Выбор типа щели в волноводе

18

С о д е р ж а н и е

Задание

              Рассчитать и спроектировать антенну РЛС с параметрами:

−  Рабочий диапазон волн λ = 8,1 мм;

−  Ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности

в горизонтальной плоскости 4˚,

в вертикальной плоскости 20˚;

−  Мощность на выходе передатчика в импульсе 10 кВт;

−   длина фидерного тракта 1,5 м;

−   КБВ = 0,95.

              УБЛ = -13 дБ

              Предусмотреть поворот в горизонтальной плоскости ± 40˚.

Введение

              Антенно-фидерное устройство, обеспечивающие излучение и прием 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 настоящее время получили широкое распространение остро направленные сканирующие антенны СВЧ. Сканирование позволяет осуществлять обзор окружающего пространства, сопровождение движущих объектов и определение их угловых координат механическое сканирование осуществляется вращением всей антенны.

В антеннах с механическим сканированием характеристики управления лучом не связаны с электрическим расчетом антенны и являются определяющими при проектировании механизмов вращения.

              Щели в качестве излучающих элементов или самостоятельных антенн широко используется в технике СВЧ. При этом в основном щели применяются в волноводах, хотя могут использоваться и в металлических пластинах или фольге и возбуждаться при этом с помощью полосовых линий.

              Волноводно-щелевые антенны (ВЩА), получающиеся при прорезании щелей волноводов, являются одним из видов линейных и многоэлементных антенн и обеспечивают сужение диаграммы направленности (ДН) в плоскости, проходящие через ось волновода. На практике кроме волноводно-щелевых антенн с неподвижной в пространстве ДН применяются антенны с механическим, электромеханическим и электрическим сканированием.

              Основные преимущества ВЩА:

1.      Ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность ВЩА может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления (бортовая антенна);

2.      В таких антеннах могут быть реализованы оптимальные ДН, т. к. 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 ВЩА является ограниченность диапазонных свойств.

Была выбрана ВЩА с механическим сканированием. Волновод прямоугольного поперечного сечения.

1. Выбор типа щели в волноводе

Возбуждение щели в волноводе происходит тогда, когда она широкой стороной пересекает поверхностные токи текущие по внутренним стенкам волновода.

При построении ВЩА на основе прямоугольного волновода с основным типом волны Н10 необходимо учитывать, что в волноводе имеют место продольный и поперечный токи, на его широких стенках и поперечный ток на узких стенках.

Существует четыре основных типа излучающих щелей в таком волноводе:

- продольная щель на широкой стенке волновода;

- поперечная щель на широкой стенке волновода;

- наклонно-смещенная щель на широкой стенке волновода;

- наклонная щель на узкой стенке волновода.

Была выбрана продольная щель на широкой стенке волновода, которая представлена на рис.1.1.

Рис.1.1. Продольная щель на широкой стенке волновода

Продольная щель пересекает поперечный ток, если она сдвинута относительно средней линии широкой стенки волновода. При х1=0 излучение отсутствует и при увеличении смещения х1 излучение возрастает.[1]

2. Выбор вида волноводно-щелевой антенны

              Различает антенны резонансные, нерезонансные и антенны с согласованными щелями. Была выбрана резонансная волноводно-щелевая антенна.

У резонансных антенн расстояние между соседними щелями равно в или равно в / 2. Таким образом,  резонансные антенны являются одновременно синфазными и, следовательно, направление максимального излучения совпадает с нормалью к оси антенны.

Резонансная антенна с продольными щелями изображена на рис.2.1.

Рис.2.1. Резонансная антенна с продольными щелями

Синфазное возбуждение продольных щелей, расположенных по разные стороны относительно средней линии при d = в / 2, обеспечивается за счет дополнительного сдвига по фазе на 1800 в силу противоположных

направлений поперечных токов по обеим сторонам от средней линии широкой стенки волновода.

              Следовательно, результирующий сдвиг по фазе соседних излучателей

оказывается равным 3600 или 00. Антенны рассматриваемого типа могут быть хорошо согласованы с питающей линией в весьма узкой полосе частот.[1]

3. Основные характеристики волновода

Из справочника был выбран стандартный волновод типа МЭК 320, размеры которого [2]

              а = 7,112 мм

              в = 3,556 мм

              Номинальная толщина стенки: S = 1,02 мм

              1. Критическую длину волны в волноводе можно вычислить по

следующей формуле:

где  а и в – размеры соответственно широкой и узкой стенок волновода;

              Основной волной в прямоугольном волноводе является волна

типа H10 = Hmn, тогда с учетом, что m = 1, n = 0, можно записать :

кр = 2а/m = 2а = 14,224 мм

              2. Длина волны в волноводе определяется по формуле:

4. Определение числа излучателей в антенной решетке

Ширина диаграммы направленности зависит от закона распределения

излучаемой мощности вдоль решетки. На практике получили распространение законы распределения: экспоненциальный, равномерный, косинусоидальный и другие специальные виды распределения[3].

