Рупорно-линзовая антенна

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

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

Такой слой вполне удовлетворительно обеспечивает согласование до углов падения до 40 градусов, при этом .

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: , где -средняя длина пути луча в теле линзы, в нашем случае и . Итак, учитывая, что линза состоит из двух слоев диэлектрика:

.

КПД поляризационной секции найдем по той же формуле. Он будет определяться диэлектриком.

Таким образом, можно сделать вывод, что КПД рупорно-линзового излучателя, вместе с поляризационной вставкой в основном определяется КПД линзы, и он равен 0.69.

Зная КПД одного излучателя решетки, и предполагая, что все элементы схемы питания и фидерного тракта имеют КПД близкие к единице, можно рассчитать КПД всей антенной решетки.

Мощность, поступающая в антенну равна 5 кВт, она делится системой запитки между всеми излучателями поровну, количество излучателей 64. То есть, мощность, приходящаяся на один излучатель равна:

Выходная мощность одного излучателя определяется КПД его элементов и потерями на отражение. Так как применены специальные меры, то отражением от линзы можно пренебречь. Потери в рупоре, и фазирующей секции малы, поэтому ими тоже пренебрегаем. Тогда выходная мощность будет определяться отражениями от горла рупора и КПД линзы. Как показано выше, КПД линзы равен 0.64. Коэффициент отражения от горла рупора равен 0.112, тогда коэффициент прохождения по мощности будет равен . Итак,

Общая выходная мощность решетки является суммой выходных мощностей всех излучателей, т. е.:

КПД антенной решетки:

Очевидно, что КПД антенны слишком низок, поэтому необходимо принять меры по его повышению. КПД решетки получился таким потому, что низок КПД линз излучателей, который в свою очередь определяется потерями в диэлектрике линзы. Текстолит, который выбран в качестве материала линзы, имеет значительные потери (). Вместо текстолита можно взять плавленый кварц, который имеет коэффициент преломления близкий к коэффициенту преломления текстолита, но потери у него намного меньше (). Тогда КПД будет примерно равен 95%.

Диапазонность рассчитываемой антенны определяется диапазонностью рупора, и фидерного тракта, так как коэффициент преломления применяемых диэлектриков, практически не зависит от частоты. Таким образом, рабочая полоса ограничивается выбираемым в качестве фидера волноводом.

Выберем волновод. Исходя из заданной в техническом задании длины волны, применим волновод ВП-40х20х1.5-А7 (волновод прямоугольный из алюминия марки А7, со сторонами a=40мм, b=20мм и толщиной стенки 1.5 мм). Диапазон рабочих частот 4.64…7.05 ГГц. Максимально допустимая мощность 806 кВт.

Таким образом, рабочая полоса частот антенны: 4.64…7.05 ГГц.

Определим коэффициент направленного действия, коэффициент усиления, коэффициент использования площади, а также уровень боковых лепестков в диаграмме направленности антенны. Коэффициент направленного действия антенны определяется формулой:

,

где -диаграмма направленности антенны по мощности.

Диаграмму направленности антенны по мощности можно определить исходя из формулы для определения поля непрерывной, плоской прямоугольной антенны. Эта формула была записана ранее, с помощью нее определялась диаграмма направленности в одной плоскости. Теперь получим из нее общее выражение для диаграммы направленности. Расчет будем вести по той же методике, что была применена ранее.

Оглядываясь назад, на рисунок 10, видно, что амплитудное распределение в раскрыве при вставлении линзы в рупор практически не меняется, поэтому в первом приближении можно считать, что амплитуда по раскрыву распределена по косинусоидальному закону. Тогда выражение для диаграммы направленности всей антенной решетки будет выглядеть следующим образом:

,

где -диаграмма направленности множителя решетки.

Диаграмма направленности по мощности равна квадрату вышеприведенной формулы. Подставляя выражение для диаграммы направленности по мощности в формулу для определения максимального КНД, получим искомый результат. Машинный расчет в среде MathCAD показал, что максимальный КНД равен:

или .

Найдем значение коэффициента усиления по мощности антенны:

, или в децибелах

.

Найдем значение коэффициента использования площади антенны. Его можно найти из соотношения, связывающего КИП и КНД:

, отсюда получим

.

Определим теперь уровень боковых лепестков. Из рисунка 12 ясно, что уровень боковых лепестков задает величина дифракционных лепестков множителя решетки. Дифракционные лепестки "обрезаются" с единичного до значения, которому равна диаграмма направленности одного излучателя при том же угле. Поэтому найдем величину дифракционных лепестков, подставляя значение угла в формулу для нахождения диаграммы направленности одиночного рупорно-линзового излучателя . был найден ранее, при расчете множителя решетки, он равен 20.79 градусов. Значение при таком угле равно:

, или в децибелах уровень боковых лепестков равен .

3. Конструктивный расчет и разработка конструкции АФУ

Для нормальной работы антенной решетки необходимо правильно сконструировать систему запитки. Ранее было оговорено, что для запитывания излучателей используется схема "елочка" (рис. 5). Эта схема включает в себя в зависимости от особенностей конструкции антенны набор различных элементов волноводного тракта, таких как волноводные тройники и скрутки, изгибы волноводов и др. В нашем случае особенностью антенны является нестандартность подведения питающего волновода к фазирующей секции. Для обеспечения возбуждения в поляризационной секции волн двух типов, и , к ней необходимо подсоединять волновод под углом , как показано на рис. 17.

Рис. 17.

Между волноводом и секцией включается постепенный переход, который необходим для уменьшения отражений. Длина этого перехода должна быть не менее двух длин волн в волноводе:

Для обеспечения 45-градусного поворота волновода применяются специальные скрутки (рис. 18).

Рис. 18.

Длина 45-градусной скрутки для обеспечения малости отражений должна быть не менее длины волны в волноводе.

Схема "елочка" подразумевает деление мощности. Для этого в схеме применим волноводные тройники Е- и Н-типа (рис. 19).

тройник Е-типа тройник Н-типа

Рис. 19.

Для соединения тройников между собой, используем уголковые соединения или изгибы в поскостях Е или Н (рис. 20).

Поворот в Н-плоскости в Е-плоскости

Рис. 20.

Во избежание значительных отражений, длина средней линии поворота должна быть больше половины длины волны. Поэтому габаритные размеры уголка в плоскости изгиба составляют примерно половину длины волны в волноводе:

Так как волноводные тройники тоже в какой-то степени можно рассматривать как повороты, то их высота (размер по оси плеча, перпендикулярного главному волноводу) тоже примерно равен половине длины волны в волноводе:

.

Питание рупорно-линзовых излучателей решетки будет производиться следующим образом. Сначала соединяются по схеме "елочка" излучатели каждого вертикального столбца решетки. Делается это с помощью волноводных тройников и уголковых соединений Е-типа. При этом от каждого столбца будет отходить один общий питающий вывод. Затем, эти выводы соединяются между собой опять по схеме "елочка", но уже с помощью тройников и уголков Н-типа. Получившаяся конструкция схематически изображена на рис. 21 в двух проекциях.

Рис. 21.

Таким образом для сборки такой схемы требуется:

7х8=56 тройников Е-типа;

7 тройников Н-типа;

56х2=112 уголков Е-типа;

7х2 уголков Н-типа;

64 фазирующие секции;

64 перехода с квадратного сечения на прямоугольный волновод под углом 45 градусов;

64 волноводных скрутки на 45 градусов.

Так как по техническому задании требуется обеспечить сравнительно небольшой механический поворот антенны в горизонтальной плоскости, то для его обеспечения можно использовать так называемый гибкий волновод. Этот волновод состоит из гофрированных или сетчатых металлических стенок (рис. 22).

Рис. 22.

