как количество щелей велико, то для расчета диаграммы направленности в плоскости E воспользуемся формулами, полученными для непрерывного раскрыва с таким - же распределением амплитуд.

В соответствии с теоремой перемножения диаграмм направленности:

где -множитель системы, -характеристика направленности одного элемента.

В случае распределения амплитуд косинус в p-ой степени на пьедестале, получено следующее выражение для :

Для приближенного расчета диаграммы направленности одной продольной щели на широкой стенке волновода можно воспользоваться формулой:

Для случая выбранного амплитудного распределения строим диаграмму направленности:

Распределение мощности в раскрыве пропорционально квадрату распределения амплитуд:

где -коэффициент пропорциональности такой, чтобы распределение мощностей было нормировано:.

Значит мощность n-ой щели будем рассчитывать так:

Коэффициенты связи щелей с антенной:

Зная коэффициенты связи рассчитываем необходимые проводимости щелей:

Проводимость продольной щели на широкой стенке волновода рассчитывается так:

где - смещение щели относительно средней линии широкой стенки волновода.

Из предыдущей формулы получаем формулу для расчета смещения щели:

Ниже приведены таблицы и графики рассчитанных мощностей , коэффициентов связи , проводимостей и смещений.

Номер щели	Координата	Мощность	Коэффициент связи	Проводимость	Смещение , см
1	-1,000	1,619	1,619	1,621	0,112
2	-0,975	1,634	1,634	1,639	0,113
3	-0,949	1,678	1,678	1,687	0,114
4	-0,924	1,754	1,754	1,766	0,117
5	-0,899	1,862	1,862	1,878	0,120
6	-0,873	2,004	2,004	2,026	0,125
7	-0,848	2,184	2,184	2,212	0,131
8	-0,823	2,403	2,403	2,439	0,137
9	-0,797	2,664	2,664	2,712	0,145
10	-0,772	2,971	2,971	3,034	0,153
11	-0,747	3,327	3,327	3,409	0,162
12	-0,722	3,734	3,734	3,841	0,172
13	-0,696	4,195	4,195	4,334	0,183
14	-0,671	4,712	4,712	4,892	0,195
15	-0,646	5,287	5,287	5,519	0,207
16	-0,620	5,920	5,920	6,218	0,219
17	-0,595	6,610	6,610	6,991	0,233
18	-0,570	7,357	7,357	7,842	0,246
19	-0,544	8,158	8,158	8,773	0,261
20	-0,519	9,011	9,011	9,784	0,275
21	-0,494	9,910	9,910	10,878	0,291
22	-0,468	10,850	10,850	12,053	0,306
23	-0,443	11,825	11,825	13,311	0,322
24	-0,418	12,827	12,827	14,651	0,337
25	-0,392	13,848	13,848	16,071	0,354
26	-0,367	14,878	14,878	17,570	0,370
27	-0,342	15,907	15,907	19,145	0,386
28	-0,316	16,926	16,926	20,794	0,403
29	-0,291	17,922	17,922	22,514	0,419
30	-0,266	18,884	18,884	24,300	0,436
31	-0,241	19,803	19,803	26,148	0,452
32	-0,215	20,666	20,666	28,053	0,469
33	-0,190	21,464	21,464	30,010	0,485
34	-0,165	22,186	22,186	32,013	0,501
35	-0,139	22,823	22,823	34,054	0,517
36	-0,114	23,367	23,367	36,126	0,533
37	-0,089	23,812	23,812	38,219	0,548
38	-0,063	24,150	24,150	40,326	0,564
39	-0,038	24,378	24,378	42,434	0,578
40	-0,013	24,493	24,493	44,533	0,593
41	0,013	24,493	24,493	46,608	0,607
42	0,038	24,378	24,378	48,647	0,620
43	0,063	24,150	24,150	50,631	0,633
44	0,089	23,812	23,812	52,545	0,645
45	0,114	23,367	23,367	54,368	0,657
46	0,139	22,823	22,823	56,079	0,667
47	0,165	22,186	22,186	57,656	0,677
48	0,190	21,464	21,464	59,075	0,685
49	0,215	20,666	20,666	60,311	0,693
50	0,241	19,803	19,803	61,336	0,699
51	0,266	18,884	18,884	62,125	0,703
52	0,291	17,922	17,922	62,651	0,706
53	0,316	16,926	16,926	62,890	0,708
54	0,342	15,907	15,907	62,820	0,707
55	0,367	14,878	14,878	62,423	0,705
56	0,392	13,848	13,848	61,685	0,701
57	0,418	12,827	12,827	60,601	0,694
58	0,443	11,825	11,825	59,172	0,686
59	0,468	10,850	10,850	57,410	0,675
60	0,494	9,910	9,910	55,336	0,663
61	0,519	9,011	9,011	52,981	0,648
62	0,544	8,158	8,158	50,386	0,632
63	0,570	7,357	7,357	47,599	0,613
64	0,595	6,610	6,610	44,677	0,594
65	0,620	5,920	5,920	41,679	0,573
66	0,646	5,287	5,287	38,664	0,552
67	0,671	4,712	4,712	35,692	0,530
68	0,696	4,195	4,195	32,818	0,507
69	0,722	3,734	3,734	30,089	0,486
70	0,747	3,327	3,327	27,546	0,464
71	0,772	2,971	2,971	25,221	0,444
72	0,797	2,664	2,664	23,137	0,425
73	0,823	2,403	2,403	21,312	0,408
74	0,848	2,184	2,184	19,753	0,392
75	0,873	2,004	2,004	18,466	0,379
76	0,899	1,862	1,862	17,454	0,369
77	0,924	1,754	1,754	16,716	0,361
78	0,949	1,678	1,678	16,254	0,356
79	0,975	1,634	1,634	16,075	0,354
80	1,000	1,619	1,619	16,187	0,355

Как видно из графиков, характеристики не обладают симметрией относительно центра антенны, это объясняется тем, что расположение щелей последовательное, т.е. к каждой последующей щели подходит меньше энергии, чем к предыдущей за счет излучения, потерь.

Ширина щели z1 определяется из условия электрической прочности:

где -напряжение в пучности, - критическая напряженность поля в щели.

Рассчитаем ненормированную проводимость, приведенную к пучности напряжения в щели:

По известной мощности излучения антенны определяем напряжение пучности в щели:

где - нормированная мощность щели в середине антенны (там излучаемая мощность максимальна).

Критическая напряженность поля В/см в щели определяется по заданной длительности импульса мкс, и частоте повторения импульсов F_П=3 кГц (спектр такого сигнала лежит в рабочей полосе частот):

Значит ширина щели должна быть такой:

h=1228/39013=0.03.

Выбираем 1 мм.

Коэффициент стоячей волны определяется по известному коэффициенту отражения:

Коэффициент отражения находится с помощью следующей формулы:

где - коэффициент отражения от нагрузки в конце антенны, - полная нормированная проводимость -ой щели.

Так как у нас в конце антенны находится согласованная нагрузка, то , тогда выражение для коэффициента отражения упрощается:

В результате расчетов на центральной частоте получается:

Г=6.885*10^-3 КСВ=1.014.

КСВ удовлетворяет требованиям технического задания и поэтому дополнительные согласующие устройства не нужны.

Коэффициент направленного действия антенны с переменнофазными щелями в широкой стенке волновода приближенно может быть определен по формуле:

где для продольных щелей в широкой стенке волновода, , для выбранного распределения амплитуд в раскрыве, таким образом получаем

D₀ =158 и соответственно коэффициент усиления :

2. Расчет антенны в E плоскости

Выбираем для E плоскости распределение амплитуд в раскрыве, позволяющее реализовать заданный УБЛ, следующего вида:

, (2)

где ;

– координата вдоль раскрыва;

– размер раскрыва в плоскости H.

Пользуясь таблицей 1 из [2], определяем величину скачка поля на краю зеркала и значение коэффициента пропорциональности:

Пользуясь полученными значениями, рассчитываем функцию , график которой приведен на рис.2.2.

Рис. 2.2 Распределение поля в плоскости E.