              Было выбрано равномерное амплитудное распределение. Ширина луча при равномерном амплитудном распределении определяется по формуле:

где      -длина волны,

           N-количество излучателей,

           d-расстояние между излучателями.

Длина антенны          L = Nd = 138,4 мм.   

              Расстояние между щелями в волноводе [3]:

d = = 5,02 мм

              Теперь можно найти число щелей в волноводе:

N = L/d= 28

              Ширина антенной решетки  в вертикальной плоскости:

              Количество излучателей в антенной решетке:

              N1 = 4 – количество волноводов (с учетом расстояния между ними)

              расстояние между излучателями (волноводами): d = 10 мм

5. Метод расчета волноводно-щелевой антенны

              Существует несколько методов расчета волноводно-щелевых антенн.

Строгие методы расчета связаны со значительными математическими трудностями, поэтому использование их для инженерных расчетов и применение в задачах синтеза не представляется возможным.

              При инженерных расчетах обычно используются приближенные методы, имеющие ту или иную степень точности.

              Был выбран энергетический метод расчета. С помощью энергетического метода можно приближенно рассчитать волноводно-щелевую антенну. В этом методе расчета предполагается, что фазовое распределение в раскрыве антенны – линейное.

              Резонансная антенна с произвольными резонансными щелями и расстоянием между ними d = в/2 рассчитывается энергетическим методом следующим образом:

              Если распределение по антенне обозначить через f(Zn) (равномерное) и учесть, что все щели резонансные, то эквивалентная нормированная проводимость n-й    щели будет равна

gn = gвх

              Входящая в формулу входная проводимость антенны qвх выбирается, так, чтобы обеспечить хорошее согласование с питающим волноводом. Так, величина qвх может быть выбрана равной единице.

gn = = 0,0089.                 

Волновым сопротивлением волновода называется отношение поперечной составляющей напряженности электрического поля Е к поперечной составляющей напряженности магнитного поля Н:

в =

              В случае волны типа Н

в = 0

              где    0 = 120 - волновое сопротивление свободного пространства

                    в =  461,37 Ом

              Затухание в докритическом режиме вызвано тем, что стенки волновода не являются идеальным проводником, а среда, заполняющая волновод, не является идеальным диэлектриком. На практике применяются волноводы с воздушным заполнением, выполненные из металла с высокой проницаемостью, так что затухание в стенках мало, а потерями в диэлектрике (воздухе) можно пренебречь. Поэтому влияние потерь на структуру поля в волноводе невелико. Для волновода прямоугольного поперечного сечения с воздушным заполнением и волной типа Н10 выражение для постоянной затухания имеет вид [3]:

 =

где      RS-поверхностное сопротивление проводника.

              Выбранный волновод медный, посеребрен внутри. Тогда для серебра

RS =0,126 Ом.

 = 0,0002679  Hn / м  0,002331дБ / м

т.к. 1Hn/м  8,7 дБ/м

              Переносимая мощность уменьшается по экспоненциальному закону

P = P0×e -2 α z = 1998,9 Вт,

              где  z =1 м – длина фидера.

6. Основные параметры, характеризующие щель в волноводе

1.      Внешняя проводимость излучения щели.

При возбуждении в волноводе токами, текущими по его внутренним стенкам, щель излучает электромагнитную энергию, как во внешнее пространство, так и в волновод. Проводимость излучения щели, которая определяется внешним излучением, называют внешней проводимостью излучения. Внешняя проводимость излучения щели определяется по формуле:

где   RΣ = 73,1 Ом - сопротивление излучения эквивалентного симметричного вибратора.

GΣ = 0,00093

2.      Эквивалентная нормированная проводимость щели в волноводе.

Щель, прорезанная в волноводе, нарушает режим работы волновода, вызывая отражение электромагнитной энергии. При этом часть энергии излучается, остальная проходит дальше по волноводу. Таким образом, щель является нагрузкой для волновода, в которой рассеивается часть мощности, эквивалентная мощности излучения. Поэтому, представление о влиянии щели на волну в волноводе, или соответственно об эквивалентной схеме щели можно получить, заменив волновод эквивалентной двухпроводной линией, в которую включены сопротивления параллельно (qjв) или последовательно (jх) в зависимости от типа щели. Так, продольная щель эквивалентна параллельно включенному сопротивлению в линию.

