Синфазная решетка из рупорных антенн (63137)

Посмотреть архив целиком

Министерство общего и профессионального

образования Российской Федерации



РГРТА


Кафедра РУС








Реферат:


« Синфазная решетка из рупорных антенн »












Рязань 2001 г.


Содержание


Введение

  1. Теоретическая часть

  2. Расчет одиночного рупора

  3. Расчет антенной решетки

Заключение

Список литературы


Введение


Рупорные антенны являются простейшими антеннами СВЧ-диапазона. Излучатель типа открытого конца волновода можно рассматривать как рупор, у которого угол раскрыва равен нулю. Для получения более острой диаграммы направленности сечение стандартного волновода можно увеличивать плавно, превращая волновод в рупор. В этом случае структура поля в волноводе в основном сохраниться. В горле рупора, то есть в месте его соединения с волноводом, всё же возникают высшие типы волн. Однако если угол раскрыва рупора не слишком велик, то волны всех типов, кроме основного, быстро затухают в окрестности горловины рупора, а по рупору будет распространяться только колебания основного типа.

Основные типы рупоров образуются в результате расширения прямоугольного или круглого волновода. Если расширение прямоугольного волновода происходит только в одной плоскости, то получается секториальный рупор. В зависимости от того, в какой плоскости происходит расширение, различают Н-плоскостные и Е-плоскостные секториальные рупоры. Если прямоугольный волновод расширяется сразу в двух плоскостях, получается пирамидальный рупор . Расширяющийся круглый волновод образует конический рупор . Кроме указанных типов, применяются ещё комбинированные прямоугольные рупора.

Рупорные антенны могут применяться как самостоятельно, так и в качестве элементов более сложных антенн. Рупорные антенны позволяют формировать диаграммы напряжённости (ДН) шириной от 100-140 градусов до 10-20 градусов. Возможность дальнейшего сужения ДН ограничивается необходимостью резкого увеличения длины рупора. Рупорные антенны являются широкополосными, они обеспечивают примерно полуторное перекрытие по диапазону. Возможность изменения рабочей частоты в ещё больших пределах ограничивается возбуждением и распространением, в питающем волноводе высших типов волн. Коэффициент полезного действия рупора - высокий (приблизительно 100%). Включение в волноводной тракт фазирующей секции или в раскрыв поляризационной решётки обеспечивает создание поля с круговой поляризацией. Для формирования узких ДН могут быть использованы двумерные решётки из небольших рупоров. Для этого надо взять несколько слабонаправленных излучателей, расположить их определенным образом в пространстве, запитать от общего генератора и подобрать должным образом амплитуды и фазы их токов.

  1. Теоретическая часть


Расчет рупорных антенн основан на результатах их анализа, то есть первоначально ориентировочно задаются геометрическими размерами антенны, а затем определяют её электрические параметры. Если размеры выбраны неудачно, то расчет повторяется снова.

Поле излучения рупорной антенны, как и всех антенн СВЧ, определяется приближенным методом. Сущность приближения заключается в том, что несмотря на связь между полем внутри и вне рупора, внутреннюю задачу решают независимо от внешней, и полученные из этого решения значения поля в плоскости раскрыва рупора используют для решения внешней задачи.

Амплитудное распределение поля в раскрыве рупора принимается таким же, как и в питающем его волноводе. При возбуждении рупора прямоугольным волноводом с волной Н10 вдоль оси X (проходящей в плоскости Н) распределение амплитуды поля косинусоидальное, а вдоль оси Y (проходящей в плоскости Е) амплитудное распределение равномерное

В связи с тем, что фронт волны в рупоре не остается плоским, а трансформируется в цилиндрический в секториальном рупоре и в сферический в пирамидальном и коническом, то фаза поля по раскрыву меняется по квадратичному закону.

Описанные амплитудное и фазовое распределение поля по раскрыву являются приближенными. Некоторое уточнение дает учет отражения от раскрыва хотя бы только основного типа волны. При этом надо иметь в виду, что коэффициент отражения уменьшается с увеличением раскрыва.

Диаграмма направленности рупорной антенны по известному полю в раскрыве может рассчитываться методом волновой оптики на основе принципа Гюйгенса и формулы Кирхгофа. Применение формулы Кирхгофа к электромагнитному полю не является строгим. Имея выражение для диаграммы направленности, можно найти коэффициент направленного действия антенны, зависимость ширины диаграммы направленности от размеров раскрыва и другие характеристики антенны.

