Антенная решетка из рупорно-линзовых антенн с электрическим качанием луча

Антенно-фидерное устройство для излучения и приёма радиоволн как неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Применение многоэлементных решёток излучателей с электрически управляемыми диаграммами направленности для острой направленности антенны.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра радиоуправления и связи

Реферат

по дисциплине “Антенны и устройства СВЧ”

на тему: АНТЕННАЯ РЕШЁТКА ИЗ РУПОРНО-ЛИНЗОВЫХ АНТЕНН С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ КАЧАНИЕМ ЛУЧА.

Выполнил:

Руководитель:

Рендакова В.Я.

Рязань 2003

Содержание

Введение

Анализ поставленной задачи

Расчёт одиночного излучателя

Расчёт длины и углов раствора рупора

Расчёт антенной решётки

Расчёт диаграммы направленности антенной решётки

Схема питания антенной решётки

Симметрирующая приставка

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Антенно-фидерное устройство, обеспечивающее излучение и приём радиоволн, - неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Требования к техническим характеристикам антенн вытекают из назначения радиосистемы, условий размещения, режима работы, допустимых затрат и т.д. Реализуемость необходимых направленных свойств, помехозащищённости, частотных, энергетических и других характеристик антенн во многом зависят от рабочего диапазона волн. Широкое распространение в последнее время получили остронаправленные сканирующие антенны СВЧ диапазона. Сканирование позволяет осуществлять обзор пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. [2]

Для обеспечения острой направленности антенны, высокой скорости перемещения антенного луча в пространстве, обзора весьма широкого сектора пространства применяют многоэлементные решётки излучателей с электрически управляемыми диаграммами направленности. Для формирования антенного луча в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и обеспечения возможности управления его положением, необходимо использовать двумерную (поверхностную) решётку излучателей.

На рис.1 показана структурная схема антенного устройства подобного типа.

антенна радиоволна радиотехническая система


Рис.1

Мощность с выхода передатчика поступает в распределительно-управляющее устройство. Здесь осуществляется деление мощности в нужной пропорции между излучателями решётки, а также обеспечивается создание требуемых фазовых сдвигов между токами в них. Для решения этих задач в распределительно-управляющих устройствах применяются делители мощности, фазовращатели, коммутаторы и другие элементы фидерного тракта. Формируемая решёткой диаграмма направленности зависит от диаграмм направленности отдельных излучателей, их взаимного расположения и числа. [3]

Анализ поставленной задачи

По техническому заданию на курсовую работу требуется спроектировать решётку из рупорно-линзовых антенн с электрическим качанием луча в Е-плоскости. В Н-плоскости требуется обеспечить синфазный режим.

В качестве одиночного излучателя используется пирамидальный рупор с ускоряющей линзой в раскрыве. Будем использовать металлопластинчатую линзу. Такая линза выполняется из параллельных металлических пластин, расположенных на расстоянии а одна от другой и образующих вогнутую поверхность. Вектор напряжённости электрического поля должен быть параллелен пластинам. [4] Линза применяется для коррекции фазовых искажений в раскрыве рупора за счёт искусственного выравнивания длины пути, проходимого электромагнитной волной от вершины рупора до всех точек раскрыва.

Использование линзы позволяет достичь заданного КНД при гораздо меньшей длине рупора. Соответственно меньше становятся габариты и масса антенны.

Будем использовать следующую методику расчёта рупорно-линзового излучателя. По заданной рабочей частоте и мощности в антенне выберем возбуждающий волновод. По заданному коэффициенту усиления для одиночного излучателя найдём геометрические размеры рупора, рассчитаем профиль линзы и диаграмму направленности одиночного излучателя.

Как уже отмечалось, для получения острой направленности антенны и обеспечения сканирования пространства применяются антенные решётки. Заданные ширина диаграммы направленности и сектор сканирования являются исходными данными для расчёта. По этим значениям определяются расстояние между излучателями, количество излучателей, длина строки и столбца решётки, уровень боковых лепестков в диаграмме направленности антенны. Затем рассчитывается сама диаграмма направленности антенной решётки.

Расчёт одиночного излучателя


В качестве одиночного излучателя используется пирамидальный рупор с ускоряющей линзой в раскрыве (рис.2).

Рис.2

Поляризация горизонтальная, значит, вектор будет лежать в горизонтальной плоскости.

1. Выбор размеров волновода.

Размеры поперечного сечения прямоугольного волновода и выбираются из условия распространения в волноводе только основного типа волны Н10 :

Размер должен удовлетворять условию и может быть выбран равным . [5] Этим требованиям удовлетворяет волновод Р-81. Он обладает полосой пропускания , внутренние размеры , толщина стенок 1.27мм , предельная мощность 1.77МВт . [6]

2. По заданному КУ находим КНД рупора:

Считаем , т.е. мощность энергии, отдаваемой генератором в антенну, практически равняется мощности излучения антенны. Тогда ().

