Волноводно-щелевые антенны

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева

Институт радиоэлектроники и телекоммуникаций

Кафедра радиоэлектронных и телекоммуникационных систем

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

"Электродинамика и распространение радиоволн" и "Антенны и устройства СВЧ"

Студента группы 5371 Никитиной Е.В.

Руководитель Скачков В.А.

Казань 2015

Cодержание

Введение

Расчет поперечного сечения волновода

Определение количества щелей в антенне

Расчет волноводно-щелевой решетки

Расчет длины и ширины щелей

Расчет согласования антенны с питающей линией

Расчет характеристики направленности антенны

Разработка конструкции фидерного тракта

Заключение

Список литературы

Введение

Волноводно-щелевые антенны, получаются при прорезании щелей в волноводах, они являются одним из видов линейных (плоских) многоэлементных антенн и обеспечивают сужение диаграммы направленности (ДН) в плоскости, проходящей через ось волновода.

Основными преимуществами таких антенн являются:

·        ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность волноводно-щелевой антенны может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления (бортовая антенна);

·        в таких антеннах распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах поэтому могут быть реализованы оптимальные ДН;

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

Один из недостатков в волноводно-щелевых антеннах является ограниченность диапазонных свойств. При изменении частоты в сканирующей волноводно-щелевой антенне происходит отклонение луча в пространстве от заданного положения, сопровождающееся изменением ширины диаграммы направленности и ее согласования с питающим фидером.

Различают антенны резонансные, нерезонапсные и антенны с согласованными щелями.

Резонансные антенны это такие, у которых расстояние между соседними щелями равно λ_в - случай синфазно-связанных щелей с полем волновода или равно λ_в/2 - случай переменнофазно связанных щелей с полем волновода (где λ_в длина волны в волноводе, и на конце волновода устанавливают короткозамыкающий поршень). Их строят на основе закороченного, на конце волновода. Таким образом, резонансные антенны являются одновременно синфазными и, следовательно, направление максимального излучения совпадает с нормалью к оси антенны. Синфазное возбуждение продольных щелей, расположенных по разные стороны относительно средней линии при d = λ_в/2, обеспечивается за счет дополнительного сдвига по фазе на 180° в силу противоположных направлений поперечных токов по обеим сторонам от средней линии широкой стенки волновода. В случае наклонных щелей на боковой стенке дополнительный сдвиг на 180° получается за счет изменения знака угла наклона щели δ. Следовательно, результирующий сдвиг по фазе соседних излучателей в обоих случаях оказывается равным 360° или 0°, независимо от типа нагрузки на конце антенны.

Антенны рассматриваемого типа могут быть хорошо согласованы с питающей линией в весьма узкой полосе частот. Так как каждая щель отдельно не согласована с волноводом, то все отраженные от щелей волны складываются на входе антенны синфазно и коэффициент отражения системы становится большим. Очевидно, что это рассогласование можно компенсировать на входе антенны за счет какого-нибудь элемента настройки, но так как уже при малых изменениях частоты согласование нарушается, то антенна остается очень узкополосной. Поэтому в большинстве случаев отказываются от синфазного возбуждения отдельных щелей и выбирают расстояние между ними d отличное от λ_в/2. Характерной особенностью получаемой таким образом нерезонансной антенны является более широкая полоса частот, в пределах которой имеет место хорошее согласование, так как отдельные отражения при большом числе излучателей приблизительно компенсируются. Однако отличие расстояния между щелями от λ_в/2 приводит к несинфазному возбуждению щелей падающей волной и направление главного максимума излучения отклоняется от нормали к оси антенны.

Для устранения отражения от конца антенны устанавливают поглощающую нагрузку.

Расчет поперечного сечения волновода

Согласно заданию, рабочий диапазон частот составляет 12 ….16 ГГц. Проведем расчет питающей линии для центральной частоты f₀ = 14 ГГц.

Для рабочей длины волны

 ≈ 21,429 мм

проведем расчет одноволнового режима работы полого прямоугольного металлического волновода.

Для обеспечения одноволнового режима работы линии необходимо выполнение следующего условия:

 или

где

а - размер широкой стенки прямоугольного волновода.

Однако, при приближении рабочей длины волны к критической, резко возрастают потери в линии, и снижается ее электропрочность. Поэтому на практике чаще используют другую формулу:

 при

Отсюда, зная границы рабочей полосы, можно получить следующее условие для выбора размера широкой стенки прямоугольного волновода:

или в явном виде  (мм)

Выбор размера узкой стенки определяется, как правило, соображениями обеспечения наибольшей предельной мощности и уменьшения коэффициента затухания в линии. Поэтому обычно принимают

Отсюда  (мм)

По справочнику [6] выбираем наиболее подходящий стандартный волновод. Это волновод марки R140, для которого:

·        диапазон частот для основного типа волн 11,9¸18,0 ГГц;

·        внутренние размеры a = 15,799 мм; b = 7,899 мм;

·        толщина стенок t = 1,015 мм;

·        внешние размеры a₁ = 17,83 мм; b₁ = 9,93 мм;

·        затухание на частоте 14,2 ГГц - α₁=0,176 дБ/м

Отсюда  = 31,598 мм

Рассчитаем основные характеристики линии на центральной частоте.

Длина волны в волноводе

= 29,158 мм

Фазовая скорость v_ф

 м/с

Скорость переноса энергии v_э

 м/с

Характеристическое сопротивление :

 Ом

В случае волны Н₁₀, выражение для предельной мощности в линии запишется в виде:

≈ 0,56 МВт

где = 29 кВ/см - электрическая прочность сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении.

Допустимую мощность в линии принимают как

Следовательно = 140,05 кВт

Определение количества щелей в антенне

При заданном КНД для равномерного амплитудного распределения

Выбираем N = 3.

В соответствии с заданием, допустимый уровень боковых лепестков по напряженности поля составляет - 13 дБ.

Тогда на основании Таблицы 5.2 [3, стр.141], можно сделать вывод, что необходимый уровень бокового излучения может быть достигнут при равномерном амплитудном распределении вдоль щелевой антенны. Поляризация излучаемого поля - вертикальная, поэтому в качестве излучающих элементов используем продольные переменнофазные щели. Для обеспечения лучшего согласования антенны с питающей линией в качестве волноводно-щелевой антенны выбираем нерезонансную антенну.

) Расчет расстояния между щелями d и длины щелевой антенны

В нерезонансной волноводно-щелевой антенне расстояние между соседними излучателями d должно отличаться от половины длины волны в волноводе. Однако наличие фазового набега по элементам решетки приводит к отклонению главного лепестка от нормали и появлению бокового излучения повышенного уровня.

Поэтому выберем , мм

Тогда длина щелевой антенны

 мм

) Определение положения каждой щели на широкой стенке волновода

Для определения положения каждой щели на широкой стенке волновода воспользуемся одним из методов расчета волноводно-щелевой антенны.

При равномерном амплитудном распределении мощность излучаемая каждой щелью одинакова.

Распределение излученных мощностей должно быть нормировано таким образом, чтобы

Где мощность на входе антенны принята равной единице (Р₀=1);

 - отношение мощности, поглощаемой в нагрузке P_L, к мощности на входе антенны Р₀.

Относительная мощность излучения P_n определяется коэффициентом связи щелей с волноводом :

; ; …

Нормированная проводимость щели:

По известным проводимостям определяются смещения щелей относительно оси волновода x_n. Для продольных щелей:

или

При небольшом количестве щелей и жестких требованиях по согласованию антенны достаточно большая мощность поглощается в согласованной нагрузке. Результаты расчетов, при  представлены в таблице.

