Xreferat.com » Рефераты по коммуникации и связи » Рупорно-линзовая антенна

Рупорно-линзовая антенна

Министерство образования РФ

Рязанская государственная радиотехническая академия

Кафедра радиоуправления и связи


Курсовая работа

по дисциплине "Антенны и устройства СВЧ" на тему:

Рупорно-линзовая антенна


Выполнил:

Глазнёв В.В

Руководитель:

Рендакова В.Я.


Рязань 2004

Содержание


Введение

Теоретическая часть (анализ технического задания и обзор вариантов решений)

Расчет основных электрических и геометрических параметров антенны и ее элементов

Конструктивный расчет и разработка конструкции АФУ

Описание конструкции

Заключение

Библиографический список


Введение


Рупорные антенны являются простейшими антеннами СВЧ диапазона. Они могут применяться как самостоятельно, так и в качестве элементов более сложных антенн. Рупорные антенны позволяют формировать диаграммы направленности шириной от 100..140 до 10..20 градусов. Возможность дальнейшего сужения диаграммы направленности ограничивается необходимостью резкого увеличения длины рупора. Для формирования узких диаграмм направленности могут быть использованы двумерные решетки из небольших рупоров. Также, для достижения той же цели и улучшения характеристик рупорной антенны (для выравнивания фазы в раскрыве рупора), в них могут быть вставлены линзы. Совокупность этих решений позволяет создавать антенны довольно компактных размеров с игольчатой диаграммой направленности. Для упрощения задачи согласования приемных и передающих антенн используют антенны с вращающейся поляризацией. Для создания поля с круговой поляризацией применяется включение в волноводный тракт рупора фазирующей секции. При этом приходится отказываться от тех линз, которые применимы только для линейно поляризованных волн (ускоряющие метало-пластинчатые линзы). Рупорные антенны являются широкополосными антеннами, они обеспечивают примерно полуторное перекрытие по диапазону. Частотные свойства линзовых антенн определяется частотными свойствами диэлектрика линзы. Коэффициент полезного действия рупоров высокий и очень близок к 100%. Однако линзы имеют ряд недостатков. Это большой объем, масса, потери в материале линзы и на отражение от ее поверхности. Поэтому, при расчете рупорно-лизовых антенн все эти факторы необходимо учитывать и находить компромиссы. При разумном проектировании можно рассчитать антенну, которая в достаточной степени будет удовлетворять техническому заданию.


1. Теоретическая часть (анализ технического задания и обзор вариантов решений)


В техническом задании предложено спроектировать передающую рупорно-линзовую антенну на 5 кВт с длиной волны Рупорно-линзовая антенна см, с заданной шириной диаграммы направленности по уровню половинной мощности Рупорно-линзовая антенна в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Антенна должна иметь вращающуюся поляризацию, причем необходимо предусмотреть возможность механического поворота антенны в горизонтальной плоскости на Рупорно-линзовая антенна. Заданная диаграмма направленности (ДН) является игольчатой и для ее обеспечения требуется довольно широкий раскрыв. Известно, что для формирования одинаковой ширины ДН в вертикальной и горизонтальной плоскости соотношение широкой и узкой сторон раскрыва рупора должно быть примерно 1.5Рупорно-линзовая антенна1. Однако, для обеспечения такой ДН при вращающейся поляризации необходимо иметь квадратный раскрыв. Но при квадратном раскрыве и вращающейся поляризации ДН будет постоянно меняться во времени, расширяясь в одной плоскости и одновременно сужаясь в другой. Чтобы получить одинаковые ширины ДН, рекомендуется применять внутри рупора специальные симметрирующие пластины определенных размеров (см. рис. 1).


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 1.


Как уже указывалось, рупор должен иметь широкий раскрыв. Но для обеспечения малости фазовых искажений он должен иметь очень большую протяженность. Решением данной проблемы является переход к двумерной синфазной решетке рупорных излучателей (рис. 2).


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 2.


Это сильно уменьшит один из габаритных размеров антенны. Для обеспечения синфазности раскрывов в каждый рупорный излучатель вставляется линза, что дополнительно уменьшит указанный размер. Конечно, можно вставить линзу и в исходный, большой рупор и этим сократить длину рупора, но тогда линза будет иметь большой диаметр и толщину. Следует указать, что в случае вращающейся поляризации нельзя применять металло-пластинчатую линзу, так как она ориентирована только на линейную поляризацию, применяются замедляющие линзы из радиопрозрачного диэлектрика. А такие линзы при большом диаметре и толщине имеют большую массу.

Таким образом, целесообразно остановиться на расчете антенной решетки с синфазно запитанными рупорно-лизовыми излучателями.

Получение вращающейся поляризации в рупорных антеннах с помощью поляризационных фазирующих секций, которые могут быть установлены в волноводе перед рупором (волноводные фазирующие секции), или в раскрыве рупора (см. рис. 3).

Рупорно-линзовая антенна


Рупорно-линзовая антенна


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 3.


Так как в раскрыве рупорного излучателя стоит линза, то вариант с поляризационной секцией в раскрыве не подходит. Волноводные фазирующие секции основаны на том, что в волноводе со сторонами Рупорно-линзовая антенна возбуждаются две взаимно перпендикулярные волны Рупорно-линзовая антенна и Рупорно-линзовая антенна, которые, проходя фазирующую секцию, получают сдвиг фаз друг относительно друга Рупорно-линзовая антенна. Сдвиг фаз получатся из-за различия фазовых скоростей распространяющихся волн. Такие секции выполняются разными способами. Наиболее часто используемыми являются секции на квазиквадратном волноводе со сторонами Рупорно-линзовая антенна, и квадратном волноводе (Рупорно-линзовая антенна) с диэлектрической продольной вставкой. Последние являются довольно компактными по сравнению с первыми, к тому же они просты в настройке, но величина пропускаемой мощности в них ограничивается свойствами диэлектрика. Остановимся на этом варианте. Поскольку фазирующая секция должна вставляться в каждый рупор решетки, то величина пропускаемой мощности каждой секцией будет меньше всей передаваемой мощности во столько раз, сколько всего излучателей. И необходимо учитывать, что она не должна превышать предельную мощность выбираемого диэлектрика.

Способов синфазного запитывания всех излучателей решетки существует несколько. Известно, что наиболее оптимальной чаще всего является двоично-этажная схема типа "ЕЛОЧКА" (рис. 4).


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 4.


Количество излучателей в такой схеме должно быть Рупорно-линзовая антенна штук, она несколько громоздка, однако, довольно хорошо согласуется с питающим фидером. Поэтому будет логичным выбор этого способа питания.

Таким образом, можно изобразить первоначальную схему разрабатываемой антенны. Схема антенны в одной плоскости изображена на рис. 5.


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 5.

Расчет антенны будем проводить в следующей последовательности. Сначала рассчитаем раскрыв одиночного рупора, который будет формировать заданную диаграмму направленности. Далее, задаваясь количеством рупорных излучателей, и считая полученную площадь раскрыва площадью излучения синфазной решетки, найдем размеры раскрыва маленьких рупоров. После этого можно рассчитать диаграмму направленности одного излучателя, определить, и по возможности обеспечить необходимое оптимальное расстояние между рупорными излучателями для подавления дифракционных лепестков решетки. Затем, зная размеры раскрывов излучателей, определим параметры диэлектрической линзы и необходимые углы растворов рупоров. После этого рассчитывается распределение амплитуд токов в раскрыве одного излучателя, полагая все фазовые искажения скомпенсированными линзой. По этому распределению находится диграмма направленности рупорно-линзового излучателя и уточняется оптимальное расстояние между рупорами. Одновременно можно рассчитать размеры сторон и длину фазирующей секции с диэлектрической вставкой. А затем, учитывая найденные углы раствора рупоров и размеры сторон секции, находится длина рупорного излучателя. Затем, для обеспечения одинаковой ширины диграммы направленности при вращающейся поляризации рассчитываются размеры металлических пластин, вставляющихся с этой целью в рупора.

Эти расчеты позволят определить основные параметры антенны: диаграмму направленности (ее ширину и уровень боковых лепестков), коэффициент направленного действия, коэффициент усиления, коэффициент полезного действия. Дополнительно можно определить такие параметры как коэффициенты отражения от горла рупора и линзы, и при необходимости решить вопросы по согласованию.

Далее, можно приступать к определению элементов антенны, необходимых для обеспечения работы антенны, в частности элементов фидерного тракта используемых в системе запитки. Потом описывается конструкция всей антенной решетки, включая поворотное устройство, обеспечивающее необходимый поворот диаграммы направленности.


2. Рупорно-линзовая антеннаРасчет основных электрических и геометрических параметров антенны

Рупорно-линзовая антенна

Рассчитаем раскрыв одиночного рупора, формирующего диаграмму направленности шириной по уровню половины мощности Рупорно-линзовая антенна в горизонтальной и вертикальной плоскости. Поскольку в рупоре распространяется волна с вращающейся поляризацией, то раскрыв рупора квадратный, и в раскрыве рупора в обеих плоскостях амплитуда токов распределена по косинусоидальному закону. Найдем стороны раскрыва из соотношения:


Рупорно-линзовая антенна отсюда Рупорно-линзовая антенна; Рупорно-линзовая антенна


Получим:


Рупорно-линзовая антенна


Разобьем полученный раскрыв одиночного рупора на несколько одинаковых рупорных излучателей. Поскольку системой питания выбрана схема "елочка", которая требует Рупорно-линзовая антенна излучателей и общее количество этих излучателей не должно превышать нескольких десятков, то ограничимся m=8 излучателями в каждой плоскости. Тогда расстояние между фазовыми центрами излучателей


Рупорно-линзовая антенна


Зная эти параметры можно диаграмму направленности множителя решетки в одной плоскости (рис. 6):


Рупорно-линзовая антенна


где deg обозначает градусы.


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 6.


Поскольку решетка совершенно идентична в обеих плоскостях, то и в другой плоскости множитель решетки будет выглядеть точно также. И вообще, все последующие расчеты будем выполнять для одной плоскости, с условием , что в другой плоскости все будет аналогично. Определим положение первого дифракционного лепестка:


Рупорно-линзовая антенна

Диаграмму направленности одного излучателя (раскрыв маленького рупора) необходимо выбрать таким образом, чтобы ее первые нули попадали точно в центр дифракционного лепестка. Определим необходимые размеры раскрыва рупорного излучателя из выражения, определяющего положение первого нуля диаграммы направленности (распределение амплитуд токов в раскрыве косинусоидальное):


Рупорно-линзовая антенна Рупорно-линзовая антенна


Сравним раскрыв рупора с расстоянием между излучателями:


Рупорно-линзовая антенна


Необходимый раскрыв рупора получился больше, чем расстояние между излучателями, которое, собственно говоря, является оптимальным. Раскрыв рупора не может быть больше этого расстояния, поэтому примем Рупорно-линзовая антенна. При этом дифракционные лепестки попадут в диаграмму направленности одного излучателя. Уровень этих лепестков определим позже.

Построим диаграмму направленности одного рупора (рис. 7):


Рупорно-линзовая антенна


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 7.


Определим параметры линзы, вставляемой в рупорный излучатель. В рупоре возбуждается сферическая волна, поэтому будем применять осесимметричную линзу. В рупоре присутствуют амплитудные искажения, расширяющие диаграмму направленности. Рассчитанная диаграмма направленности не удовлетворяет условию подавления дифракционных лепестков. Поэтому используем линзу, которая перераспределяет амплитуды токов таким образом, что к краям это распределение возрастает. Освещаемая поверхность такой линзы является поверхностью сферы (рис. 8). Преломляющей является теневая поверхность, которая имеет форму эллипсоида вращения вокруг оси х.


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 8.

В качестве материала, из которого будет изготовлена линза, выберем текстолит. При длине волны Рупорно-линзовая антенна текстолит имеет следующие параметры: Рупорно-линзовая антенна, Рупорно-линзовая антенна. Коэффициент преломления линзы Рупорно-линзовая антенна. Диаметр линзы примем равным диагонали раскрыва рупора Рупорно-линзовая антенна. На практике расстояние от линзы до фокуса принимается равным диаметру линзы, поэтому Рупорно-линзовая антенна. Фокус линзы должен лежать в вершине рупора. Найдем толщину линзы:


Рупорно-линзовая антенна


Определим угол раскрыва линзы (рис. 9).


Рупорно-линзовая антенна


Необходимый угол раскрыва рупора:


Рупорно-линзовая антенна


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 9.