По заданному КНД находим площадь раскрыва рупора:

,

где для рупоров с коррекцией фазы [6]

3. Находим стороны раскрыва рупора из соотношения . Зададим значение из соображений, что сканирование осуществляется в плоскости Е, и, соответственно, ширина диаграммы направленности в этой плоскости должна быть достаточно широкой.

4. Тогда:

5.


Рассчитаем профиль линзы, найдём фокусное расстояние и ширину линзы (рис.3). Примем фокусное расстояние равным большей стороне линзы [6]:

Рис.3

Линза ускоряющая - коэффициент преломления . Пусть . Расстояние между пластинами a найдём из формулы

[4].

Получаем:

Профиль линзы задаётся формулой [6]:

(1)

Подставляя значения и в (1) получаем для данного случая:

(2)

Считая в (2) y= a1 /2 найдём толщину линзы d .

Толщина линзы в плоскости Н будет другой.

Расчёт длины и углов раствора рупора

длина рупора в плоскости E:

длину рупора в плоскости Н считаем равной длине рупора в плоскости Е, т.е. R2 = R1 = 23.3см

Находим углы раствора рупора:

6. Расчёт диаграммы направленности рупорно-линзового излучателя:

Поле в раскрыве синфазное, амплитудное распределение в раскрыве принимаем совпадающим с полем в поперечном сечении питающего волновода. Тогда диаграмма направленности будет рассчитываться по следующим формулам [5]:

- в Н плоскости;

- в Е плоскости.

Соответственно для нашего случая диаграмма направленности примет вид:

- в Н плоскости;

- в Е плоскости.


Диаграмма направленности рупора в Н плоскости:


Диаграмма направленности рупора в Е плоскости:

Расчёт антенной решётки

Как уже отмечалось, антенные решётки позволяют сделать диаграмму остронаправленной, увеличить КНД антенны, обеспечить возможность обзора довольно широкого сектора пространства. Исходными данными для расчёта антенной решётки (рис.4 ) являются ширина диаграммы направленности, сектор сканирования.


Рис.4

Поляризация горизонтальная, значит, вектор лежит в горизонтальной плоскости. Тогда параметры решётки в плоскости Е: d1 , n, Ly , , .

Параметры решётки в плоскости Н: d2 , m, Lz , .

1. Расчёт расстояний между излучателями.

Так как в плоскости Е осуществляется сканирование, то расстояние между излучателями находится по формуле:

, - находим по диаграмме направленности рупора на уровне 0.3 (сектор сканирования 10дБ , или). Тогда:

Получилось, что d1 max меньше стороны рупора. Берём . Соответственно, данная решётка не сможет осуществить качание луча в заданном секторе. Так как антенна не может обеспечить заданный сектор сканирования на уровне 0.3, то сами зададим сектор сканирования, допустим, на уровне 0.7. По диаграмме направленности одиночного рупора находим новое значение (сектор сканирования ).

В плоскости Н режим синфазный. Находим расстояние между излучателями, при котором КНД решётки достигает максимального значения, т.е. оптимальное:

, где ,

Берём . Так как , то в диаграмме направленности будут довольно большие дифракционные лепестки.

2. Расчёт количества излучателей.

,

3. Расчёт длины решётки.

4. Расчёт уровня боковых лепестков.

в плоскости Е:

так как в плоскости Н 2 излучателя, то боковые лепестки в диаграмме направленности в Н плоскости будут отсутствовать.

5. Расчёт КНД решётки.

КНД антенной решётки находится по формуле: , где - количество излучателей в решётке; - КНД одиночного излучателя.

Видим, что КНД решётки значительно больше КНД одиночного рупора.

6. Определение разности фаз между соседними излучателями в плоскости, где осуществляется сканирование, т.е. в Е плоскости:

Расчёт диаграммы направленности антенной решётки

Диаграмма направленности антенной решётки определяется произведением двух множителей: диаграмм направленности одиночного излучателя решётки и множителя решётки . Диаграмма множителя решётки находится по формуле:

, где

В плоскости Н: . В данном случае диаграмма направленности антенной решётки примет вид:

, где (3)

Подставляя в (3) известные величины, окончательно получаем:

, где

В плоскости Е: . В плоскости Е осуществляется сканирование. В этом случае диаграмма направленности антенной решётки примет вид:

, где (4)

- сектор сканирования.