Расчет длины и ширины щелей

Ширина щели в волноводно-щелевой антенне выбирается, исходя из условий обеспечения необходимой электрической прочности и требуемой полосы пропускания. При расчете ширины щели d₁ на необходимую электрическую прочность должен обеспечиваться двух - или трехкратный запас по пробивному значению напряженности поля для середины щели, где между ее краями напряженность поля Е_щ максимальна. Этот запас выбирается, исходя из конструктивных требований и условий работы щелевой антенны:

где

U_m - амплитуда напряжения в пучности;

Е_пр - предельное значение напряженности поля, при которой наступает электрический пробой (для воздуха при нормальных атмосферных условиях Е_пр=29 кВ/см).

В случае равномерного амплитудного распределения по антенне, когда излучаемая антенной мощность делится поровну между щелями, амплитуда напряжения в тучности равна

где

 - подводимая к антенне мощность;

 - проводимость излучения щели;

N - число щелей

Внешняя проводимость излучения щели в волноводе при обычно используемых типах волноводно-щелевых антенн равна:

где

 - сопротивление излучения эквивалентного симметричного вибратора.

Сопротивление излучения симметричного тонкого полуволнового вибратора равно 73,1 Ом.

Наконец, ширина щели определяется как:

Тогда

См

В

 мм

Резонансная длина щели несколько меньше λ/2 и тем меньше, чем шире щель.

Рассчитаем укорочение щели

 мм

 мм

Резонансная длина щели зависит от смещения ее относительно середины широкой стенки волновода. Для определения резонансной длины продольной щели, прорезанной в широкой стенке волновода, можно также воспользоваться расчетными кривыми, приведенными в [3, стр.120].

Расчет согласования антенны с питающей линией

Степень согласования антенны с питающей линией принято оценивать по значению коэффициента отражения от входа антенны либо при помощи коэффициента стоячей (бегущей) волны. В случае нерезонансной антенны с оконечной согласованной нагрузкой коэффициент отражения от входа:

где  - полная эквивалентная нормированная проводимость n-й щели.

Для продольных щелей, смещенных относительно центра волновода на расстояние х₁ эквивалентная проводимость

При резонансных размерах щелей эквивалентные реактивные проводимости b равны нулю.

По известному значению Г может быть найден коэффициент стоячей волны в линии:

Для разрабатываемой антенны расчетные значения КСВ и коэффициента отражения составят:

КСВ = 1,976

Расчет характеристики направленности антенны

Нормированная диаграмма направленности линейной решетки идентичных излучателей может быть записана в виде:

где

 - диаграмма направленности одного излучателя

 - множитель антенны, зависящий от числа щелей в антенне.

В случае равномерного амплитудного и линейного фазового распределения по длине решетки

Где  - сдвиг по фазе между полями, создаваемыми в точке наблюдения соседними излучателями;

 - фазовая постоянная свободного пространства;

 - угол, отсчитываемый от нормали к линии расположения излучателей

 - разность фаз соседних щелей по системе питания,

N - число щелей.

 - для синфазно связных щелей с полем волновода

 - в случае переменно-фазной связи.

Диаграмму направленности одной щели, можно при инженерных расчетах определять по ДН щели в бесконечном экране. Так для продольной щели:

Результирующая ДН

Определяем отклонение главного максимума ДН от нормали к линии расположения излучателей определяется по формуле

где

 - замедление фазовой скорости в волноводе;

 - для синфазно связных щелей с полем волновода;

 - для переменно-фазно связанных щелей.

Для расчета коэффициента направленного действия в горизонтальной плоскости, будем считать диаграмму осесимметричной, тогда

Результаты расчета диаграммы направленности представлены на рисунке

Диаграмма направленности ВЩР в горизонтальной плоскости , , УБЛ=0,22

Диаграмма направленности ВЩР в горизонтальной плоскости УБЛ=-13,09 дБ

Коэффициент направленного действия рассчитанной антенны в горизонтальной плоскости составил

 дБ

Разработка конструкции фидерного тракта

В радиосистеме тракт обычно занимает место между антенной и радиопередающим и радиоприемным устройствами. Тракт осуществляет канализацию электромагнитной энергии, обеспечивает правильный режим выходных и входных цепей передатчика и приемника, выполняет предварительную частотную фильтрацию сигналов, может содержать коммутирующие цепи и поворотные сочленения, устройства электрического управления положением луча антенны в пространстве, устройства изменения поляризации радиоволн, устройства контроля работы радиосистемы.