2) Расчет размера раскрыва в Н плоскости

Расчет производится аналогично плоскости Е.

Заданная ширина ДН в Н плоскости:

Множитель направленности

Размер раскрыва в плоскости Н определяется следующим соотношением:

_см

Получившиеся достаточно большими размеры раскрыва обусловлены рабочей длиной волны (3,4 cм), которая является довольно низкой. Длины волн такого порядка используются в основном в наземных РЛС.

4. Расчет ДН облучателя

1) Расчет ДН облучателя в Е плоскости

Нормированную ДН облучателя можно определить по формуле из [3]:

(3)

В формуле (3) нужно находить через угол . по соотношению:

В Е плоскости выражение для расчета ДН облучателя будет следующим:

где .

Для расчета следует задаться углом раскрыва в плоскости Е . Его можно выбрать вблизи оптимального значения по графику на рис.1.6 из [2]. Обычно значение выбирают ориентировочно в пределах от 50° до 80°. Это дает возможность обеспечить в дальнейшем достаточно высокий КИП при сравнительно небольших размерах облучателя и, как следствие, с меньшим затенением зеркала.

Задаем и строим ДН облучателя в Е плоскости, график которой приведен на рис.4.1.

Рис. 4.1 ДН облучателя в Е плоскости

Ширина ДН в Е плоскости по уровню половинной мощности получилась равной 77°.

Зная, угол раскрыва и размер раскрыва , можно определить фокусное расстояние зеркала по формуле:

Фокусное расстояние равно: .

5. Выбор и проектирование облучателя

Как уже отмечалось выше, параметры антенны и всего антенного устройства в значительной степени зависят от облучателя. Поэтому, при выборе облучателя необходимо соблюдать следующие требования, обеспечивающие нормальную работу антенны:

1. Облучатель должен реализовать заданную ДН в раскрыве зеркала и иметь минимальное излучение вне его.

2. Размеры облучателя должны быть минимальными для уменьшения затенения зеркала.

3. Облучатель должен иметь общий фазовый центр в двух плоскостях, совмещенный с фокусом антенны.

4. Электрическая прочность облучателя должна быть достаточной для пропускания рабочей мощности.

5. Рабочая полоса частот должна соответствовать рабочей полосе радиосистемы.

6. Конструкция облучателя должна обеспечивать стойкость к метеоусловиям.

В качестве облучателя зеркальных антенн чаще всего используются волноводно-рупорные облучатели. Использование облучателей с круговой симметрией нецелесообразно, т.к. в этом случае часть энергии будет расходоваться впустую. Лучше всего использовать пирамидальный рупорный облучатель, который позволяет изменять его ДН в разных плоскостях независимо друг от друга, что позволяет реализовать практически любое требуемое распределение поля в раскрыве зеркала.

Учитывая все вышесказанное произведем расчет пирамидального рупорного облучателя:

Рис 5.1

На рисунке показаны:

– размеры волновода;

– размеры раскрыва рупора;

– расстояние от центра раскрыва до горловины рупора;

– длины рупора в Е и Н плоскостях, т.е. расстояния от центра до точек, где сходятся ребра рупора.

Расчет геометрических размеров рупора

На основе рассчитанных в предыдущем пункте ДН облучателя можно определить приближенные размеры раскрыва рупора . Для это по графикам ДН (рис.3 и рис.4) необходимо определить ширину ДН облучателя в обеих плоскостях по уровню 0,707 (уровень половинной мощности). Определяем: – ширина ДН облучателя в Е плоскости; – ширина ДН облучателя в H плоскости. Размеры раскрыва с шириной ДН рупора связаны следующими приближенными соотношениями:

Определяем приближенные размеры раскрыва рупора:

Эти значения будут скорректированы при расчете реальной ДН рупора.

Произведем расчет реальной ДН рупора:

6. Расчет реального распределения поля

1) Расчет реальной ДН рупора в Н плоскости

Расчет начинаем с Н плоскости, т.к. ДН в ней зависит только от одного размера .

