12
Государственный комитет РФ по высшему образованию
ТОМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
(ТУСУР)
Кафедра СВЧиКР
Оптимальная волноводно-щелевая решетка
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ ПО КУРСУ
Задание
Исходные данные :
Тип антенны : оптимальная волноводно-щелевая решетка
Вид антенны : передающая
Рабочая длина волны
Уровень токовых лепестков
Количество щелей 2N=30
Падаваемая мощность P=1кВт
Выполнить :
Выбор и расчет антенны
Выбор питающей линии
Содержание
Введение ............................................................................. 4
Расчет питающего волновода ............................................ 6
Расчет антенной решетки ................................................... 7
Расчет системы возбуждения волновода..........................13
Заключение ........................................................................ 17
Список литературы ........................................................... 18
Введение
Волноводные-щелевые решетки (ВЩР) являются одним из видов линейных многоэлементных антенн (антенных решеток). Щелевые волноводные антенны применяются также в качестве антенн с механическим, электромеханическим и электрическим сканированием. Наибольшее распространение получили щелевые волноводные антенны, выполненные на основе прямоугольного волновода с волной Н10.
ВЩР обеспечивают сужение ДН в плоскости, проходящей через ось волновода.
Основные достоинства ВЩР :
Ввиду отсутствия выступающих частей, излучающая поверхность ВЩР может быть совмещена с внешней поверхностью корпуса летательного аппарата, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления (бортовая антенна) ;
В них могут быть реализованы оптимальные ДН, т.к. законы распределения поля в раскрыве могут быть различными за счет изменения связи излучателей с волноводом ;
Они имеют сравнительно простое возбуждающее устройство, просты в эксплуатации.
Недостатком ВЩР является ограниченность диапазонных свойств. При изменении частоты в несканирующей ВЩР происходит отклонение луча в пространстве от заданного положения, сопровождающееся изменением ширины ДН и ее согласования с питающим фидером.
Нерезонансными называются антенны, у которых расстояние между соседними щелями в пределах рабочей полосы несколько больше или несколько меньше в/2. Характерной особенностью нерезонансных антеннявляется более широкая полоса, в пределах которой получается хорошее согласование. Отличие расстояние между соседними щелями от в/2 приводит к несинфазному возбуждению щелей падающей волной. В результате вдоль антенны получается линейное изменение фазы, что вызывает некоторое отклонение направления максимального излучения от нормали к оси.
Особую группу составляют антенны с согласованными щелями. Щели втаких антеннах располагаются обычно на расстояниях, равных в/2. В антеннах с согласованными щелями отраженные волны отсутствуют. Распределние поля в раскрыве антенны получается синфазным. Направление максимального излучения на основной волне совпадает с нормалью к оси антенны.
В случае наклонных щелей на боковой стенке волновода дополнительный фазовый сдвиг 180о получается за счет изменения угла наклона щели . Следовательно, результирующий сдвиг по фазе соседних излучателей оказывается равным 360о или 0о независимо от типа нагрузки на конце антенны.
Расчет питающего волновода
Находим длину антенны и проводимость одной щели
Из выбранных параметров для резонанстных антенн, длина антенны получается
(5)
Находим проводимость одной щели. Проводимость одной щели можно найти из условия согласования антенной решетки с питающим волноводом: . Отсюда
(6)
Находим ширину щели
При выборе ширины щели должен обеспечиваться 2-3-кратный запас на электрическую прочность по пробивному запасу напряженности поля для середины щели, где напряженность поля между ее краями Ещ максимальна.
(7)
Где Umax - амплитуда напряженности в пучности щели,
Ещ - предельгное значение напряженности поля, при котором наступает пробой (для воздуха при н.у. Епр=30 КВ/см)
(8)
Где Р=1 КВт -подводимая к антенне мощность, gщ=13мСм - проводимость излучения щели, N - число щелей в антенне.
Выражаем и находим ширину щели
(9)
Определим смещение центра щели относительно оси волновода и длину щели l
Используя условие для согласования (6) , выразим параметр х1 для продольных шелей из эквивалентной проводимости.
(10)
получим
м (11)
Длина щели определяетса из графика л.[3]. Зависимость резонансной длины продольной щели от ее смещения .
Дольф-Чебышевское распределение
Дольф-Чебышевское распределение запишится в следуюшем виде :
(12)
порядок полинома Чебышева для данной задачи будет равен n=15
Находим параметр - определяющий уровень боковых лепестков относительно главного и ширину диаграммы направленности 2о.
(13)
Находим распределение тока в антенне. Т.к. число излучателей больше 20, это распределение можно найти с помощью приближенной формулы
(14)
Где
Zn-расстояние от начала координат до n-го излучателя, L - полная длина антенны.
По формуле 14 определяются токи во всех излучателях, кроме крайних. Краиние токи вычисляются по формуле 15.
(15)
После выполнения расчетов получил следующие результаты :
Расчет диаграммы направленности
Зависимость напряженности поля от угловых координат представляет собой диаграмму напрвленности антенны и для данного случая будем определять функцией Чебышева 15 порядка используя формулу (12) , где
Рис.2 Диаграмма направленности ВЩР в Н-плоскости.
Коэффициент направленного действия
КНД Дольф-Чебышевских решеток может быть определен по известному распределению тока в излучателях с помощью формулы
(16)
Коэффициент полезного действия ВЩР
КПД решетки излучателей определяется выражением
(17)
Где Ро - мощность на входе антенны, РL - мощность в конце антенны, L - длина антенны, - суммарное затухание в волноводе [Дб/м].
(18)
=5.8*107 - удельная проводимость меди.
Подставляя все полученные данные находим КПД :
Коэффициент усиления антенны
Коэффициент усиления ВЩР может быть расчитан по общеизвестной формуле
(19)
Расчет системы возбуждения волновода
Зондовый переход , схема которой преведена на рис 4. Расчет зонда
Определение оптимального растояния от последней щели до коротко замкнутого поршня
Рис5. Эквивалентная схема многощелевой резонансной антенны с продольными щелями на широкой стенки.
Анализ схемы показывает , что выполняется соотношение
(27)
z-расстояние от последней щели до закорачивающего поршня
Из формулы видноб что для достижения полного согласования ( Г=0 ) расстояние z нужно выбрать так, чтобы КСВ=1 . Вслучае резонансных щелей (bn=0) для достижения Г=0 необходимо,чтобы:
Из выражений видно , что для полного соглассования растояние от поршня до первой щели =
Заключение
В данной курсовой работе был произведен расчет оптимальной волноводно-щелевой решетки. При этом было выбрано Дольф-Чебышевское распределение как наиболее отвечающее поставленным условиям .А также соглассование волновода с коаксиальным кабелем
(основные параметры соглассования r, d, xo, zo, lo)
Основные характеристики расчитанной ВЩР :
Количество щелей - 30;
КПД = 82%
Ширина ДН 20.5=8
Уровень первого токового лепестка -30 Дб
Список использованной литературы :
Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). Под ред. Д.И.Воскресенского.
Г.З.Айзенберг. Антенны ультракоротких волн.
Расчет и проектирование антенно-фидерных устройств. Под ред. В.А.Наследника
М.С.Жук. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств.
А.С.Лавров, Г.Б.Резников. Антенно-фидерные устройства.