Проектирование волноводно-щелевой антенны

Проектирование волноводно-щелевой антенны

Введение

В данном курсовом проекте производится расчет и конструирование оптимальной (по уровню боковых лепестков диаграммы направленности (ДН) при заданной ее ширине на уровне половинной мощности) волноводно-щелевой антенны (ВЩА) с одиннадцатью продольными щелями на широкой стенке прямоугольного волновода.

Основные преимущества ВЩА:

1.            Ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность ВЩА может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления (бортовая антенна).

2.       В таких антеннах могут быть реализованы оптимальные ДН, так как распределение поля может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателей с волноводом.

.        Щелевая антенна имеет сравнительно простое возбуждающее устройство. Кроме того, она проста в эксплуатации.

1. Техническое задание

Рассчитать и спроектировать оптимальную ВЩА с одиннадцатью продольными щелями на широкой стенке.

2. Анализ ТЗ

Анализируя данные технического задания, можно сделать некоторые выводы о принципах построения и методах реализации конструкции волноводно-щелевой антенны, которую необходимо спроектировать.

1. Проектируемая волноводно-щелевая антенна является узкополосной, следовательно, вид антенны, наиболее предпочтительный для расчета в данном случае - резонансная волноводно-щелевая антенна с резонансными щелями.

2.       Антенна должна быть с оптимальной ДН, а это указывает на необходимость применения дельф-чебышевских методов расчета ДН.

.        Поскольку антенна применяется в наземной РТС и устанавливается на вращающейся платформе, в которой отсутствует герметизация, необходимо обеспечить специальные меры по защите антенны от внешних неблагоприятных климатических воздействий.

3. Выбор размеров волновода

По условиям ТЗ волновод должен быть прямоугольным. Энергия передается на волне низшего типа . Условия одноволнового режима для прямоугольного волновода:

, или

, или

Решаем первое неравенство относительно :

 (3.1)

Исходя из критериев обеспечения малых потерь в волноводе, большой пропускаемой мощности в требуемой полосе частот и, одновременно, хороших массогабаритных показателей, выбираем размер широкой стенки  ближе к середине интервала:

Из приложения учебного пособия [1] выбираем прямоугольный волновод из ТУ и сортамента ЦМТУ 4843-57 с размерами внутреннего сечения 28,5х12,6 мм.

Рисунок 1 - Эскиз поперечного сечения волновода

Характеристики волновода:

28,5, 12,6, допустимые отклонения размеров  и : ; =;

Материал волновода - латунь Л62-М, ее удельный вес ;

;

.

Рабочий диапазон частот ВЩА:

.

Для данного волновода найдем:

;

.

Для  неравенство (3.1) выполняется:

.

Для волновода должно выполняться условие:

, (3.2)

где  - допустимая рабочая мощность, которая рассчитывается с учетом рассогласования в тракте, климатических факторов и наличия неоднородностей.

,

где  - предельная рабочая мощность.

Для волны типа  в прямоугольном волноводе предельная (пробивная) мощность определяется выражением [2]:

.

Здесь предполагается, что размеры ,  и  выражены в сантиметрах, а пробивная мощность - в киловаттах, а также, что пробивная напряженность электрического поля при нормальных атмосферном давлении и ионизации сухого воздуха составляет в диапазоне сантиметровых волн величину, равную . КБВ - коэффициент бегущей волны, минимальная величина которого по ТЗ составляет 0,8.

,

.

Для  неравенство (3.2) выполняется:

.

Определим длину волны в волноводе:

.

Отсюда , а замедление .

Рассчитаем величину затухания в питающем волноводе с учетом того, что его внутренняя поверхность покрыта слоем серебра для улучшения электропроводности.

Сначала найдем постоянную затухания для волны  в прямоугольном волноводе:

,

где ;  - удельная электропроводность серебра.

Величина затухания А в питающем волноводе длинной :

.

Чтобы обеспечить требуемую мощность излучения антенны, необходимо, чтобы мощность на входе питающего волновода была равна

.

Мощность  также меньше : .

4. Выбор вида волноводно-щелевой антенны

Технические требования к ВЩА: антенна должна работать на фиксированной частоте, иметь высокий КПД, работать в узком диапазоне волн. Расстояние между излучающими щелями выбирают по условию: . Выполнение неравенства  необходимо для того, чтобы ДН имела один максимум. Левое неравенство  присуще именно оптимальным антеннам. При  распределение тока в антенне существенно усложняется. При увеличение отношения  уменьшается уровень боковых лепестков ДН. Кроме этого, необходимо также соблюдение следующего условия: направления максимума излучения должно совпадать с нормалью к оси ВЩА.

Исходя из вышесказанного, выбираем резонансную антенну с переменно-фазной связью щелей с полем волновода, то есть с расстоянием между соседними щелями .

Такая ВЩА согласуема с питающей линией только в узкой полосе частот, что и требуется по ТЗ.

.

5. Расчет оптимальной диаграммы направленности

Антенна с оптимальной ДН представляет собой решетку излучателей, размещенных на постоянном расстоянии друг от друга, со специальным амплитудным распределением тока вдоль антенны. Для того чтобы ДН антенны была оптимальной, необходимо, чтобы она описывалась полиномом Чебышева. Полиномами Чебышева называются полиномы вида:

, при

, при

где  - аргумент полинома;

 - порядок полинома, определяемый наивысшей степенью переменной .

ДН антенны определяется выражением:

,

где  - ДН одного элемента в плоскости, проходящей через линию расположения излучателей, которую при инженерных расчетах можно определить по формуле ДН щели в бесконечном экране.

 - множитель решетки

Диаграмма одного элемента практически всегда широкая, поэтому диаграмма направленности системы в основном определяется множителем решетки.

Если луч направлен по нормали , то расстояние между излучателями d должно выбираться из условия: .

При замене переменных полином Чебышева примет вид диаграммы направленности:

где  - угол, отсчитываемый относительно нормали к оси антенны;

 - волновое число;

 - расстояние между центрами соседних излучателей (щелей).

Тогда множитель решетки будет описываться формулой:

                             (5.1)

При нечетном числе излучателей (N=2n+1):

m=2n=10

Полином запишется в виде:

T₁₀ = (ax)=512x¹⁰ -1280x⁸ + 1120x⁶ - 400x⁴ + 50x² - 1

При заданной величине ширины ДН на уровне половинной мощности: 2θ_0,5=13°, длина решетки L = d·n = 1,847·11 =20,317 см и отношение

.

Находим по номограмме уровне боковых лепестков [3].

Но КНД может снижаться под действием случайных погрешностей в амплитуде и фазе токов излучателей. Берем уровень на 4 дБ меньше заданного уровня: .

Важным параметром антенны является параметр a. При известной степени полинома а определяем уровень боковых лепестков и ширину луча.

Зная значение величины можно найти ширину ДН на левом уровне из формулы

,                                                    (5.1)

где .

Подставим значение  в уравнении (5.2) и разрешим его относительно :

.

Отсюда .

Для определения токов в излучателях воспользуемся таблицей (4.1) [3]:

I₀=1

I₁=0,93433

I₂=0,75813

I₃=0,52172

I₄=0,29733

I₅=0,13584

Точный расчет КНД ВЩА с оптимальной ДН весьма громоздок, поэтому ориентировочную величину оценим по формуле [3]:

6. Расчет конструкции ВЩА

Существует несколько методов расчета ВЩА. Строгие методы расчета связаны со значительными материальными трудностями, поэтому использование их для инженерных расчетов не предоставляется возможным. При инженерных расчетах обычно используют приближенные методы. Резонансную антенну с произвольными резонансными щелями и расстоянием между ними  рассчитывают энергетическим методом [3].

Эквивалентная нормированная проводимость -ой щели:

,

антенна щелевой волновод проводимость

где  - амплитуда тока в -ой щели;

 - входная нормированная проводимость антенны, она выбирается так, чтобы обеспечить хорошее согласование антенны с питающим волноводом. Так, величина  может быть выбрана равной единице.

Проводимости щелей: ; ; ; ; ; .

Индексы при  - это номера щелей, отсчитываемых от середины антенны.

Эквивалентная нормированная проводимость излучения полуволновой щели, расположенной в широкой стенке прямоугольного волновода параллельно его продольной оси, определяется выражением [4]:

,

где - длина волны генератора;

 - длина волны в волноводе;

 и  - внутренние размеры волновода;

 - смещение центра щели относительно средней линии широкой стенки.

Можно выразить  через :

.

Ширина щели в ВЩА выбирается исходя из условий обеспечения необходимой электрической прочности и требуемой полосы пропускания. Так как наша антенна узкополосная, то главным критерием при выборе ширины щели будет являться электрическая прочность.

При выборе ширины щели  должен обеспечиваться двух- или трехкратный запас по пробивной напряженности поля для середины щели, где напряженность поля  максимальна . Это запас выбирается исходя из конструктивных требований и условий работы щелевой антенны:

, (6.1)

 - предельное значение напряжения поля, при которой наступает электрический пробой (для воздуха при нормальных атмосферных условиях ).

Максимальной будет амплитуда напряжения на щелях под номером 1:

,

где  - подводимая к антенне мощность;

 - проводимость излучения щелей;

 - эквивалентная нормированная проводимость излучения 1-ой щели.

,

где  - сопротивление излучения эквивалентного симметричного полуволнового вибратора, отнесенное к амплитуде тока в пучности.

Наконец, ширина щели выбирается, исходя из (6.1):

,

.

Если щель заполнена диэлектриком или закрыта диэлектрической пластиной, ее электрическая прочность увеличивается. В целях обеспечения технологичности конструкции ВЩА ширину всех щелей берем равной .

Для определения резонансной длины продольной щели в широкой стенке волновода воспользуемся формулой:

(*),

где , а .

Таким образом, рассчитаем Δl из (*):

Так как щель полуволновая, то ее длина будет равна 2l. Величину длины находим из формулы:

В целях обеспечения технологичности конструкции ВЩА длину всех щелей выбираем равной .

Потому как каждая щель отдельно с волноводом не согласована, то все отраженные от щелей волны складываются синфазно, и коэффициент отражения становится большим. В случае многощелевой резонансной антенны для обеспечения ее согласования с питающим волноводом  при любом амплитудном распределении по раскрыву часто используют короткозамыкающий поршень на ее конце. При расстоянии между излучателями  и расстоянии от центра последней щели до поршня   в случае продольных щелей коэффициент отражения на выходе антенны равен нулю, если сумма проводимостей всех щелей , что соответствует нашему случаю, так как все щели резонансные  и сумма их проводимостей .

Расстояние от центра последней щели до поршня равно

Коэффициент усиления антенны :

,

где  - КПД антенны. У резонансных ВЩА с короткозамкнутым поршнем на конце КПД близок к единице.

7. Технология изготовления ВЩА

ВЩА представляет собой прямоугольный волновод с прорезанными продольными щелями в широкой стенке.

К материалу волновода предъявляется определенные требования: высокая удельная проводимость, механическая прочность, малый удельный вес, устойчивость к коррозии. В качестве материала волновода используется латунь особой марки [1] - Л62-М, применяемую для тянутых волноводных труб малого сечения, изготовляемых методом глубокой вытяжки.

Для большей величины проводимости покроем внутреннюю поверхность волновода серебром, обладающим высокой удельной проводимостью и хорошим сцеплением с латунью.

Рассчитаем необходимую толщину покрытия, для чего необходимо сначала рассчитать толщину скин-слоя для серебряного покрытия по формуле:

,

где  - частота рабочего диапазона, ;

 - относительная магнитная проницаемость (у серебра );

;

 - удельная электрическая проводимость серебра, .

.

Толщина скин-слоя . Толщина покрытия серебром .

Обычно для трех сантиметрового диапазона толщина серебряного покрытия выбирается равной  [2]. Примем толщину . В соответствии с выбранной толщиной покрытия и его назначением выбираем марку серебряного покрытия из приложения [1]. Это будет Ср.8. Для этого чистота поверхности деталей до покрытия должна соответствовать 7-му классу.

Для антикоррозийной защиты предусмотрим покрытие внешней поверхности волновода лаком ВЛ-931 (ГОСТ 10402-63). Это покрытие твердое, механически прочное, обладает хорошей адгезией к медным сплавам.

Щели будем заполнять полиэтиленом марки ДПЕ-1 ГХО.023.004 ТУ с относительной диэлектрической проницаемостью  и тангенсом угла потерь . Эта марка полиэтилена выбрана из-за небольшой величины  в целях обеспечения наименьших искажений поля в щели. Для защиты ВЩА от климатических факторов и пыли закроем ее диэлектрической пластиной из той же марки полиэтилена.

8. Выбор типа и расчет соединения ВЩА с фидером

В настоящее время используется два основных типа соединения волноводов: контактные и дроссельные. Контактное соединение может быть неразъемным и разъемным. Разъемные контактные соединения выполняются с помощью контактных фланцев. Плоские контактные фланцы за счет соприкосновения торцевых поверхностей обеспечивают непосредственный электрический контакт между соединяемыми волноводами. Преимуществом контактных фланцевых соединений является возможность их использования без частотных ограничений. Однако контактные соединения обладают рядом недостатков. Качество контакта значительно ухудшается при деформации фланца от многократных соединений, при окислении, вибрации, передачи большой мощности и т.д.

С учетом того, что дроссельные соединения в значительной степени от вышеуказанных недостатков, и что антенна работает в узкой полосе частот, выбираем дроссельное, или дроссельно-фланцевое, соединение. Основным достоинством его является надежный, нечувствительный к небольшим перекосам, загрязнениям, шероховатостям поверхности и неплотного прилегания электрический контакт. Недостатком дроссельных соединений является сложность их конструкции и зависимость электрических параметров от частоты.

В дроссельном соединении (рис. 2) используется два фланца, один из которых плоский 3, а другой дроссельный 1, имеющий в торцевой части выборку  и кольцевую канавку глубиной , равной четверти длины волны. Радиальное расстояние между канавкой и серединой широкой стенки прямоугольного волновода  также равно четверти длины волны. Герметизация дроссельных соединений достигается с помощью уплотнительных резиновых прокладок 2, которые укладываются в торце фланца за дроссельной канавкой.

Рисунок 2 - Дроссельно-фланцевое соединение

Приближенный расчет элементов дроссельного соединения [2]:

1.       Определим :

,

где  и  - размеры широкой и узкой стенок волновода;

 - минимальный размер между краями дроссельной канавки и канала волновода; примем .

2.            Найдем ширину кольцевой канавки:

,

где  - ширина диапазона волн, пропускаемых через дроссельное фланцевое сочленение. По ТЗ , то есть .

;

 - глубина выточки. По конструктивно-технологическим соображениям  выбирается из интервала . Выберем величину ;

 - допустимое значение КСВ дроссельного соединения (, что соответствует условиям ТЗ).

.

Обычно , поэтому примем .

.        Найдем радиус  и наружный диаметр кольцевой канавки :

.

.

.        Вычислим критическую длину волны коаксиального участка. Для волны

.

5.       Определим глубину канавки:

Ее параметры: , , .

Расстояние от первой щели до дроссельно-фланцевого сочленения должно быть . Выбираем это расстояние равным .

Литература

1.    Р.А. Вечканова, Н.С. Калашник, А.С Чекина. Расчет и конструирование элементов фидерного тракта СВЧ. Учебное пособие. - Куйбышев, 1970 г.

2.    Конструирование фидерных устройств: Учебное пособие/ Б.Х. Гольберг, Е.А. Теленков, Д.И. Воскресенский, В.Н. Воронцов, В.В. Попов. - М.: Изд-во МАИ, 1988.

3.       Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов./ Под редакцией профессора Воскресенского Д.И. Учебное пособие для вузов. - М.: Изд-во «советское радио», 1972 г.

.        Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток): Учебное пособие для вузов. Д.И. Воскресенский, Р.А. Грановская, Н.С. Давыдова и др./ Под редакцией Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981 г.

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