Расчет производится по приближенным формулам учитывающим отражение волноводной волны от раскрыва рупора:

где – параметр;

– модуль коэффициента отражения волны от раскрыва рупора.

Размер подбирается так, чтобы разница между реальной ДН и идеальной (рис.4) была минимальной и не превышала 7%. Полученные совмещенные графики реальной, идеальной ДН и их относительной ошибки (помноженной на 10) в Н плоскости представлены на рис.6.1.

Рис. 6.1 График реальной ДН облучателя в Н плоскости

Скорректированное значение .

Теперь аналогично рассчитаем реальную ДН облучателя в Е плоскости.

2) Расчет реальной ДН рупора в E плоскости

Реальную ДН в Е плоскости можно определить по следующей формуле:

ДН в этой плоскости зависит как от , так и от . Но т.к. уже определен из расчета в Н плоскости, то изменяя только размер рассчитываем реальную ДН рупора в Е плоскости (), так чтобы разница между ней и идеальной ДН (рис.3) была минимальной и не превышала 7%. Полученные совмещенные графики реальной, идеальной ДН и их относительной ошибки (помноженной на 10) в Е плоскости представлены на рис. 6.2.

Рис. 6.2 График реальной ДН облучателя в E плоскости

Скорректированное значение .

В построенных ДН относительная ошибка реальной и идеальной ДН в обеих плоскостях не превышает 4-5% (не считая небольших всплесков по краям). После расчета реальной ДН рупора и определения скорректированных размеров рупора необходимо рассчитать его длины в обеих плоскостях.

При расчете длин рупора необходимо обеспечить два условия:

1. Обеспечить допустимый уровень фазовых искажений. Это условие выполняется в оптимальном рупоре, т.е. при

(4)

2. Горловина рупора должна иметь размеры питающего волновода . Из [3] условие стыковки имеет вид

(5)

Итак, для расчета необходимо сначала определить размеры волновода.

Согласно ТЗ рабочий диапазон частот составляет , т.е. устройство работает на длинах волн от до . По таблице характеристик стандартных прямоугольных волноводов выбираем волновод с такими размерами, чтобы диапазон волн от до попадал в рабочий диапазон волновода. Этому условию удовлетворяет волновод с размерами и .

После выбора размеров волновода можно определить длины рупора по формулам (4) и (5). Из (4) рассчитывают одну из длин и через (5) вычислить длину в другой плоскости.

Рассчитаем длину рупора в Н плоскости:. Примем .

Затем через (5) определяем длину в Е плоскости: .

Проверяем удовлетворяет ли значение условию оптимальности (4), т.е. . Получаем, что по условию , т.е. при условие соблюдается.

Теперь необходимо проверить обеспечивают ли данные размеры рупора допустимый уровень квадратичных фазовых ошибок, которые должны удовлетворять следующим условиям:

(6)

По формулам (6) получим: и , что вполне удовлетворяет допускам.

Теперь необходимо определить положение фазовых центров в двух плоскостях и проверить расстояние между фазовыми центрами удовлетворяет допуску на смещение фазового центра облучателя из фокуса зеркала.

Положение фазовых центров можно определить по формуле:

(7)

– расстояния от центра раскрыва рупора до его фазового центра в обеих плоскостях. По формулам (7) определяем: , . По полученным значениям определим смещение фазовых центров . Допуск на смещение можно определить по формуле :

, откуда получаем . Как видно, при выбранных размерах и смещение фазовых центров не удовлетворяет допуску. Эту проблему можно решить несколькими способами:

Список литературы

Семенихин А.И., Стаканов С.Н. Петренко В.В. Проектирование зеркальных антенн с помощью пакета MATHCAD.Таганрог: ТРТУ, 1998.32с,N2623.
Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. М., «Энергия», 1966.
Шарварко В.Г., Савельев В.В. Техническая электродинамика. Конспект лекций., Часть I., 1996.
Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М., «Энергия», 1975.
Клич С.М. - Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приемников, 1973
Клич С.М. - Проектирование радиоприемных устройств, 1976
Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М., «Высшая школа», 1988.

Волноводно-щелевые антенны 📙 Курсовая → 🆔 56831