Определим приблизительные габаритные размеры антенны. Высота и ширина антенны определяется размерами раскрыва решетки. Длина антенны складывается из линейных размеров излучателей и элементов, входящих в состав системы питания. Подсчитаем длину конструкции. Для этого необходимо сложить толщину линзы, длину рупора и величину r1 (см. рис. 16), сумма эта равна фокусному расстоянию линзы. К полученной сумме прибавляется длина фазирующей секции, длина перехода и длина волноводной скрутки. Ко всему этому приплюсовывается длина питающей системы, которая равна сумме длин трех уголковых соединений и шести волноводных тройников. Итак, длина антенны:

Таким образом, габаритные размеры антенны:

длина 0.725м

ширина 1.127м

высота 1.127м

Эти размеры могут быть несколько другими, так как они рассчитаны без учета дополнительных монтажных конструкций, необходимых для крепления антенны на месте предполагаемого использования.

Описание конструкции

Конструкция антенны довольно проста. Все рупоро-линзовые излучатели объединяются между собой посредством клепочного соединения. Решетка соединенных воедино излучателей охватывается по краю раскрыва металлической рамой 1, обеспечивая надежное скрепление всех рупоров и придавая необходимую жесткость. Для обеспечения экранировки, а также для изоляции антенно-фидерного устройства от внешних неблагоприятных воздействий, вся задняя часть конструкции решетки, вместе с системой питания, помещается в специальный короб 2. Этот короб имеет форму усеченной пирамиды с квадратным основанием. Крепление короба осуществляется путем болтового соединения с металлической рамой. В нижней грани коробе, у самой его вершины вырезается прямоугольное отверстие, в которое входит питающий волновод антенны. Снизу к металлической раме и части короба присоединяется основание 3, к которому крепится несущий цилиндр 4. Для усиления конструкции от антенны к цилиндру потянуты металлические штанги 5. Несущий цилиндр входит в поворачивающееся сочленение 6, которое установлено постаменте-противовесе 7. Питающий волновод подводится к антенне через отрезок гибкого волновода, который должен быть настолько длинным, чтобы обеспечивался поворот антенны на .

Вся установка может быть размещена на необходимой высоте с помощью башни или мачты или какой-либо другой конструкции в зависимости от условий эксплуатации. При этом, конструкция крепления или поворотного устройства антенны при необходимости может быть изменена.

Заключение

Подводя итоги по проектирования, можно сказать, что в данной курсовой работе была рассчитана рупорно-линзовая антенная решетка со следующими параметрами:

Передаваемая мощность ……………………………………….….. 5 кВт

Длина волны ……………………………………………………….. 5 см

Ширина диаграммы направленности по уровню половины мощности

- в плоскости Е ……………………………...………..….

- в плоскости Н ……………………………………….….

Поляризация вращающаяся

Поворот диаграммы направленности механический …………….

Полоса рабочих частот ……………………………. 4.64…7.05 ГГц

Коэффициент направленного действия …………………….. 36.311 дБ

Коэффициент полезного действия ……………………. 54.4%

Коэффициент усиления ………………………………... 33.668 дБ

Коэффициент использования площади …………………………. 0.67

Уровень боковых лепестков …………………………… -10.458 дБ

Следует отметить, что данная антенна не пригодна для применения на практике, поскольку КПД ее неприемлемо низок. Потери мощности очень велики, и следовательно дальность связи мала.

Библиографический список

1. Антенны и устройства СВЧ / под ред. Воскресенского Д.И. -

М : Советское Радио , 1972

2. М.С.Жук, Ю.Б.Молочков. Проектирование линзовых , сканирующих , широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. М : Энергия , 1973.

3. Драбкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. М : Советское Радио , 1974

4. Антенны и устройства СВЧ / под ред. Воскресенского Д.И. - М : Радио и связь , 1981

5. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов связи. М: "Связь", 1977.

6. Устройства СВЧ и антенны. Методические указания к курсовому проектированию. Сост.: В.И. Елумеев, А.Д. Касаткин, В.Я. Рендакова. Рязань, 1998. №2693

7. А.Л.Фельдштейн , Л.Р.Явич , В.П.Смирнов. Справочник по элементам волноводной техники. М : Советское радио , 1967

8. Конспект лекций по курсу "Антенны и устройства СВЧ"