Рупорная антенна состоит из рупора, волновода и возбуждающего устройства .


  1. Расчет одиночного рупора


1). Выбор волновода.

Волновод выбираем исходя из заданной рабочей частоты:



Марка волновода:

Размеры волновода:

в плоскости вектора Н:



в плоскости вектора Е:



Длину волны л находим по формуле:


,


где - скорость света.



2). Размеры рупора.

а). Ширина сторон раскрыва.

Ширину сторон раскрыва рупора находим из заданного размера раскрыва одиночного рупора:


S=700 см2.


Так же известно что, пирамидальный рупор оптимален, если искажения в Н-плоскости составляют б1= 135є, а в Е-плоскости – б2=90є. Получаем соотношение:



Обозначим:

а1 - ширина рупора в плоскости Н;

а2 - ширина рупора в плоскости Е.

Составляем систему из двух уравнений:



из этих уравнений находим:


а1=32.4 см

а2=21.6 см


б). Длина рупора.

Обозначим:

h1 - длина рупора в плоскости H,

h2 - длина рупора в плоскости Е.


см,

см.


Для пирамидального рупора эти длины могут быть различными и не совместимыми, поэтому используем уравнение «стыковки рупора с волноводом»:


h1 (1-a/a1) = h2 (1-b/a2),


Чтобы фазовые искажения в раскрыве не превысили допустимых, большее значение длины h принимаем за постоянное число и выражаем меньшее значение через большее.

Подставляем полученные значения длин рупора в уравнение «стыковки рупора с волноводом»:


;


Принимаем значения: и за действительные и в дальнейших расчётах будем использовать их.

в). Угол раскрыва рупора:

Зная ширину сторон раскрыва и длины рупора, считаем угол раскрыва в двух плоскостях по формулам:


; , угол раскрыва в плоскости Н,

; , угол раскрыва в плоскости Е.


3). Коэффициент направленного действия одного излучателя.


,


где н - коэффициент использования площади.

Для пирамидального рупора .



4). Расчёт ширины диаграмм для одного рупора.

Ширина диаграммы направленности в плоскости Н:


, .


Ширина диаграммы направленности в плоскости Е:


, .


5). Графическое построение диаграммы направленности единичного излучателя.

При расчете диаграммы направленности антенны поле в раскрыве можно принимать синфазным, так как в правильно спроектированном рупоре фазовая ошибка не изменяет существенно диаграмму направленности. Амплитудное распределение как указывалось раньше, принимается совпадающем с полем в поперечном сечении питающего волновода.

Диаграмма направленности рупора может быть приближенно рассчитана из выражения, полученного по формуле Кирхгофа.

В плоскости вектора Н (Рис.1):



Рисунок 1.


В плоскости вектора Е (Рис.2):



Рисунок 2.


По графикам определяем ширину диаграммы направленности по первым нулям:

в плоскости вектора Н:


;


в плоскости вектора Е:



  1. Расчет антенной решетки


Решетка синфазная, то есть токи всех излучателей синфазны (имеют одинаковую фазу).

1). Расчет оптимального расстояния между антеннами в решётке.

При оптимальном расстоянии между излучателями КНД синфазной решетки достигает максимального значения, поэтому это расстояние называется оптимальным.


; , в плоскости вектора Н.


Так как d1опт меньше, чем размер раскрыва рупора в этой плоскости, то берём значение d1опт равное a1:


; , в плоскости вектора Е.


Так как d2опт меньше, чем размер раскрыва рупора в этой плоскости, то берём значение d2опт равное a2:

Принимаем значения: и за действительные и в дальнейших расчётах будем использовать их.

2). Коэффициент направленного действия антенны.

Качество антенны характеризуется коэффициентом усиления антенны, равным произведению коэффициента направленного действия (КНД) на коэффициент полезного действия (КПД) антенны:



Для рупорных антенн можно считать, что мощность потерь значительно меньше мощности излучения, благодаря чему КПД антенны можно принять равным единице: , значит

По техническому заданию: дБ или ;

- КНД антенны.

3). Расчёт количества излучателей в решетке.

Рассчитаем ширину диаграммы направленности на уровне 0.5 по формулам:


,


в плоскости вектора Н, где - число излучателей в строке.


Случайные файлы

Файл
17063.rtf
43122.rtf
181380.rtf
131638.rtf
72257-1.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.