Міністерство загальної та професійної
освіти Російської Федерації
РГРТА
Кафедра РУС
Реферат:
«Синфазні решітка з рупорних антен»
Рязань 2001
Зміст
Введення
Теоретична частина
Розрахунок одиночного рупора
Розрахунок антеною решітки
Висновок
Список літератури
Введення
Рупорні антени є простими антенами НВЧ-діапазону. Випромінювач типу відкритого кінця хвилеводу можна розглядати як рупор, у якого кут розкриття дорівнює нулю. Для отримання більш гострої діаграми спрямованості перетин стандартного хвилеводу можна збільшувати плавно, перетворюючи хвилевід в рупор. У цьому випадку структура поля в хвилеводі в основному зберегтися. У горлі рупора, тобто в місці його з'єднання з хвилеводом, все ж таки виникають вищі типи хвиль. Однак якщо кут розкриття рупора не занадто великий, то хвилі всіх типів, крім основного, швидко загасають в околиці горловини рупора, а по рупор буде поширюватися тільки коливання основного типу.
Основні типи рупорів утворюються в результаті розширення прямокутного або круглого хвилеводу. Якщо розширення прямокутного хвилеводу відбувається тільки в одній площині, то виходить секторальних рупор. У залежності від того, в якій площині відбувається розширення, розрізняють Н-площинні і Е-площинні секторальних рупори. Якщо прямокутний хвилевід розширюється відразу в двох площинах, виходить пірамідальний рупор. Розширюється круглий хвилевід утворює конічний рупор. Крім зазначених типів, застосовуються ще комбіновані прямокутні рупора.
Рупорні антени можуть застосовуватися як самостійно, так і в якості елементів більш складних антен. Рупорні антени дозволяють формувати діаграми напруженості (ДН) шириною від 100-140 градусів до 10-20 градусів. Можливість подальшого звуження ДН обмежується необхідністю різкого збільшення довжини рупора. Рупорні антени є широкосмуговими, вони забезпечують приблизно полуторное перекриття за діапазоном. Можливість зміни робочої частоти в ще більших межах обмежується збудженням і поширенням, в живильному хвилеводі вищих типів хвиль. Коефіцієнт корисної дії рупора - високий (приблизно 100%). Включення до волноводной тракт фазує секції або в розкривши поляризаційної решітки забезпечує створення поля з круговою поляризацією. Для формування вузьких ДН можуть бути використані двовимірні решітки з невеликих рупорів. Для цього треба взяти кілька слабонаправленних випромінювачів, розташувати їх певним чином у просторі, живити від загального генератора і підібрати належним чином амплітуди і фази їх струмів.
Теоретична частина
Розрахунок рупорних антен заснований на результатах їх аналізу, тобто спочатку орієнтовно задаються геометричними розмірами антени, а потім визначають її електричні параметри. Якщо розміри обрані невдало, то розрахунок повторюється знову.
Поле випромінювання рупорної антени, як і всіх антен СВЧ, визначається наближеним методом. Сутність наближення полягає в тому, що незважаючи на зв'язок між полем всередині і поза рупора, внутрішню задачу вирішують незалежно від зовнішньої, і отримані з цього рішення значення поля в площині розкриву рупора використовують для вирішення зовнішньої задачі.
Амплітудне розподіл поля в розкриві рупора приймається таким же, як і в живильному його хвилеводі. При порушенні рупора прямокутним хвилеводом з хвилею Н10 вздовж осі X (проходить в площині Н) розподіл амплітуди поля косінусоідальное, а вздовж осі Y (проходить в площині Е) амплітудне розподіл рівномірний
У зв'язку з тим, що фронт хвилі в рупорі не залишається плоским, а трансформується в циліндричний в секторіально рупорі і в сферичний в пірамідальному і конічному, то фаза поля по розкриву змінюється за квадратичним законом.
Описані амплітудне і фазовий розподіл поля по розкриву є наближеними. Деякий уточнення дає облік відбиття від розкриву хоча б тільки основного типу хвилі. При цьому треба мати на увазі, що коефіцієнт відбиття зменшується зі збільшенням розкриву.
Діаграма спрямованості рупорної антени по відомому полю в розкриві може розраховуватися методом хвильової оптики на основі принципу Гюйгенса і формули Кірхгофа. Застосування формули Кірхгофа до електромагнітного поля не є строгим. Маючи вираз для діаграми спрямованості, можна знайти коефіцієнт спрямованої дії антени, залежність ширини діаграми спрямованості від розмірів розкриву та інші характеристики антени.
Рупорна антена складається з рупора, хвилеводу і збудливого пристрою.
Розрахунок одиночного рупора
1). Вибір хвилеводу.
Хвилевід вибираємо виходячи із заданої робочої частоти:
Марка хвилеводу:
Розміри хвилеводу:
у площині вектора Н:
у площині вектора Е:
Довжину хвилі л знаходимо за формулою:
,
де - Швидкість світла.
2). Розміри рупора.
а). Ширина сторін розкриву.
Ширину сторін розкриву рупора знаходимо із заданого розміру розкриву одиночного рупора:
S = 700 см 2.
Так само відомо що, пірамідальний рупор оптимальний, якщо спотворення в Н-площині складають б 1 = 135є, а в Е-площині - б 2 = 90 º. Отримуємо співвідношення:
Позначимо:
а 1 - ширина рупора в площині Н;
а 2 - ширина рупора в площині Є.
Складаємо систему з двох рівнянь:
з цих рівнянь знаходимо:
а 1 = 32.4 см
а 2 = 21.6 см
б). Довжина рупора.
Позначимо:
h 1 - довжина рупора в площині H,
h 2 - довжина рупора в площині Є.
см,
см.
Для пірамідального рупора ці довжини можуть бути різними і не сумісними, тому використовуємо рівняння «стикування рупора з хвилеводом»:
h 1 (1 - a / a 1) = h 2 (1 - b / a 2),
Щоб фазові спотворення в розкриві не перевищили допустимих, більше значення довжини h приймаємо за постійне число і висловлюємо менше значення через більше.
Підставляємо отримані значення довжин рупора в рівняння «стикування рупора з хвилеводом»:
;
Приймаються значення: і
за дійсні і в подальших розрахунках будемо використовувати їх.
в). Кут розкриття рупора:
Знаючи ширину сторін розкриву і довжини рупора, вважаємо кут розкриття в двох площинах за формулами:
;
, Кут розкриття в площині Н,
;
, Кут розкриття в площині Є.
3). Коефіцієнт спрямованої дії одного випромінювача.
,
де н - коефіцієнт використання площі.
Для пірамідального рупора .
4). Розрахунок ширини діаграм для одного рупора.
Ширина діаграми спрямованості в площині Н:
,
.
Ширина діаграми спрямованості в площині Е:
,
.
5). Графічне побудова діаграми спрямованості одиничного випромінювача.
При розрахунку діаграми спрямованості антени поле в розкриві можна приймати синфазним, так як в правильно спроектованому рупорі фазова помилка не змінює істотно діаграму спрямованості. Амплітудне розподіл як вказувалося раніше, приймається збігається з полем у поперечному перерізі живлячої хвилеводу.
Діаграма спрямованості рупора може бути наближено розрахована з виразу, отриманого за формулою Кірхгофа.
У площині вектора Н (Рис.1):
Малюнок 1.
У площині вектора Е (Рис.2):
Малюнок 2.
За графіками визначаємо ширину діаграми спрямованості по перших нулях:
у площині вектора Н:
;
у площині вектора Е:
Розрахунок антеною решітки
Решітка синфазних, тобто струми всіх випромінювачів синфазних (мають однакову фазу).
1). Розрахунок оптимальної відстані між антенами в решітці.
При оптимальній відстані між випромінювачами КНД синфазної решітки досягає максимального значення, тому це відстань називається оптимальним.
;
, У площині вектора М.
Так як d 1опт менше, ніж розмір розкриву рупора в цій площині, то беремо значення d 1опт рівне a 1:
;
, У площині вектора Е.
Так як d 2опт менше, ніж розмір розкриву рупора в цій площині, то беремо значення d 2опт рівне a 2:
Приймаються значення: і
за дійсні і в подальших розрахунках будемо використовувати їх.
