Синфазная решетка из рупорных антенн

Министерство общего и профессионального

образования Российской Федерации

РГРТА

Кафедра РУС

Реферат:

« Синфазная решетка из рупорных антенн »

Рязань 2001 г.

Содержание

Введение

1.  Теоретическая часть

2.  Расчет одиночного рупора

3.  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.

1.  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 .

2.  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: