Проектирование решетки из рупорно-линзовых антенн мощностью в 9 кВт и заданной частотой в 9 ГГц, страница 2

ДН решетки в плоскости Е:

Таким образом при достижении угла 45 град. боковые лепестки исчезают, но при последующем увеличении угла, появляются вновь.

ДН решетки в плоскости Н:

В этом случае так же удалось немного снизить уровень боковых лепестков. Ширина ДН решетки по уровню половинной мощности в обеих плоскостях будет равна

=2.116 =град. MathCAD подтверждает это:

Расчет числовых параметров решетки.

Эквивалентное сопротивление рупора:
 

               Тогда коэффициент отражения от горла рупора:

Г=(Ze-1)/(Ze+1) = 0.167. Коэффициент прохождения по мощности = (1-Г)²=0.7

Рассчитаем КПД линзы:

Где Lsr – средняя толщина линзы, то есть половина ее толщины. Из-за очень малых потерь в материале линзы, она имеет максимальный КПД. Рупор так же имеет КПД, практически равный 100 процентам.

               Подаваемая на решетку мощность поровну распределяется между излучателями, то есть для каждого рупора она составляет Рруп = 9000/16 = 562.5 Вт. Можно точно (однако, пренебрегая отражением от горла рупора и линзы) посчитать выходную мощность решетки. Рвых = Вт.

               Итого КПД всей решетки =

               Примерный (пренебрегая влиянием линзы на амплитудное распределение в раскрыве) КНД одиночного рупора определим из выражения .  - КИП рупора, с учетом отсутствия фазовых искажений в раскрыве, примем 0.81, так как имеются амплитудные искажения в Н-плоскости. S –площадь раскрыва одиночного излучателя. Таким образом получим КНД, равный 366.5. КНД всей решетки – это сумма КНД всех излучателей, то есть , или 37.7 дБ. Зная КНД решетки, можно определить ее коэффициент ее усиления = 4100, или 36.13 дБ. Вот.

               В данном случае уровень боковых связан с дифракционными лепестками в ДН множителя решетки. Подставив угол, соответствующий первому дифракционному максимуму, в формулу для расчета ДН одиночного рупора в Н-плоскости (с учетом линзы), найдем значение уровня боковых лепестков. Первый дифракционный максимум соответствует углу 9.6 град., таким образом, уровень боковых 0.32, или –9.9 дБ.

Разработка конструкции системы запитки.

Для работы решетки необходима синфазная запитка входящих в нее излучателей. В анализе ТЗ было оговорено, что для этого будет использована схема «елочка», включающая в себя волноводные тройники и изгибы волноводов.

Тройники Н-типа и Е-типа соответственно:

                                 А для соединения волноводных тройников необходимо взять плавные изгибы волноводов.

Чтобы избежать значительных отражений, габаритные размеры уголка в плоскости изгиба составляют примерно половину длины волны. Так как волноводные тройники тоже в какой-то степени можно рассматривать как повороты, то их высота тоже принимается равной половине длины волны.

Схема питания рупоров в разных плоскостях будет выглядеть по-разному. Сначала (по направлению от генератора к излучателям) способом «елочка» питающий волновод будет разветвляться в горизонтальной плоскости при помощи тройников и изгибов Н-типа. После того, как питающий волновод разделится в горизонтальной плоскости на 4 волновода, должно бы начаться деление в вертикальной плоскости тройниками Е-типа. Но! Тройники Е типа обладают существенным недостатком. Волна в них будет делиться, но делиться в противофазе, значит невозможно будет запитать решетку синфазно. В этом случае на помощь приходит такое гениальное изобретение, как волноводная скрутка. Она позволит нам обойтись вовсе без тройников Е-типа. После того, как волна разделится на 4 в горизонтальной плоскости, волновод повернется на 90 градусов и волны продолжат делиться в Н-тройниках. После того, как она разделится на необходимые 16 волн, волновод снова повернется на 90 градусов. Схематично это выглядит так, для горизонтальной и вертикальной плоскостей соответственно:

Итого потребуется 15 тройников Н типа, 30 изгибов Н-типа и 20 волноводных скруток.

               Теперь уже можно рассчитать минимальные габариты решетки. Ширина и высота равны 80 см – их определяют только размеры раскрывов излучателей. А длина решетки получится путем сложения следующих компонентов: длины рупора вместе с линзой (учитывая расстояние r), плавного перехода от квадратного раскрыва к прямоугольному (которые взяты равными 2 длинам волны = 6.667 см), 4 длинам тройников, 4 длинам изгибов (и то, и другое взято по половине длины волны), плюс 2 длинам волноводных скруток (которые взяты равными двум длинам волны с целью минимизации отражений).  Получаем см. Нужно отметить, что это минимальные размеры, не учитывающие дополнительных монтажных элементов.

Описание конструкции антенной решетки.

        Конструкция антенны проста. Все излучатели объединяются между собой посредством сварки, либо клепочного соединения. Решетка соединенных рупоров скрепляется по краю раскрыва металлической рамой, придавая конструкции необходимую жесткость. Для изоляции питающей системы от внешних неблагоприятных воздействий, вся задняя часть конструкции решетки помещается в специальный короб 2. В задней части этого короба должно быть проделано отверстие для соединения системы питания решетки и генератора. Крепление короба осуществляется путем сварки с металлической рамой. Снизу к коробу присоединяется основание 3,  к которому крепится  несущий цилиндр 4. Несущий цилиндр входит в постамент 7. В общем-то, можно еще предусмотреть возможность поворота цилиндра, однако в ТЗ такого требования нет.

Заключение.

         Подводя итоги, можно сказать, что в данной курсовой работе была рассчитана рупорно-линзовая антенная решетка со следующими параметрами:

Передаваемая мощность                                                                                                  9 кВт

Длина волны                                                                                                                          3.333 см

Ширина диаграммы направленности по уровню половины мощности

                 - в плоскости Е                                                                                                      2.12 град

                 - в плоскости Н                                                                                                     2.12 град

Поляризация                                                                                                                          вертикальная

Рабочая частота                                                                                                                    9 ГГц

КНД                                                                                                                                           37.7 дБ

КПД                                                                                                                                            0.7

Коэффициент усиления                                                                                                      36.13 дБ

Уровень боковых лепестков                                                                                             -9.9 дБ

         Отметим, что получилась сравнительно мерзкая антенна, что касается КПД. 2.7 кВт просто уходят вникуда. Однако, в принципе, с этим можно смириться, к тому же в ТЗ и не требуется получить 100% КПД.