Електричний та конструктивний розрахунок хвилеводно-щілинної антени

Електричний та конструктивний розрахунок хвилеводно-щілинної антени

"Електричний та конструктивний розрахунок хвилеводно-щілинної антени"

1.Вихідні данні

Ширина діаграми спрямованості (ДС) - 2Ө0,5р= 2 0

Рівень бокових пелюстків - Fба= - 23 дБ

Довжина хвилі - λ = 3 см

Өm= 10 0

2.Конструкція та принцип дії хвилеводно-щілинної антени

Одиночна щіль має слабо вираженні направлені властивості. Для отримання вузьких ДС використовуютьют багатощелові антени. Найбільш важним типом таких антен являються хвилеводно-щілинні антени, вони представляють собою систему напівхвилевих щілин, прорізаних в стіні хвилеводу. Більше всього використовуються прямокутні хвилеводи.

По особливостям збудження розрізняють дві основні групи хвилеводно - щілинних антен: нерезонансні (рис.1) та резонансні (рис.2).

На відміну від резонансних нерезонансні антени у яких відстань між сусідніми щілинами менше або більше

В збудженні щілин зазвичай здійснюються хвилями і в антені має місце лінійно фазовий розподіл. Максимум головного пелюстка ДН відхилений на деякий кут від перпендикуляра до осі волновода в сторону поширення волн при відстані між  , або в направлені, якщо  .

В віддзеркалена, від кінця антени, хвиля приводить до появи паразитного пелюстка розміщеного симетрично по іншу сторону від перпендикуляра до осі хвилеводу відносно пелюстка, обумовленої падаючої хвилі.

Для усунення паразитного пелюстка служить поглинаюче навантаження на кінці хвилеводу. За звичай в навантаженні втрачається 5-20 вхідної потужності.

Нерезонансні антени більш діапазонні, чим резонансні. Це обумовлено тим, що відстані між в нерезонансних антенах менше чи більше  и в цьому відбиті від окремих щілин, хвилі складаються не в фазі і в значній мірі компенсують один одного. Вхідний КСВ є близьким до одиниці досить широкій полосі частот.

Нерезонансні антени дозволяють реалізувати електричне коливання променя шляхом змінення нахилу лінійно фазового розподілу. Крайнім досягається зміненням частоти живлення хвилеводу, наближеної до зміни фазової скорості поширення хвилі в хвилеводі і відповідно, до зміни величини зсув фаз ξ між сусідніми щілинами.

Якщо діапазон перестройки включає частоту для якої  то на цій частоті віддзеркалення від щілин суміруються в фазі. Це приводить до швидкого збільшення КСВ на вході системи, порушення умовної оптимальної роботи генератора и зменшенню потужності яка направлена в антену. Відповідно зменшується потужність випромінювання антени. Цей ефект називається ефектом нормалі, так як зменшення випромінюваної потужності має місце при орієнтації головного максимуму ДН в напрямку, нормальному вісі хвиловода. Для того щоб позбутися ефекту нормалі потрібно вибрати сектор коливання проміння так, щоб він не включав напрямок нормальний до вісі хвилевода. Якщо все ж таки не обхідно забезпечити нерезонансній антені випромінювання вдоль нормалі, то кожна щіль повинна бути спеціально узгоджена з хвилеводом индевідуальним настройочним елементом.

Хвилеводно-щілинні антени більш всього утворюються з прямолінійних щілин. Іноді для розширення полоси пропускання застосовуються готельні щілини. У випадку необхідності випромінення поля кругової поляризації використовуються христоподібні щілини , так як відомо з теорії хвилеводів , на відстані  від середньої лінії широкої стінки хвилевода (а - ширина хвилевода) вектор Н поляризований по кругу. Якщо центр хрестоподібної щілини розміщений в точці , то щілина буде випромінювати поле кругової поляризації . Напрямок обертання залежить від того, по яку сторону від середньої лінії розміщена щілина від напрямку поширення хвилі в хвилеводі. Лінії з хрестоподібними щілинами можуть бути використані в режимі прийому в качестві аналізатора поляризації хвилі яка прийшла. Хвилі з лівим і правим направленням обертання вектора поля збуджують в хвилеводі хвилі, що поширюються в протилежних напрямках.