Вставленная в рупор линза, изменяет распределение амплитуд токов в раскрыве. Рассчитаем это распределение.

Координата х (рис. 9) связана с углом Рупорно-линзовая антенна следующим соотношением:


Рупорно-линзовая антенна;


f-фокусное расстояние, n-коэффициент преломления линзы.

Используя тригонометрические соотношения, определим обратную зависимость


Рупорно-линзовая антенна


Распределение амплитуд токов, создаваемое осесимметричной с освещенной преломляющей поверхностью линзой определяется следующим выражением:


Рупорно-линзовая антенна


А суммарное амплитудное распределение рупорно-линзового излучателя рассчитывается по следующей формуле и имеет вид, изображенный на рис. 10.


Рупорно-линзовая антенна


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 10.


Поле излучения апертурных антенн с прямоугольным раскрывом определяется общей формулой:


Рупорно-линзовая антенна,


где Рупорно-линзовая антенна- нормированная диаграмма направленности элемента Гюйгенса; множитель Рупорно-линзовая антенна-имеет модуль равный единице, и определяет поляризацию поля; Рупорно-линзовая антенна-расстояние от центра апертуры до точки приема; Рупорно-линзовая антенна-нормированная функция амплитудно-фазового распределения в апертуре. В нашем же случае, считая, что поверхность апертуры синфазна, модуль этой функции для одной плоскости примет вид:


Рупорно-линзовая антенна


Максимальное значение модуля равно:


Рупорно-линзовая антенна


Таким образом, диаграмма направленности рупорно-линзового излучателя будет иметь вид:


Рупорно-линзовая антенна, где Рупорно-линзовая антенна; Рупорно-линзовая антенна


На рис. 11 изображены ДН рупора с линзой и без.


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 11.


Зная теперь диаграмму направленности одного излучателя и множителя решетки, можно построить диаграмму направленности всей решетки в одной плоскости:


Рупорно-линзовая антенна

Графическое изображение ДН показано на рис. 12.


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 12.


Трехмерное изображение полученной диаграммы направленности в декартовой системе координат показано на рис. 13.


Рупорно-линзовая антенна


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 13.


Рассчитаем параметры волноводной фазирующей секции. Как раньше было оговорено, фазирующую секцию будем строить на базе квадратного волновода с вертикальной диэлектрической вставкой, в котором распространяются две волны–Рупорно-линзовая антенна и Рупорно-линзовая антенна. Диэлектрическая вставка воздействует в основном на волну Рупорно-линзовая антенна, вектор Е которой параллелен пластине и почти не замедляет волну Рупорно-линзовая антенна, у которой вектор Е перпендикулярен пластине. Разность фаз на выходе фазирующей секции определяется формулой:


Рупорно-линзовая антенна,


где Рупорно-линзовая антенна и Рупорно-линзовая антенна-коэффициенты фазы составляющих волн.

Условие вращающейся поляризации Рупорно-линзовая антенна, тогда длина секции:


Рупорно-линзовая антенна


Коэффициенты Рупорно-линзовая антенна и Рупорно-линзовая антенна можно выбрать из экспериментальных графиков на рис. 14


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 14.


Определим размеры стенок волноводной секции:


Рупорно-линзовая антенна

Рупорно-линзовая антенна


В качестве диэлектрика выберем стеатитовую керамику, которая при длине волны Рупорно-линзовая антенна обладает следующими параметрами: Рупорно-линзовая антенна. Толщину диэлектрической вставки возьмем таким образом, что бы:


Рупорно-линзовая антенна, то есть Рупорно-линзовая антенна


При такой толщине вставки коэффициенты фазы имеют следующие значения :


Рупорно-линзовая антенна Рупорно-линзовая антенна


Тогда длина секции будет равна:


Рупорно-линзовая антенна


Для того чтобы отражение волны от вставки было мало, концы диэлектрической пластины можно выполнить в виде симметричных ласточкиных хвостов, как показано на рис. 3. Следует отметить, что диэлектрическая вставка должна располагаться не прямо в стыке горла рупора с волноводной секцией, а за фазовым центром рупора

Рассчитаем параметры специальных металлических пластин, вставляемых в рупорно-линзовые излучатели с целью обеспечения одинаковых диаграмм направленности в Е- и Н-плоскостях при квадратном раскрыве рупоров. Вид такого рупора изображен на рис. 15. Расстояние между пластинами делается равным Рупорно-линзовая антенна.