Исходя из анализа технического задания, фидерный тракт должен обязательно содержать следующие элементы:

·        отрезки прямоугольного волновода;

·        контактные фланцы;

·        согласованную нагрузку.

Для соединения отрезков волноводных линий передачи используют два основных типа фланцевых соединений: дроссельное и контактное [6].

Основное достоинство дроссельных соединений - нечувствительность к небольшим перекосам стыкуемых линий.

Дроссельно-фланцевое соединение представляет собой замкнутую на конце линию передачи длиной в половину волны, включенную последовательно в главную линию. Участок СВ является короткозамкнутой коаксиальной линией длиной λ_в/4, участок ВА - четвертьволновой радиальной линией.

Механическое соединение двух секций волновода осуществляется в точке В, где находится узел тока. Электрический контакт осуществляется в точке А; так как длина короткозамкнутой линии ABC раина λ_в /2, входное сопротивление ее в точке А равно нулю, т.е. волноводы как бы идеально сопрягаются.

В прямоугольных волноводах внешний круговой паз возбуждается колебаниями типа Н₁₁. Глубина кругового паза берется равной четверти длины волны l = λ_в/4.

Здесь λ_в длина волны в коаксиальной линии для данного типа колебаний:

Порядок расчета дроссельно-фланцевого соединения приведен в [4]. В результате расчета дроссельно-фланцевого соединения получаются величины первого приближения, которые необходимо уточнять опытным путем. Так как экспериментальная доработка размеров соединения сложна, в тех случаях, когда это представляется возможным, следует применять уже разработанные и испытанные соединения.

Длина волновода до ближайшей неоднородности выбирается из условия фильтрации высших типов волн. Любая неоднородность в тракте вызывает возбуждение множества высших типов волн. Все они оказываются в закритическом режиме и по мере движения затухают по экспоненциальному закону. Высшие типы волн не должны проходить в антенну, для этого их амплитуда должна уменьшаться на длине отрезка линии примерно в 100 раз. Ближайшей волной высшего типа в прямоугольном волноводе является волна Н₂₀. Если ее амплитуда затухает в 100 раз, то амплитуды других высших типов волн затухают еще сильнее. В соответствии с [3] длина отрезка волновода должна составлять:

 17,121 мм

Заключение

В результате проведенной работы была разработана нерезонансная волноводно-щелевая антенна с равномерным амплитудным распределением, состоящая из продольных щелевых излучателей.

Рассчитаны геометрические размеры антенны и ее излучающих элементов. Представленная антенна обладает следующими электрическими характеристиками:

·        диапазон рабочих частот - 11,9¸18,0 ГГц;

·        тип поляризации - вертикальная;

·        амплитудное распределение вдоль антенны - равномерное;

·        степень согласования антенны с питающей линией - КСВ = 1,976;

·        уровень бокового излучения - УБЛ = - 13,09 дБ;

·        коэффициент направленного действия - КНД = 13,95 дБ.

Кроме того, рассчитаны диаграмма направленности волноводно-щелевой антенны и выбраны параметры питающей линии

Требования технического задания выполнены полностью.

Хотелось бы также отметить, что при небольшом количестве щелей значительная мощность теряется в согласованной нагрузке, что в свою очередь приводит к снижению КПД антенны.

волноводная щелевая антенна решетка

Список литературы

1.      Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. М., "Энергия", 1973. - 440 с.

2.      Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М., "Сов. радио", 1974.280 с. с ил.

.        Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. проф. Воскресенского Д.И. Учебное пособие для вузов.М. Изд-во "Советское радио", 1972, стр.320

.        Дорохов Д.А. Расчет и конструирование антенно-фидерных устройств. Изд-во Харьковского университета, 1960. - 451 с., илл.

.        Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. Учебник для радиотехнических специальностей вузов. Изд.2-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1975 - 528 с., ил.

.        Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники - М. Сов. Радио 1967 г.651 стр.