Расположение щели представлено на рисунке 6.1. Эквивалентная схема представлена на рис.6.2.[1]:

              Рис. 6.1. Расположение щели.                  Рис. 6.2. Эквивалентная схема.

При расчете пользуются параллельной проводимостью gn, нормированной к волновой проводимости волновода:

Нужно найти смещение щели относительно средней линии широкой стенки волновода х1 .

х1 = 0,4 мм

3.      Ширина щели

Ширина щели в волноводно-щелевой антенне выбирается, исходя из условий обеспечения необходимой электрической прочности и требуемой полосы пропускания. При расчете ширины щели d1 на необходимую электрическую прочность, должен обеспечиваться двух или трехкратный запас по пробивному значению напряженности поля для середины щели, где между ее краями напряженность поля Ещ максимальна. Этот запас выбирается, исходя из конструктивных требований и условий работы щелевой антенны;

Ещ =

где    Um - амплитуда напряжения в пучности;

         Епр - предельное значение напряженности поля, при которой наступает электрический пробой (для воздуха при нормальных атмосферных условиях  Епр = 30 кВ/см)

В случае равномерного амплитудного распределения по антенне, когда излучаемая антенной мощность делится поровну между щелями, амплитуда напряжения в пучности щели:

где   Р – подводимая к антенне мощность;

        GΣ – проводимость излучения щели;

        N – число щелей (N=112).

  Ширина щели определяется по формуле:

d1(23).

                                                                                      d1 = 0,3 мм

           4. Резонансная длина щели

Эта длина весьма близка к резонансной длине щели, при которой эквивалентная реактивная проводимость в равна нулю. Резонансная длина щели несколько меньше /2 и тем меньше, чем шире щель. Кроме того, резонансная длина щели зависит от смещения ее х1 относительно середины широкой стенки волновода. 2l = 4 мм.

7. Направленные свойства волноводно-щелевых антенн

Под направленностью понимается способность антенны концентрировать излучение преимущественно в определенных направлениях. Направленные свойства антенны непосредственно связаны с характером диаграммы направленности (ДН) и зависят от геометрии, размеров и типа антенны, а также от ее расположения относительно проводящих экранов (например, борта летательного аппарата) или поверхности земли.

Диаграммой направленности антенны называется графически представленная зависимость амплитуды напряженности электрического поля антенны от ее направления в пространстве.

Данное определение относится к ДН по полю. В некоторых случаях используется понятие ДН по мощности, определяемой зависимостью плотности потока мощности от направления антенны в пространстве на практике в целях упрощения обычно ограничиваются рассмотрением ДН в двух главных взаимно перпендикулярных плоскостях, линия пересечения которых совпадает с направлением максимума ДН. Одну из этих плоскостей обычно совмещают с вектором электрического поля антенны Е (Е- плоскость), тогда другая плоскость совпадает с вектором Н антенны (Н-плоскость).

Под шириной ДН антенны 20,7 понимают величину угла между направлениями, в которых напряженность поля составляет значение 0,707 от величины поля в направлении максимального излучения. Для расчета ДН много щелевых антенн используют те же методы, что и для многовибраторных антенн. При этом форма ДН определяется амплитудно-фазовым распределением.

Нормированная диаграмма направленности линейной решетки идентичных излучателей может быть записана в виде

F(,) = F1 (,)Fn (,)

где       F1 (,) - диаграмма направленности одного излучателя;

           Fn (,) - множитель антенны, зависящий от числа щелей в антенне.

В случае антенны с равномерным амплитудным распределением, расчет ДН выполняется по формулам [1]:

где  k0=2/ - фазовая постоянная свободного пространства;

        θ – угол, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей. 

так как длина антенны обычно большая (несколько  ) и, кроме того, направленные свойства антенны определяются в основном множителем антенны Fn(). При расчете ДН в вертикальной плоскости F1(θ,φ)=1 [1].

Диаграммы направленностей в вертикальной и горизонтальной плоскостях представлены на рис. 7.1. и рис.7.2.

в горизонтальной плоскости     20,7 = 30

в вертикальной плоскости         20,7 = 100

Рис.7.1. ДН антенной решетки в горизонтальной плоскости.

Рис.7.2. ДН антенной решетки в вертикальной плоскости.

