Волноводно-щелевая антенна нерезонансного типа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

по курсу: «Антенны и устройства СВЧ»

на тему

Волноводно-щелевая антенна нерезонансного типа

Выполнил:

Горбачевский В.В.

Введение

волноводный щелевой антенна

Щелевые антенны применяются для передачи энергии из одного волновода в другой, для излучения энергии во внешнее пространство. Компактность и возможность выполнения щелевых антенн заподлицо о металлической обшивкой делают их чрезвычайно удобными для размещения на летательных аппаратах, особенно на скоростных самолетах и ракетах. Неизлучающие щели используются для исследования поля в волноводе.

В зависимости от типа волн в волноводе, которые определяются характером нагрузки, волноводно-щелевые антенны подразделяются на два вида.

При установке в конце волновода металлической пластины, которая эквивалентна нагрузке типа короткого замыкания, в нем возникает режим стоячей волны. При прорезании щелей в таком волноводе получается волноводно-щелевая антенна, называемая резонансной. В резонансных антеннах расстояние между щелями равно или . Таким образом, резонансные антенны являются синфазными, и направление максимального излучения совпадает с нормалью к продольной оси антенны.

При установке в конце волновода согласующей нагрузки, которая эквивалентна волновому сопротивлению, в нем устанавливается режим бегущей волны. Созданную на этом волноводе антенну называют волноводно-щелевой антенной бегущих волн, а чаще, в противовес резонансной, - нерезонансной волноводно-щелевой антенной. Щели располагаются на расстоянии, несколько отличном от (или от ).

В антеннах с согласованными щелями каждая щель согласована с волноводом при помощи реактивного вибратора или диафрагмы и не вызывает отражений.

Основные преимущества волноводно-щелевых антенн:

- отсутствие выступающих частей и компактность волноводной распределительной системы, что особенно важно при применении антенн на борту летательных аппаратов;

- возможность сравнительно легкой реализации требуемых амплитудных распределений (путем регулирования связи щелей с волноводом);

- они имеют сравнительно простое возбуждающее устройство, просты в эксплуатации;

Недостатком волноводно-щелевых антенн является ограниченность рабочей полосы, в первую очередь из-за нежелательных отклонений луча при изменении частоты, а также из-за нарушения согласования входа. Волноводно-щелевая антенна изображается на рисунке 1.

Прорезанная в волноводе щель имеет однонаправленное излучение. Продольная щель в широкой и узкой стенках эквивалентна параллельному включению в линию резистору (рис. 2.а), поперечная щель в широкой стенке - последовательно встроенному (рис. 2.б).

Рисунок 1 - Волноводно-щелевая антенна

Рисунок 2 - Прорезанная в волноводе щель

В тех случаях, когда необходимо обеспечить согласование антенны с трактом, меняют месторасположение щели или поворачивают её.

Ширина щели определяется из условия электрической прочности. Увеличение ширины щели увеличивает её электрическую прочность и уменьшает резонансную длину, которая становится меньше . Для получения узкой диаграммы направленности (ДН) применяют многоэлементные волноводно-щелевые антенны.

Наряду с волноводно-щелевой решеткой с неподвижными в пространстве диаграммами направленности, применяются волноводно-щелевые решетки с механическим, электромеханическим и электрическим сканированием.

Волноводно-щелевые антенны (ВЩА) применяются на летательных аппаратах, особенно на скоростных самолетах и ракетах, так как компактность и возможность выполнения щелевых антенн заподлицо с металлической облицовкой делает эти антенны весьма удобными для применения их в авиации.

1. Анализ исходных данных

Волноводно-щелевая антенна не резонансного типа имеет следующие параметры:

- f=10-11 ГГц;

- 2И_0.5^H в пл. H?30?;

- 2И_0.5^E в пл. E всесторонняя;

- КСВ?1.2;

- Питание - коаксиальный кабель с Zв=100 Ом;

- Ширина полосы пропускания не менее 20?.

2. Выбор конструкции и структурного построения проектируемого устройства

За основу для построения волноводно-щелевой антенны нерезонансного типа возьмем прямоугольный волновод с волной основного типа Н₁₀. При этом необходимо учитывать, что в волноводе имеют место продольный и поперечный поверхностные токи на широких стенках и поперечный ток на узких стенках.

Возбуждение щели в волноводе происходит, если она своей широкой стороной пересекает поверхностные токи, текущие по внутренним стенкам.

На рис. 1.1 показаны четыре основных типа излучающих щелей.

Продольная щель I пересекает поперечный ток, если она сдвинута относительно средней линии широкой стенки волновода.

Излучение отсутствует при х₁=0 и возрастает при увеличении смещения х₁.

Поперечная щель II возбуждается продольными токами. Интенсивность возбуждения уменьшается при смещении от средней линии. При х₁=0 излучение максимально.

Наклонная смещенная щель III пересекается как продольными, так и поперечными токами. При х₁=0 и узле наклона щели =0 излучение отсутствует.

Щель IV, прорезанная в боковой стенке, при =0 не возбуждается. При =90^о излучение максимально.

Антенны с наклонными щелями в узкой стенке имеют поле паразитной поляризации. В антеннах с поперечными щелями из-за большого шага решетки в области видимости возникают побочные главные максимуму. Учитывая все это и желая упростить конструкцию проектируемой антенны, будем рассматривать волноводно-щелевую антенну нерезонансного типа с продольными щелями в широкой стенке волновода (рис. 1.2).

Нерезонансные волноводно-щелевые антенны отличаются от резонансных тем, что волновод нагружается в конце на согласованную нагрузку, так что в отсутствие щелей в нем устанавливается бегущая волна. Щели располагаются на расстоянии d, несколько отличном от , что приводит к несинфазному возбуждению щелей падающей волной и направление главного максимума излучения склоняется от нормали к оси антенны. Чаще всего это отклонение мало и изменения формы главного лепестка и уровня боковых еще незаметны. Поэтому направленные свойства такой антенны можно определять так же, как для случая синфазного возбуждения, с последующим учетом угла наклона луча.

Характерной особенностью нерезонансной антенны является более широкая полоса частот, в пределах которых имеет место хорошее согласование, т.к. отдельные отражения при большом числе излучателей почти полностью компенсируются.

Обеспечение требуемой ширины ДН осуществляется выбором количества излучателей. Требуемый КСВ обеспечивается подбором нужного расположения на широкой стенке волновода щелей.

Исходя из того, что волноводно-щелевая антенна используется на летательных аппаратах, раскрыв ее должен быть защищен от атмосферных осадков и пыли. Для этого раскрыв антенны закрывается диэлектрической пластиной или же вся излучающая система помещается в радио прозрачный обтекатель.

3. Выбор материалов основных и вспомогательных конструктивных элементов

Основным конструктивным элементом является волновод, среда внутри волновода должна быть однородной, а стенки обладать бесконечной проводимостью. Наибольшей проводимостью обладает медь. Из этих соображений стенки волновода выполним из меди а внутри оставим его полым, т.е. заполним воздухом.

Волноводные согласованные нагрузки выполняются в виде поглощающих вставок переменного профиля в отрезке короткозамкнутого волновода. Выполняются из композитных материалов на основе порошков графита, карбонильного железа или карбида кремния. Для уменьшения отражений поглощающим вставкам придают вид клиньев.

Диэлектрическая пластина должна вносить максимальные потери, т.е. минимальным тангенсом диэлектрических потерь. Наилучшим материалом для этих целей является фторопласт-4, с =2.5·10^-4.

Возбуждение прямоугольного волновода с волной типа Н₁₀ от коаксиального волновода производится с помощью коаксиально-волноводного перехода. В зондовом переходе согласование входов обеспечивается изменением длины зонда L_з, а также подбором расстояния l. Обычно, :

При выборе марки коаксиального кабеля руководствуются тем, что в нем на рабочей частоте должно быть минимальное затухание. Волновое сопротивление кабеля 100 Ом. Исходя из этого, выбираем кабель РК-100-7-21 с затуханием на f=10 ГГц =1.3 дБ/м . Это коаксиальный кабель со сплошной фтерленовой изоляцией. Внутренний проводник изготовлен из посеребренной медной проволоки, диаметр проводника d₁=0.74мм. Сплошную изоляцию из фтерлена накладывают на внутренний проводник обмоткой лентами фтерлена-4, диаметр изоляции d_из=7.3±0.3мм . Внешний проводник изготовляют из медной посеребренной проволоки, d_внеш=0.15-0.2мм . Кабель обматывают лентами фтерлена-4, оплетают стеклопряжей и покрывают кремнийорганическим лаком, d_об=9.0±0.5мм.

4. Электрический и геометрический расчет основных и вспомогательных конструктивных элементов

4.1 Расчет волновода

Условие существования волн в прямоугольном волноводе:

(4.1)

где - критическая длина волны в волноводе,

a, b - размеры волновода, - длины ближайших высших типов волн. Основной волной в прямоугольном волноводе является волна Н₁₀ (m=1, n=0).

(4.2)

Ближайшими высшими типами волн являются волны Н₂₀ и Н₀₁.

(4.3)

(4.4)

Из (4.1) - (4.4) следует, что

(4.5)

или

(4.6)

На практике выбирается

(4.7)

Из заданного диапазона частот 10-11 ГГц выбираем за рабочую частоту f=10.5 ГГц.

Рабочую длину волны находим из формулы

(4.8)

где с=3·10⁸м/с - скорость света в вакууме =2.86см

Из (4.7) находим размеры волновода:

а=0.75=2.145см

b=0.35=1.001см

Применяем стандартный волновод сечением 2.31см.

Частотный диапазон работы волновода:

f_кр < f < f_В.Т.В (4.9)

Длина волны в волноводе имеет значение:

(4.10)

где - рабочая длина волны.

Волновое сопротивление находится по формуле:

(4.11)

Найдем предельно пропускаемую мощность:

 (4.12)

где a,b - размеры волновода, см;

Е_пред=0.5Е_проб - предельно допустимая напряженность электрического поля, кВ/см;

Е_проб =30 кВ/см - напряженность электрического поля в волноводе, при котором происходит пробой воздуха.

Получаем

Коэффициент затухания основной волны в волноводе рассчитывается по формуле:

, (4.13)

где - проводимость материала стенок (меди).

Подставив численные значения, имеем:

Толщина стенок волновода выбирается из условия

,

где - глубина скин-слоя, м;

Гн/м - магнитная постоянная;

- магнитная проницаемость меди.

Получим .

Для увеличения прочности стенок волновода и для удобства изготовления выбираем t=0.1мм .

4.2 Расчет волноводно-щелевой антеннынерезонансного типа

В качестве амплитудного распределения по антенне выбираем равномерное с уровнем боковых лепестков - 13.5 дБ, что значительно упрощает дальнейшие расчеты.

По данному амплитудному распределению найдем длину антенны и количество излучателей.

Ширина ДН на уровне 0.5 по мощности:

, (4.14)

где - длина волны генератора

N - число щелей

d - расстояние между соседними излучателями.

Расстояние d определяется так, чтобы во всем рабочем диапазоне измерений не получалось бы резонансного возбуждения антенны и в ДН не появлялись бы главные максимумы высших порядков:

, (4.15)

где - нижняя граница диапазона длин волн.

Подставим (4.15) в (4.14):

, (4.16)

;

;

;

;

=3.96 см

Подставив численные значения, получим:

Для обеспечения заданной ширины ДН возьмем:

N=6

см

Щель прорезанная в волноводе, нарушает режим работы волновода, вызывая отражение электромагнитной энергии. Таким образом, щель является нагрузкой для волновода, в которой рассеивается часть мощности, эквивалентной мощности излучения.

Поэтому волновод заменяется эквивалентной двухпроводной линией, в которую включены сопротивления. Продольная щель эквивалентна параллельному включению сопротивления в линию. При расчете обычно пользуются параллельной проводимостью g, нормированной к волновой проводимости волновода:

(4.17)

где G - проводимость щели.

Приближенная формула нормированной проводимости имеет вид:

(4.18)

где х₁ - смещение центра щели относительно середины широкой стенки волновода.

Для того, чтобы в возбуждающем антенну волноводе установился режим бегущих волн, должно выполняться условие:

(4.19)

В результате находим:

(4.20)

Подставляя численные значения, получаем: х₁=0.379 см.

Ширина щели выбирается исходя из условий обеспечения необходимой электрической прочности и требуемой полосы пропускания.

При выборе ширины щели d₁ должен обеспечивать двух- или трехкратный запас по пробивной напряженности поля Е_из максимальна. Этот запас выбирается исходя из конструктивных требований и условий работы щелевой антенны:

, (4.21)

где U_m - амплитуда напряженности в пучности

Е_пр - предельное значение напряженности поля при которой наступает электрический пробой (для воздуха при нормальных атмосферных условиях Е_пр=30 кВ/м).

В случае равномерного амплитудного распределения по раскрыву антенны, когда излучаемая антенной мощность делится поровну между щелями:

, (4.22)

где Р - подводимая к антенне мощность

- проводимость излучения щели

N - число щелей

Подводимая мощность выбирается из диапазона, рассчитанного выше

0 < p < 268.4 кВт; p=10 кВт

Внешняя проводимость излучения щели в волноводе находится по формуле:

, (4.23)

где - сопротивление излучения симметричного эквивалентного вибратора, которое находится из формулы (при условии, что длина вибратора ):

, (4.24)

где lg - действующая длина вибратора.

Для полуволнового вибратора:

, (4.25)

Подставляя в (4.23) формулы (4.24) и (4.25), получим

(4.26)

С учетом выше приведенных формул, имеем

(4.27)

Т.к. щель закрыта диэлектрической пластиной из фторопласта, то её электрическая прочность увеличивается, вместо Е_пр для воздуха следует подставить Е_пр для фторопласта:

Тогда

Примем d₁=0.1 см.

5. Расчет параметров и характеристик спроектированного устройства

Нормированная ДН линейной решетки излучателей может быть записана в виде:

(5.1)

где - ДН одного излучателя;

- множитель антенной решетки, зависящий от числа щелей в антенне.

Нормированная амплитудная ДН одиночной щели находится по формуле:

(5.2)

Множитель антенны в случае равномерного амплитудного и линейного фазового распределения по длине решетки имеет вид:

(5.3)

где - волновое число

- длина волны генератора

- длина волны в волноводе

N = 6 - число щелей.

Подставив (5.2) и (5.3) в (5.1), получим:

 (5.4)

Результаты вычислений приведены в таблице 1:

Таблица 1.

0 5 9,05 10 15 20 25 30 35 40	1,0 0,827 0,5 0,413 0,008 0,199 0,181 0,042 0,08 0,12		45 50 55 60 65 70 75 80 85 90	0,084 0,019 0,034 0,059 0,059 0,046 0,03 0,016 0,007 0,0

Смещение главного максимума ДН относительно нормали к широкой стенке волновода определяется по формуле:

(5.5)

Из формулы (5.5) имеем:

На графике ДН построена в зависимости от .

ель, прорезанная в волноводе, имеет однонаправленное излучение. Поэтому ДН антенны рассчитана в секторе углов от -90⁰ до 90⁰, в остальном секторе углов ДН практического интереса не представляет.

При определении ДН антенны в Н-плоскостях следует учитывать, что конечного размера экрана (поперечные размеры волновода) существенно влияют на форму ДН: ограниченность экрана придает излучению направленность - поле в направлении экрана уменьшается до 40-50% относительно значения поля в направлении max ДН.

Чтобы упростить определение ДН, щель в плоскости Н волновода удобно заменить плоской лентой той же ширины. Тогда нормированная амплитуда ДН антенны в Н-плоскости определяется формулой:

, (5.6)

где d₁ - ширина щели.

- угол между нормалью к поверхности антенны и направлением в точку наблюдения.

Результаты вычислений приведены в таблице 2:

Таблица 2.

0 5 10 20 30 40 50 60 70 80	1 0,998 0,992 0,97 0,932 0,882 0,82 0,749 0,67 0,586		90 100 110 120 130 140 150 160 170 180	0,499 0,413 0,328 0,25 0,178 0,117 0,067 0,03 0,008 0,0

Коэффициенты направленного действия волноводно-щелевых антенн ориентировочно рассчитывается по формуле:

 (5.7)

КПД нерезонансной антенны определяется по формуле:

, (5.8)

где Р₀ - мощность на входе антенны

Р_L - мощность на конце антенны

L - длина антенны

- коэффициент затухания, рассчитанный по формуле (5.13):

При =0.05 получаем

Коэффициент усиления антенны:

(5.9)

Подставим численные значения:

Ширина ДН по уровню 0.5 (таблицы 1 и 2):

в плоскости Е

в плоскости Н

Заключение

Спроектированная волноводно-щелевая антенна нерезонансного типа соответствует всем предъявленным к ней в техническом задании требованиям. Её изготовление не требует больших затрат, т.к. форма её проста. Расход материалов также не большой.

Однако трудности в серийном производстве возникают в связи с маленькими размерами антенны и жесткими требованиями к точности изготовления.

При изготовлении волновода требуется точность не менее 10^-5 м. Кроме того, большие требования предъявляются к изготовлению внутренней поверхности волновода, которая должна быть без неровностей и повреждений.

При изготовлении излучающей системы (щелей) требуется еще более высокая точность, т.к. отклонение от щели может привести к уменьшениям параметров антенны, что не допускается.

Список литературы

1. Янушкевич В.Ф. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны» для студентов специальности Т.09.01.00. Новополоцк 1997г.

2. Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ, 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1982-- 278 с.

3. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов по спец. «Радиотехника». -- М.: Высш. шк., 1992. -- 416 с: ил.

Приложение

Диаграмма направленности антенныв плоскости Е

Диаграмма направленности антенныв плоскости Н



Размещено на Allbest.ru