Пример расчета одиночного рупора

Содержание

Введение. 2

1 Рупорные антенны.. 4

1.1Пример расчета одиночного рупора. 6

2 Параболические антенны.. 12

2.1 Выбор волноводного тракта. 13

2.2 Выбор облучателя. 13

2.3 Расчет основных геометрических размеров антенны.. 14

3 Линзовая антенна. 18

3.1 Расчет основных параметров антенны.. 23

3.2 Расчет конструкции антенны.. 25

3.3 Согласование фидерного тракта с нагрузкой. 27

3.4 Вращающееся сочленение. 29

4 Фазированная антенная решётка. 31

4.1 Расчет параметров ФАР. 32

4.2 Расчет схемы питания ФАР. 33

Заключение. 35

Список использованных источников. 36

Введение

Анте́нна — устройство, предназначенное для излучения или приёма радиоволн.

Антенны в зависимости от назначения подразделяются на приёмные, передающие и приёмопередающие. Антенна в режиме передачи преобразует энергию поступающего от радиопередатчика электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну. Антенна в режиме приёма преобразует энергию падающей на антенну электромагнитной волны в электромагнитное колебание, поступающее в радиоприёмник. Таким образом, антенна является преобразователем подводимого к ней по фидеру электромагнитного колебания (переменного электрического тока, канализированной в волноводе электромагнитной волны) в электромагнитное излучение и наоборот.

Первые антенны были созданы в 1888 году Генрихом Герцем в ходе его экспериментов по доказательству существования электромагнитной волны (Вибратор Герца). Форма, размеры и конструкция созданных впоследствии антенн чрезвычайно разнообразны и зависят от рабочей длины волны и назначения антенны. Нашли широкое применение антенны, выполненные в виде отрезка провода, системы проводников, металлического рупора, металлических и диэлектрических волноводов, волноводов с металлическими стенками с системой прорезанных щелей, а также многие другие типы. Для улучшения направленных свойств первичный излучатель может снабжатьсярефлекторами — отражающими зеркалами различной конфигурации и системами зеркал, а также линзами. Излучающая часть антенн, как правило, изготавливается с применением проводящих электрический ток материалов, но может изготовляться из изоляционных (диэлектрик) материалов, могут применяться полупроводники иметаматериалы.

С точки зрения теории электрических цепей антенна представляет собой двухполюсник (или многополюсник), и мощность источника, выделяемая на активной составляющей полного входного сопротивления антенны, расходуется на создание электромагнитного излучения. В системах автоматического регулирования антенна рассматривается как дискриминатор — датчик угла рассогласования между направлением на источник сигнала или отражатель и ориентацией носителя (например, антенна с суммарно-разностной диаграммой направленности в составе радиолокационной головки самонаведения). В системах пространственно-временной обработки сигнала антенна (антенная решётка) рассматривается как средство дискретизации электромагнитного поля по пространству. В особый класс принято выделить антенны с обработкой сигнала. В частности, одним из таких устройств являются антенны с виртуальной (синтезированной) апертурой, применяемые в авиационной и космической технике для задач картографирования и увеличения разрешающей способности за счёт использования когерентного накопления и обработки сигнала.

Рупорные антенны

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.

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 .

Пример расчета одиночного рупора

1). Выбор волновода.

Волновод выбираем исходя из заданной рабочей частоты:

Размеры волновода:

в плоскости вектора Н:

в плоскости вектора Е:

Длину волны 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 - 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- Диаграмма направленности рупора в плоскости вектора Н

В плоскости вектора Е (Рис.2):

Рисунок 2 - Диаграмма направленности рупора в плоскости вектора Е

По графикам определяем ширину диаграммы направленности по первым нулям:

в плоскости вектора Н:

;

в плоскости вектора Е:

Параболические антенны

Зеркальные антенны являются наиболее широко распространенным типом антенн в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазонах волн. Такое широкое применение зеркальных антенн объясняется относительной простотой их конструкции, возможностью получения диаграммы направленности почти любого типа из применяемых на практике, высоким КПД, малой шумовой температурой и т.д.

Классическими являются параболические антенны, которые могут выполняться в виде параболоида вращения, параболического цилиндра или закрытой конструкции, ограниченной параллельными проводящими плоскостями. Параболоид вращения возбуждается слабонаправленным облучателем (например, рупором), помещенным в фокусе зеркала, и преобразует сферический фронт волны в плоский. Параболический цилиндр возбуждается линейной антенной, помещенной на фокальной линии, и преобразует цилиндрический фронт волны в плоский. В этих антеннах, так же как и в линзах, используются оптические свойства радиоволн. Геометрические свойства параболы таковы, что лучи, направляемые из фокуса и отражаемые от параболы, становятся параллельными ее оси. Длина пути от фокуса до параболы и затем до линии раскрыва, проходящей через края параболы, одинакова для любого угла Q. Таким образом, в раскрыве параболической антенны образуется синфазная поверхность, и излучение антенны оказывается остронаправленным.

В декартовой системе координат параболоид вращения определяется уравнением (начало координат совпадает с вершиной параболоида) x²+y²=4fz, а в сферической системе координат (начало координат совпадает с фокусом параболоида) – уравнением r(Q) = 2f/(1+cosQ)/.

Различают длиннофокусные и короткофокусные антенны. В длиннофокусной антенне фокус расположен вне антенны f>D_з/4 и угол раскрыва 2Q_max, под которым края зеркала видны из фокуса, удовлетворяет условию 2Q_max<p. В короткофокусных антеннах фокус находится внутри объема между зеркалом и его раскрывом, т.е. f< D_з/4 и 2Q_max>p.

Выбор волноводного тракта

Для того чтобы выбрать волновод, рассчитаем частоту:

ƒ=с/λ=3*10⁸/0.18=1.66 ГГц.

Исходя из полученного значения частоты и известной длинны волны, используя таблицу английских стандартов прямоугольных волноводных трактов, выбираем волновод WG 7, со следующими техническими характеристиками:

Ширина "а" - 129.54 мм.

Высота "б" - 64.77 мм.

Рекомендуемый рабочий диапазон - λ=(20.7÷13.6) см, ƒ=(1.45÷2.20) ГГц.

Затухание, дБ/30 м – 0.222.

Допустимая мощность в кВт – 8290.

Выбор облучателя

В качестве облучателя был выбран пирамидальный рупорный облучатель со следующими геометрическими размерами, приведенными для длинны волны равной λ=3.2 см.

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 5923; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!