В деяких випадках щілини зручно прорізати вздовж ліній поверхневих токів. В такому випадку для збудження щілин використовуються реактивні штирі, спотворюючи структури поля в коаксіальній лінії або хвилеводі і які утворюють радіальні поверхневі токи, що розтікаються від штирів і перетинають щілини. Самі щілини можуть при цьому мати відмінну в резонансної , и на строюватись з допомогою цих штирів, що дає можливість створювати узгоджування щілин і регулювати їх потужність випромінювання.

3.Вибір стандартного хвилеводу

Для визначення розмірів фідерного тракту необхідно знати частоту хвилі. Визначивши частоту хвилі можна визначити за простою формулою (1):

 (1)

Знаючи частоту хвилі визначимо геометричні розміри фідерного тракту таблиця №1

Таблиця 1

Із таблиці №1 видно, фідерний тракт у вигляді хвилевода має наступні геометричні розміри:

а = 0,2286 м. - ширина хвилеводу;

в = 0,1016 м. - висота хвилеводу.

4.Геометричні розміри решітки

На рис. 3 зображена схема ХЩА:

По заданій довжині хвилі та ширині ДС визначимо розмір антени L_A

Використовуючи формулу.

З формули (2) визначимо геометричні розміри ХЩА:

Розрахуємо відстань між щілинами за формулою.

d = 0.8 λ= 0.8  0.03 = 0.024 м.

За формулою , розрахуємо кількість щілин ХЩА:

5.Електричний розрахунок антени

Для розрахунку багато щілинних антен в площині, яка містить вісь хвилеводу, використовується правило перемноження Бонч-Бруевича  .

 - ДС однієї щілини;

 - множник системи;

ДС однієї щілини можна не враховувати, бо направленість однієї щілини на результативну ДС практично не впливає.

Тоді ДС антени буде розраховуватись за формулою

ДС однієї щілини має вигляд :

Множник системи має вигляд :

Де кут , розраховується за формулою

- кількість елементів

d = 0.026 м.

Розрахунок ДС антени:

З графіка 1. видно, що практично нами була розрахована антена, яка має ширину ДС, 2Ө_0,5р= 2 ⁰. На графіку видно, що на рівні 0,707 Ө =0,0175рад., тоді для переходу до градусів проведемо нескладні розрахунки:

Антен даного типу можна керувати променем, тобто зміщувати головний максимум , це можливо при виконанні рівності :

 м.

6.Визначення КСД антени

Коефіцієнт направленої дії даної антени в напрямку максимального випромінення вираховується виразом :

Тоді,  - множник, враховуючий спрямовані властивості щілини.

А  - визначає максимальний КНД системи, та розраховується за формулою

де

- висота при косину соїдальному АР;

 - довжина антени;

 - довжина хвилі;

Таким чином розраховуємо КНД ХЩА

 1495

Відзначимо, що максимальне значення КСД ХЩА дорівнює сумі КНД окремих щілин, в заданому напрямку.

Висновок

Під антенними решітками звичайно розуміють систему ідентичних однаково орієнтованих в просторі дискретних випромінюючих елементів. В якості елементів решітки можуть бути використані різні випромінювачі.

В дійсний час антенні решітки знаходять все більше широке застосування в радіолокаційній техніці. Це пояснюється тим,що за допомогою антенних решіток виходить розв’язати ряд важливих задач радіолокації. К ним відносяться,наприклад:

здійснення швидкого качання проміння антени електричним методом;

збільшення потужності виромінення РЛС шляхом розміщення в каналах випромінювання решітки незалежних посилювачів високочастотної енергії;

сумісність в одній РЛС ряда функцій,наприклад , пошуку,супроводження й наведення (багатофункційні РЛС);

- можливість програмного управління променем.

До позитивних властивостей антен відносяться : простота і можливість виповнення їх на рівні з металевої поверхні , на якій вони прорізані, це обумовило широке використання щілинних антен в різноманітних літальних апаратах. Наступною перевагою щілинних антен являється то, що вони позволяють легко реалізувати системи з електричним коливанням променя.

Недоліком щілинних антен являються недостатня діапазоність їх (даже не резонансних антен )і обмеження по пропускній потужності.

промінь антена електричний

Література

1.Шифрин Я.С. Расчет и проектирование антен сверхвысоких частот. Х., 1971.

.Шифрин Я.С. Антени. Издание академии. Х., 1976.

.Усин В.А. Присторї НВЧ та антени . Х., 1984.

.Белоусов В.В. Авивционные антенно-фидарные устройства. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию . Х.,1974.

ено н