Подставляя в (4) известные величины, окончательно получаем:

, где

Диаграмма направленности множителя решётки и одиночного рупора в Н плоскости:


Диаграмма направленности антенной решётки в Н плоскости:

Диаграмма направленности множителя решётки и одиночного рупора в Е плоскости:


Диаграмма направленности антенной решётки в Е плоскости:

Схема питания антенной решётки

Для обеспечения обзора пространства (т.е. обеспечение сканирования) следует обеспечить разность фаз между излучателями . Для этого используем ферритовый фазовращатель на прямоугольном волноводе. Схема питания решётки в плоскости Е представлена на рис.5 , в плоскости Н на рис.6 .


Рис.5


Рис.6

Симметрирующая приставка

На рис. XXII. 19 показано в разрезе переходное устройство с симметрирующей приставкой. Питание к антенне подводится через коаксиальный фидер.

Центральная жила фидера соединяется с правой половиной вибратора (в точке 1) и, кроме того, с металлическим стержнем длиной в четверть волны, играющим роль симметрирующей приставки. Основание стержня припаяно к экрану фидера. Этот стержень вместе с соответствующим участком экрана фидера образует четвертьволновый отрезок линии, короткозамкнутой на конце. Оболочка коаксиального фидера соединяется с левой половиной вибратора (в точке 2).

Как видно из рис. XXII. 19, обе половины вибратора совершенно симметричны относительно оболочки фидера, так как одинаково соединены с наружными стержнями, из которых левый является экраном фидера, а правый симметрирующей приставкой.

Эта приставка на резонансной волне К0 не влияет на работу вибратора вследствие того, что образованный приставкой и участком наружного экрана четвертьволновый отрезок линии обладает весьма большим сопротивлением в точках присоединения к зажимам вибратора.

Сопротивление нагрузки для фидера ( в точках 1-2) на резонансной волне Я0 остается примерно равным входному сопротивлению самой антенны. Так, например, полуволновый вибратор, имеющий входное сопротивление около 73 Ом, оказывается хорошо согласованным со стандартным кабелем, имеющим волновое сопротивление 70-75 Ом.

Переходное устройство с симметрирующей приставкой в отличие от "6/-колена" и "четвертьволнового стакана" является широкополосным. При изменении частоты относительно резонансной симметрия питания вибратора не нарушается. Входное сопротивление отрезка линии, образованной приставкой и экраном фидера, при изменении частоты падает и начинает шунтировать сопротивление вибратора в точках 1-2. Однако в небольшой полосе частот это шунтирующее сопротивление при правильно подобранных параметрах схемы можно использовать для компенсации реактивного сопротивления "полуволнового" вибратора так же, как в рассмотренной выше эквивалентной схеме рис. XXII.15, а.

На рис. XXII.20 показан вариант схемы симметрирующей приставки, используемой для телевизионных приемных антенн.

Заключение

В процессе выполнения данной курсовой работы спроектировали антенную решётку из 12 рупорно-линзовых излучателей с электрическим качанием луча в Е плоскости. При расчёте решётки столкнулись с тем, что не смогли обеспечить оптимальное расстояние между излучателями в Н плоскости. В связи с этим в диаграмме направленности появились нежелательные довольно большие дифракционные лепестки. Также не удалось обеспечить заданный сектор сканирования на уровне 0.3. Поэтому мною был выбран сектор сканирования на уровне 0.7. Это требование удалось обеспечить, хотя и с довольно большим дифракционным лепестком в диаграмме направленности.

В итоге получилась антенная решётка со следующими параметрами:

Рабочая частота - 7.5 ГГц ;

Мощность в антенне - 4 кВт ;

КНД антенны - 2400;

Поляризация - горизонтальная;

Ширина диаграммы направленности на уровне 0.5 по мощности:

- в горизонтальной (Е) плоскости -

- в вертикальной (Н) плоскости -

Сектор сканирования на уровне 0.7 по мощности

При расчёте антенны использовались некоторые приближённые формулы, что в конечном счёте повлияло и на точность результатов в целом.

Список используемой литературы

1. Устройства СВЧ и антенны. Методические указания к курсовому проектированию. Сост.: В.И. Елумеев, А.Д. Касаткин, В.Я. Рендакова. Рязань, 1998. №2693

2. Д.И. Воскресенский. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решёток. - М.: Радио и связь, 1994.

3. А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов. Антенно-фидерные устройства. - М.: Советское радио, 1974.

4. Д.М. Сазонов. Антенны и устройства СВЧ. Учебник для радиотехнических специальных вузов. - М.: Высшая школа, 1988г.

5. Д.И. Воскресенский. Расчёт антенн СВЧ. Ч.1. - Москва, 1970.

6. А.П. Дорохов. Расчёт и конструирование антенно-фидерных устройств. Изд. Харьковского университета, 1960.