Рупорно-линзовая антенна (стр. 1 из 5)
Министерство образования РФ
Рязанская государственная радиотехническая академия
Кафедра радиоуправления и связи
Курсовая работа
по дисциплине "Антенны и устройства СВЧ" на тему:
Рупорно-линзовая антенна
Выполнил:
Глазнёв В.В
Руководитель:
Рендакова В.Я.
Рязань 2004
Содержание
Введение
1. Теоретическая часть (анализ технического задания и обзор вариантов решений)
2. Расчет основных электрических и геометрических параметров антенны и ее элементов
3. Конструктивный расчет и разработка конструкции АФУ
4. Описание конструкции
Заключение
Библиографический список
Введение
Рупорные антенны являются простейшими антеннами СВЧ диапазона. Они могут применяться как самостоятельно, так и в качестве элементов более сложных антенн. Рупорные антенны позволяют формировать диаграммы направленности шириной от 100..140 до 10..20 градусов. Возможность дальнейшего сужения диаграммы направленности ограничивается необходимостью резкого увеличения длины рупора. Для формирования узких диаграмм направленности могут быть использованы двумерные решетки из небольших рупоров. Также, для достижения той же цели и улучшения характеристик рупорной антенны (для выравнивания фазы в раскрыве рупора), в них могут быть вставлены линзы. Совокупность этих решений позволяет создавать антенны довольно компактных размеров с игольчатой диаграммой направленности. Для упрощения задачи согласования приемных и передающих антенн используют антенны с вращающейся поляризацией. Для создания поля с круговой поляризацией применяется включение в волноводный тракт рупора фазирующей секции. При этом приходится отказываться от тех линз, которые применимы только для линейно поляризованных волн (ускоряющие метало-пластинчатые линзы). Рупорные антенны являются широкополосными антеннами, они обеспечивают примерно полуторное перекрытие по диапазону. Частотные свойства линзовых антенн определяется частотными свойствами диэлектрика линзы. Коэффициент полезного действия рупоров высокий и очень близок к 100%. Однако линзы имеют ряд недостатков. Это большой объем, масса, потери в материале линзы и на отражение от ее поверхности. Поэтому, при расчете рупорно-лизовых антенн все эти факторы необходимо учитывать и находить компромиссы. При разумном проектировании можно рассчитать антенну, которая в достаточной степени будет удовлетворять техническому заданию.
1. Теоретическая часть(анализ технического задания и обзор вариантов решений)
В техническом задании предложено спроектировать передающую рупорно-линзовую антенну на 5 кВт с длиной волны 
см, с заданной шириной диаграммы направленности по уровню половинной мощности 
в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Антенна должна иметь вращающуюся поляризацию, причем необходимо предусмотреть возможность механического поворота антенны в горизонтальной плоскости на 
. Заданная диаграмма направленности (ДН) является игольчатой и для ее обеспечения требуется довольно широкий раскрыв. Известно, что для формирования одинаковой ширины ДН в вертикальной и горизонтальной плоскости соотношение широкой и узкой сторон раскрыва рупора должно быть примерно 1.5 
1. Однако, для обеспечения такой ДН при вращающейся поляризации необходимо иметь квадратный раскрыв. Но при квадратном раскрыве и вращающейся поляризации ДН будет постоянно меняться во времени, расширяясь в одной плоскости и одновременно сужаясь в другой. Чтобы получить одинаковые ширины ДН, рекомендуется применять внутри рупора специальные симметрирующие пластины определенных размеров (см. рис. 1).
Рис. 1.
Как уже указывалось, рупор должен иметь широкий раскрыв. Но для обеспечения малости фазовых искажений он должен иметь очень большую протяженность. Решением данной проблемы является переход к двумерной синфазной решетке рупорных излучателей (рис. 2).
Рис. 2.