2). Коефіцієнт спрямованої дії антени.
Якість антени характеризується коефіцієнтом підсилення антени, рівним добутку коефіцієнта спрямованої дії (КНД) на коефіцієнт корисної дії (ККД) антени:
Для рупорних антен можна вважати, що потужність втрат значно менше потужності випромінювання, завдяки чому ККД антени можна прийняти рівним одиниці: , Значить
За технічним завданням: дБ або
;
- КНД антени.
3). Розрахунок кількості випромінювачів в решітці.
Розрахуємо ширину діаграми спрямованості на рівні 0.5 за формулами:
,
у площині вектора Н, де - Число випромінювачів в рядку.
,
у площині вектора Е, де - Число випромінювачів у стовпці.
У технічному завданні дано: ширина діаграми спрямованості на рівні 0.5 за потужністю в горизонтальній площині . Складемо співвідношення і отримаємо:
.
Також відомо, що коефіцієнт спрямованої дії антени розраховується за формулою:
Отримали систему з двох рівнянь з двома невідомими і
:
Висловлюємо і
, І знаходимо їх значення:
, Округляємо до 4.
, Округляємо до 12.
Приймаються значення: і
за дійсні і в подальших розрахунках будемо використовувати їх.
Загальне число випромінювачів у антеною гратах:
4). Габарити решітки.
L1 - довжина антени в рядку:
.
L2 - довжина антени в стовпці:
.
5). Положення дифракційних максимумів.
У площині вектора Н (Рис.3):
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
± 7.092є | ± 14.183є | ± 21.275є | ± 28.367є | ± 35.458є |
; P = 1, 2 ...
Малюнок 3.
У площині вектора Е (Рис.4):
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
± 10. 672 є | ± 21. 344 є | ± 32. 016 є | ± 42.688 є | ± 53. 360 є |
; p = 1, 2 ...
Малюнок 4.
6). Графічне побудова діаграми спрямованості (ДН) решітки.
Діаграма спрямованості решітки є твір ДН одного випромінювача решітки на ДН множника решітки.
Строєм ДН множника решітки, при цьому враховуючи, що грати синфазно.
У площині вектора Н (Рис.5):
Малюнок 5.
У площині вектора Е (Рис.6):
Малюнок 6.
Будуємо ДН решітки.
У площині вектора Н (Рис.7):
Малюнок 7.
У площині вектора Е (Рис.8):
Малюнок 8.
Висновок
У даній роботі були розраховані необхідні параметри синфазної решітки з рупорних антен: розміри хвилеводу, розміри рупора, КНД випромінювача, габарити решітки, кількість випромінювачів, відстань між випромінювачами; побудовані графіки: ДН одиничного випромінювача, ДН множника системи, ДН решітки. Представлена структурна схема живлення рупорів від загального генератора.
Рупорні антени мають ряд цінних якостей: вони прості по конструкції, широкосмуговий, дозволяють здійснювати незалежне зміна ДН в Е-і Н-площинах у пірамідального рупора, володіють високим ККД = 1 і відносно низьким рівнем бічних пелюсток. Часто рупори застосовуються як антен вимірювальних приладів, а також опромінювачів дзеркальних і лінзових антен.
Список літератури
А.Л. Драбкін і В.Л. Зузенко «Антенно-фідерні пристрої» Видавництво «Радянське радіо» Москва-1961-му
2. Д.М. Сазонов «Антени та пристрої НВЧ», Москва «Вища школа» 1988году
А.С. Лавров, Г.Б. Резніков «Антенно-фідерні пристрої» Москва «Радянське радіо» 1974році
Під редакцією Д.І. Воскресенського «Антени та пристрої НВЧ» Розрахунок і проектування антенних решіток і їх випромінюючих елементів. Видавництво «Радянське радіо» Москва-1972 році
Антени та пристрої НВЧ: Методичні вказівки до лабораторних робіт. Частина / РГРТА; Склали: В.Я. Рендакова, А.Д. Касаткін, А.В. Маторін, А.В. Рубцов; Під редакцією А.В. Рубцова. Рязань, 1998 рік