Коэффициент направленного действия – это число, показывающее, во сколько раз необходимо увеличить мощность излучения P при переходе от данной антенны к эталонной, чтобы сохранить неизменной напряженность поля в точке приема.

КНД определяется следующей формулой [1]:

D0 = g0 (3+ =277,17 ;

где    = 2 для продольных щелей в широкой стенке волновода.

Входящий в формулу коэффициент использования раскрыва g0 зависит от амплитудного распределения по антенне:

при равномерном распределении g0 =1.

Замедление фазовой скорости:

Коэффициент полезного действия   = 100% [1].

Так как в резонансной антенне вместо поглощающей нагрузки обычно устанавливают коротко замыкающий поршень, ее КПД выше, чем у нерезонансной антенны тех же размеров. При известных КПД и КНД антенны коэффициент усиления вычисляется по формуле:

G = D0  a=277,17.

8. Расчет волноводного тракта антенны.

Волноводный тракт служит для передачи электромагнитной энергии от генератора к антенне.

              Волноводный тракт заданной антенны включает в себя:

-         линию передачи (волновод),

-         фланцевое соединение,

-         вращающееся сочленение,

-         изгиб.

8.1. Дроссельно-фланцевое соединение.

В любом тракте возникает необходимость соединения отдельных отрезков волноводов и СВЧ узлов друг с другом. Для этой цели используют фланцевые соединения. В дроссельном фланцевом соединении контакт между волноводами осуществляется через последовательный короткозамкнутый шлейф, выполненный в форме канавок и углублений внутри фланца. Дроссельно-фланцевое соединение изображено на рис.8.1.

Рис.8.1. Конструктивная схема дроссельно-фланцевого соединения волноводов.

8.2. Изгиб.

              Изгиб используется при изменении направления передачи электромагнитной энергии прямоугольным волноводом. Изгиб прямоугольных волноводов выполняется по широкой (Е-изгиб) и узкой (Н-изгиб) стенкам и делятся на плавные, уголковые и многоступенчатые.

              Для данной антенны выбрали плавный изгиб. Волновое сопротивление плавного изгиба немного больше волнового сопротивления прямого волновода. Для компенсации отражения расстояние L должно быть кратно целому числу полуволн:      

Высокое значение КВСН достигается при внутреннем радиусе  изгиба:

Учитывая эти условия, получим  R= 12 мм.

              Скрученные секции предназначены для поворота плоскости поляризации волны в волноводе. Плавно скрученная секция прямоугольного волновода с волной Н10 должна иметь длину не менее 2λВ..

8.3. Вращающееся сочинение.

              Назначение вращающегося сочленения состоит в обеспечении передачи электромагнитной энергии при круговом вращении одной части фидерного тракта относительно другой. Основным требованием к вращающимся сочленениям, являются требования минимальных отражений от элементов соединения при заданных углах поворота, отсутствие возможности возникновения паразитных типов колебания, и их резонансов  в объёме вращающегося сочленения, отсутствие утечки мощности. Для передачи энергии используется прямоугольный волновод, а стыкующиеся части волноводов вращающегося сочленения по механическим  и электрическим данным должны быть круглыми [4].  

   Диаметр  основного круглого волновода выбирается из условия распространения волны Е01:

D>0,76*9,7=7,4 (λЕ01)

и затухания высших типов волн ближайшей – Н11:D<0,97*9,7=9,4 (λН11)

                                                            7,4<D<9,4

следовательно: D= 8 мм т.е.  R= 4 мм.

Расчет сочленений с короткозамкнутими шлейфами [4]

Короткозамкнутый шлейф представляет собой круглый волновод, включаемый последовательно с возбуждающим прямоугольным и основ­ным круглым волноводами сочленения. Эквивалентная схема такого сочленения в виде двухпроводных линий представлена на рис.8.2.

Рис.8.2. Эквивалентная электрическая схема вращающегося сочленения с гасящими объемами

В этой схеме не учитывается распространение высших типов волн, которые по длине волновода быстро затухают. Длина и диаметр шлей­фа рассчитываются из следующих условий. Если длину шлейфа сделать кратной целому числу полуволн типа E01 , то входное сопротивле­ние шлейфов для волны Е01 будет мало, и эта волна без затухания будет распространяться в круглом волноводе. Если одновременно сде­лать длину шлейфа кратной нечетному числу четвертей длин волн для волны Н11 ,то входное сопротивление шлейфов для этой волны будет велико,  и волна   Н11   в круглой волноводе распространяться не бу­дет. Следовательно,  длина шлейфов определяется из условия: