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

Федеральное агентство по образованию

Рязанский Государственный Радиотехнический Университет

Кафедра радиоуправления и связи

Курсовая работа

По дисциплине «Антенны и устройства СВЧ»

  Выполнил: ст.гр. 610

  Савин Р.Г.

Руководитель:

       Рендакова В.Я.

Рязань, 2009

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.

Рупорные антенны являются широкополосными антеннами. 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.

               Анализ технического задания.

По ТЗ нужно спроектировать решетку из рупорно-линзовых антенн мощностью в 9 кВт и заданной частотой в 9 ГГц, что соответствует длине волны λ = 3.333 см. Решетка должна состоять из 4х4 = 16 отдельных рупоров с квадратным раскрывом со стороной 20 см. В раскрыв каждого рупора должна быть встроена замедляющая линза, назначение которой – устранение фазовых искажений и уменьшение длины рупоров. Также в ТЗ определен вид поляризации – вертикальная.

               В случае получения низкого КБВ необходимо будет предусмотреть согласующее устройство. А коэффициент усиления и ширину диаграммы направленности по уровню 0.5 по мощности нужно будет рассчитать.

               Очевидно, что в случае прямоугольного раскрыва одиночных излучателей мы получим равные углы их раскрыва в обеих плоскостях, что приведет к тому, что рупор будет конструктивно несовместим с прямоугольным волноводом. Для выхода из положения необходимо выполнить сочленение рупора и волновода с квадратным сечением, постепенно переходящим в прямоугольное. Длину этого перехода нужно взять не менее 2λ. Для заданной частоты подходят 2 марки прямоугольных волноводов: R84 и R100. Применим R100, все-таки число красивое. Сечение этого волновода имеет размеры 2.286 и 1.016 см. Таким образом нужный волновод будет иметь такую схему:

               Для синфазного запитывания решетки подойдет схема «елочка», так как количество излучателей невелико и равно 16 = 2⁴. Но с ее реализацией будут связаны некоторые трудности, о которых будет рассказано позже.

Расчет диаграммы направленности одиночного излучателя.

            В ТЗ определен вид поляризации – вертикальная. Это означает, что вектора напряженности электромагнитного поля для данного рупора расположены как на рис.1:

То есть плоскость вектора Е – вертикальная плоскость. Рассчитаем ДН в плоскости Е:

                                                                       Рис. 2

ДН в плоскости Н:

                                               Рис. 3

В полученных ДН имеются явные различия, обусловленные амплитудными искажениями в раскрыве рупора в Н-плоскости – это расширение основного лепестка и значительно меньший уровень боковых лепестков ДН. 

Расчет ДН множителя решетки и ДН самой решетки.

В плоскости вектора Е решетка содержит n1 = 4 излучателя, таким образом ДН множителя:

                                                           Рис. 4

В плоскости вектора Н решетка так же содержит n2 = 4 излучателя, следовательно ДН множителя решетки в данном случае будет совершенно такая же. Положение первого дифракционного лепестка:

Диаграмму направленности одного излучателя необходимо выбрать таким образом, чтобы ее первые нули попали центр дифракционного лепестка. В Е-плоскости первый ноль в ДН пришелся на 9.54 град. = 0.167 рад. Расстояние между центрами излучателей:

Что точно соответствует (с учетом погрешности) расположению рупоров вплотную. Таким образом перемещать излучатели вдоль плоскости Е нет необходимости.

В плоскости Н первый ноль в ДН приходится на 14.4 град. = 0.253 рад.:

 

Это означает, что невозможно разместить рупора в Н-плоскости так, чтобы полностью погасить дифракционные лепестки. Придется далее с ними мириться, и так же размещать излучатели вплотную.

Теперь можно рассчитать ДН решетки. Для плоскости вектора Е:

                                                                                         Рис. 5

И для плоскости вектора Н:

Полученная ДН доказывает, что исключить дифракционные лепестки оказалось невозможно.

Расчет линзы.

Профиль диэлектрической замедляющей линзы представляет собой гиперболоид. Принцип ее действия заключается в выравнивании фаз излучения рупора путем уменьшения его фазовой скорости.

В качестве диэлектрика возьмем фторопласт-4, так как он обладает небольшим коэффициентом преломления, что положительно скажется на отражение ЭМ-энергии от линзы и позволит получить более высокий КБВ. При этом толщина линзы получится приемлемой. Диэлектрическая проницаемость (ε) фторопласта-4 в среднем равна 2, таким образом, коэффициент преломления n равен корню из ε = 1.414. Диаметр линзы D равен размеру рупора – 20см. Фокусное расстояние f (оно же будет являться фазовым центром излучения рупора) обычно берется 1-1.5D, примем его равным диагонали раскрыва 20х1.414=28.28 см. Теперь, зная эти параметры, можно рассчитать оставшиеся. Толщина линзы:

               Угол раскрыва рупора:

               

               Размер r:

Где 2.286 см – это размер квадратного волновода.

               И, наконец, общая длина одиночного рупора с линзой = b+f-r= 29.94 см.

Расчет ДН решетки с учетом линз.

Сферическая линза вносит дополнительные амплитудные искажения поля в раскрыве рупоров. Амплитуда поля в раскрыве линз будет меняться по следующему закону:

как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, что заметно повлияет на ДН рупоров и решетки в целом.В плоскости вектора Е ДН (измененная ДН на всех рисунках показана сплошной линией):

               На графике видно сильное уменьшение боковых лепестков ДН.

В плоскости вектора Н:

               В Н-плоскости так же уменьшены боковые лепестки. Нормированная амплитуда поля в раскрыве линз равна 1 в направлении, перпендикулярном плоскости раскрыва, и равномерно убывает, пока не достигает нуля при угле 45 градусов. Однако при дальнейшем увеличении угла амплитуда снова растет, что, в прочем, не критично, так как величина боковых лепестков на углах, близких к 90 градусов крайне мала.