63137 (Синфазная решетка из рупорных антенн)
Описание файла
Документ из архива "Синфазная решетка из рупорных антенн", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "коммуникации и связь" из , которые можно найти в файловом архиве . Не смотря на прямую связь этого архива с , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "рефераты, доклады и презентации", в предмете "коммуникации и связь" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "63137"
Текст из документа "63137"
Министерство общего и профессионального
образования Российской Федерации
РГРТА
Кафедра РУС
Реферат:
« Синфазная решетка из рупорных антенн »
Рязань 2001 г.
Содержание
Введение
-
Теоретическая часть
-
Расчет одиночного рупора
-
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.
-
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 .
-
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:
-
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.
,
в плоскости вектора Е, где - число излучателей в столбце.
В техническом задании дано: ширина диаграммы направленности на уровне 0.5 по мощности в горизонтальной плоскости . Составим соотношение и получим:
.