Синфазная решетка из рупорных антенн (стр. 1 из 2)
Министерство общего и профессионального
образования Российской Федерации
РГРТА
Кафедра РУС
Реферат:
« Синфазная решетка из рупорных антенн »
Рязань 2001 г.
Содержание
Введение
1. Теоретическая часть
2. Расчет одиночного рупора
3. Расчет антенной решетки
Заключение
Список литературы
Введение
Рупорные антенны являются простейшими антеннами СВЧ-диапазона. Излучатель типа открытого конца волновода можно рассматривать как рупор, у которого угол раскрыва равен нулю. Для получения более острой диаграммы направленности сечение стандартного волновода можно увеличивать плавно, превращая волновод в рупор. В этом случае структура поля в волноводе в основном сохраниться. В горле рупора, то есть в месте его соединения с волноводом, всё же возникают высшие типы волн. Однако если угол раскрыва рупора не слишком велик, то волны всех типов, кроме основного, быстро затухают в окрестности горловины рупора, а по рупору будет распространяться только колебания основного типа.
Основные типы рупоров образуются в результате расширения прямоугольного или круглого волновода. Если расширение прямоугольного волновода происходит только в одной плоскости, то получается секториальный рупор. В зависимости от того, в какой плоскости происходит расширение, различают Н-плоскостные и Е-плоскостные секториальные рупоры. Если прямоугольный волновод расширяется сразу в двух плоскостях, получается пирамидальный рупор . Расширяющийся круглый волновод образует конический рупор . Кроме указанных типов, применяются ещё комбинированные прямоугольные рупора.
Рупорные антенны могут применяться как самостоятельно, так и в качестве элементов более сложных антенн. Рупорные антенны позволяют формировать диаграммы напряжённости (ДН) шириной от 100-140 градусов до 10-20 градусов. Возможность дальнейшего сужения ДН ограничивается необходимостью резкого увеличения длины рупора. Рупорные антенны являются широкополосными, они обеспечивают примерно полуторное перекрытие по диапазону. Возможность изменения рабочей частоты в ещё больших пределах ограничивается возбуждением и распространением, в питающем волноводе высших типов волн. Коэффициент полезного действия рупора - высокий (приблизительно 100%). Включение в волноводной тракт фазирующей секции или в раскрыв поляризационной решётки обеспечивает создание поля с круговой поляризацией. Для формирования узких ДН могут быть использованы двумерные решётки из небольших рупоров. Для этого надо взять несколько слабонаправленных излучателей, расположить их определенным образом в пространстве, запитать от общего генератора и подобрать должным образом амплитуды и фазы их токов.
1. Теоретическая часть
Расчет рупорных антенн основан на результатах их анализа, то есть первоначально ориентировочно задаются геометрическими размерами антенны, а затем определяют её электрические параметры. Если размеры выбраны неудачно, то расчет повторяется снова.
Поле излучения рупорной антенны, как и всех антенн СВЧ, определяется приближенным методом. Сущность приближения заключается в том, что несмотря на связь между полем внутри и вне рупора, внутреннюю задачу решают независимо от внешней, и полученные из этого решения значения поля в плоскости раскрыва рупора используют для решения внешней задачи.
Амплитудное распределение поля в раскрыве рупора принимается таким же, как и в питающем его волноводе. При возбуждении рупора прямоугольным волноводом с волной Н10 вдоль оси X (проходящей в плоскости Н) распределение амплитуды поля косинусоидальное, а вдоль оси Y (проходящей в плоскости Е) амплитудное распределение равномерное
В связи с тем, что фронт волны в рупоре не остается плоским, а трансформируется в цилиндрический в секториальном рупоре и в сферический в пирамидальном и коническом, то фаза поля по раскрыву меняется по квадратичному закону.
Описанные амплитудное и фазовое распределение поля по раскрыву являются приближенными. Некоторое уточнение дает учет отражения от раскрыва хотя бы только основного типа волны. При этом надо иметь в виду, что коэффициент отражения уменьшается с увеличением раскрыва.
Диаграмма направленности рупорной антенны по известному полю в раскрыве может рассчитываться методом волновой оптики на основе принципа Гюйгенса и формулы Кирхгофа. Применение формулы Кирхгофа к электромагнитному полю не является строгим. Имея выражение для диаграммы направленности, можно найти коэффициент направленного действия антенны, зависимость ширины диаграммы направленности от размеров раскрыва и другие характеристики антенны.
Рупорная антенна состоит из рупора, волновода и возбуждающего устройства .
2. Расчет одиночного рупора
1). Выбор волновода.
Волновод выбираем исходя из заданной рабочей частоты:
Марка волновода:
Размеры волновода:
в плоскости вектора Н:
в плоскости вектора Е:
Длину волны л находим по формуле:
,где
- скорость света.
2). Размеры рупора.
а). Ширина сторон раскрыва.
Ширину сторон раскрыва рупора находим из заданного размера раскрыва одиночного рупора:
S=700 см2.
Так же известно что, пирамидальный рупор оптимален, если искажения в Н-плоскости составляют б1= 135є, а в Е-плоскости – б2=90є. Получаем соотношение:
Обозначим:
а1 - ширина рупора в плоскости Н;
а2 - ширина рупора в плоскости Е.
Составляем систему из двух уравнений:
из этих уравнений находим:
а1=32.4 см
а2=21.6 см
б). Длина рупора.
Обозначим:
h1 - длина рупора в плоскости H,
h2 - длина рупора в плоскости Е.
см, 
см.Для пирамидального рупора эти длины могут быть различными и не совместимыми, поэтому используем уравнение «стыковки рупора с волноводом»:
h1 (1-a/a1) = h2 (1-b/a2),
Чтобы фазовые искажения в раскрыве не превысили допустимых, большее значение длины h принимаем за постоянное число и выражаем меньшее значение через большее.
Подставляем полученные значения длин рупора в уравнение «стыковки рупора с волноводом»:
; 
Принимаем значения:
и 
за действительные и в дальнейших расчётах будем использовать их.в). Угол раскрыва рупора:
Зная ширину сторон раскрыва и длины рупора, считаем угол раскрыва в двух плоскостях по формулам:
; 
, угол раскрыва в плоскости Н, 
; 
, угол раскрыва в плоскости Е.3). Коэффициент направленного действия одного излучателя.
,где н - коэффициент использования площади.
Для пирамидального рупора
. 
4). Расчёт ширины диаграмм для одного рупора.
Ширина диаграммы направленности в плоскости Н:
, 
.Ширина диаграммы направленности в плоскости Е:
, 
.5). Графическое построение диаграммы направленности единичного излучателя.
При расчете диаграммы направленности антенны поле в раскрыве можно принимать синфазным, так как в правильно спроектированном рупоре фазовая ошибка не изменяет существенно диаграмму направленности. Амплитудное распределение как указывалось раньше, принимается совпадающем с полем в поперечном сечении питающего волновода.