Рупорно-линзовая антенна

Рис. 15.


Размеры пластин выберем в соответствии с этим рисунком.


Рупорно-линзовая антенна

Рупорно-линзовая антенна

Рупорно-линзовая антенна


Длины пластин раны длине рупора.

Рассчитаем длину рупорно-линзового излучателя. Обращаясь к рисунку 16 (сечение рупорно-линзового излучателя без пластин) видно, что


Рупорно-линзовая антенна

Рупорно-линзовая антенна


Таким образом,


Рупорно-линзовая антенна

Рупорно-линзовая антенна

Рис. 16.


Приступим к расчету коэффициентов отражения от линзы и горла рупора. Коэффициент отражения от горла рупора определяется формулой:

Рупорно-линзовая антенна

Рупорно-линзовая антенна,


где Рупорно-линзовая антенна и Рупорно-линзовая антенна- размеры питающего волновода, Рупорно-линзовая антенна и Рупорно-линзовая антенна - углы раствора рупора в Н- и Е-плоскостях соответственно, Рупорно-линзовая антенна-длина волны в волноводе.

В нашем случае Рупорно-линзовая антенна и Рупорно-линзовая антенна это размеры фазирующей секции, причем Рупорно-линзовая антенна. Углы раствора рупора для волны Рупорно-линзовая антенна будут следующими. В горизонтальной плоскости угол будет таким, какой мы рассчитали ранее, а в вертикальной – он будет определяться пластинами внутри рупора. Пластины уменьшают угол раскрыва. Рассчитаем его по той же формуле, что и ранее, при этом, не забывая учесть, что пластины сужают сторону раскрыва (рис. 15) до:


Рупорно-линзовая антенна


Высота рупора в Е-плоскости будет другой, ее можно определить из соотношения:

Рупорно-линзовая антенна, где Рупорно-линзовая антенна и Рупорно-линзовая антенна- размеры волновода (секции).

таким образом


Рупорно-линзовая антенна

Рупорно-линзовая антенна


Длина волны в фазирующей секции


Рупорно-линзовая антенна

Рупорно-линзовая антеннам


Тогда


Рупорно-линзовая антенна


Теперь можно рассчитать Рупорно-линзовая антенна:


Рупорно-линзовая антенна


И модуль коэффициента отражения будет равен:


Рупорно-линзовая антенна

Для волны Рупорно-линзовая антенна все выше сказанное будет аналогично с той лишь разницей, что Е-плоскость сменится на Н, а Н – на Е. И коэффициент отражения будет таким же.

При таком отражении коэффициент бегущей волны в фидере будет следующим:


Рупорно-линзовая антенна

Рупорно-линзовая антенна


Будем считать КБВ удовлетворительным, однако, дальнейшее его снижение весьма нежелательно.

Коэффициент отражения от линзы R при углах падения 30…35 градусов можно с хорошим приближением считать равным R при нормальном падении, т. е.


Рупорно-линзовая антенна,

Рупорно-линзовая антенна


Для достижения устранения отраженной волны используем такой путь. На диэлектрик линзы нанесем слой другого диэлектрика с коэффициентом преломления Рупорно-линзовая антенна и толщиной t, равной четверти длины волны в согласующем слое:


Рупорно-линзовая антенна


В качестве диэлектрика с указанным параметром выберем фторопласт-4, у которого при длине волны 5 см Рупорно-линзовая антенна.

Такой слой вполне удовлетворительно обеспечивает согласование до углов падения до 40 градусов, при этом Рупорно-линзовая антенна.

Определим коэффициенты полезного действия рупорно-линзового излучателя и волноводной фазирующей секции. КПД излучателя определяется в основном линзой, так как КПД рупора примерно равен единице. КПД линзы определяется по формуле: Рупорно-линзовая антенна, где Рупорно-линзовая антенна-средняя длина пути луча в теле линзы, в нашем случае Рупорно-линзовая антенна и Рупорно-линзовая антенна. Итак, учитывая, что линза состоит из двух слоев диэлектрика:


Рупорно-линзовая
					</div>
					<div class=Страницы: 1 2