Это сильно уменьшит один из габаритных размеров антенны. Для обеспечения синфазности раскрывов в каждый рупорный излучатель вставляется линза, что дополнительно уменьшит указанный размер. Конечно, можно вставить линзу и в исходный, большой рупор и этим сократить длину рупора, но тогда линза будет иметь большой диаметр и толщину. Следует указать, что в случае вращающейся поляризации нельзя применять металло-пластинчатую линзу, так как она ориентирована только на линейную поляризацию, применяются замедляющие линзы из радиопрозрачного диэлектрика. А такие линзы при большом диаметре и толщине имеют большую массу.
Таким образом, целесообразно остановиться на расчете антенной решетки с синфазно запитанными рупорно-лизовыми излучателями.
Получение вращающейся поляризации в рупорных антеннах с помощью поляризационных фазирующих секций, которые могут быть установлены в волноводе перед рупором (волноводные фазирующие секции), или в раскрыве рупора (см. рис. 3).
Рис. 3.
Так как в раскрыве рупорного излучателя стоит линза, то вариант с поляризационной секцией в раскрыве не подходит. Волноводные фазирующие секции основаны на том, что в волноводе со сторонами 
возбуждаются две взаимно перпендикулярные волны 
и 
, которые, проходя фазирующую секцию, получают сдвиг фаз друг относительно друга 
. Сдвиг фаз получатся из-за различия фазовых скоростей распространяющихся волн. Такие секции выполняются разными способами. Наиболее часто используемыми являются секции на квазиквадратном волноводе со сторонами , и квадратном волноводе ( 
) с диэлектрической продольной вставкой. Последние являются довольно компактными по сравнению с первыми, к тому же они просты в настройке, но величина пропускаемой мощности в них ограничивается свойствами диэлектрика. Остановимся на этом варианте. Поскольку фазирующая секция должна вставляться в каждый рупор решетки, то величина пропускаемой мощности каждой секцией будет меньше всей передаваемой мощности во столько раз, сколько всего излучателей. И необходимо учитывать, что она не должна превышать предельную мощность выбираемого диэлектрика.
Способов синфазного запитывания всех излучателей решетки существует несколько. Известно, что наиболее оптимальной чаще всего является двоично-этажная схема типа "ЕЛОЧКА" (рис. 4).
Рис. 4.
Количество излучателей в такой схеме должно быть
штук, она несколько громоздка, однако, довольно хорошо согласуется с питающим фидером. Поэтому будет логичным выбор этого способа питания.Таким образом, можно изобразить первоначальную схему разрабатываемой антенны. Схема антенны в одной плоскости изображена на рис. 5.
Рис. 5.
Расчет антенны будем проводить в следующей последовательности. Сначала рассчитаем раскрыв одиночного рупора, который будет формировать заданную диаграмму направленности. Далее, задаваясь количеством рупорных излучателей, и считая полученную площадь раскрыва площадью излучения синфазной решетки, найдем размеры раскрыва маленьких рупоров. После этого можно рассчитать диаграмму направленности одного излучателя, определить, и по возможности обеспечить необходимое оптимальное расстояние между рупорными излучателями для подавления дифракционных лепестков решетки. Затем, зная размеры раскрывов излучателей, определим параметры диэлектрической линзы и необходимые углы растворов рупоров. После этого рассчитывается распределение амплитуд токов в раскрыве одного излучателя, полагая все фазовые искажения скомпенсированными линзой. По этому распределению находится диграмма направленности рупорно-линзового излучателя и уточняется оптимальное расстояние между рупорами. Одновременно можно рассчитать размеры сторон и длину фазирующей секции с диэлектрической вставкой. А затем, учитывая найденные углы раствора рупоров и размеры сторон секции, находится длина рупорного излучателя. Затем, для обеспечения одинаковой ширины диграммы направленности при вращающейся поляризации рассчитываются размеры металлических пластин, вставляющихся с этой целью в рупора.
Эти расчеты позволят определить основные параметры антенны: диаграмму направленности (ее ширину и уровень боковых лепестков), коэффициент направленного действия, коэффициент усиления, коэффициент полезного действия. Дополнительно можно определить такие параметры как коэффициенты отражения от горла рупора и линзы, и при необходимости решить вопросы по согласованию.