Расчет геометрии излучающей части антенны. Расчет диаграмм направленности

Введение

Техника СВЧ, а в особенности антенны, которые обеспечивают прием и передачу различных типов радиоволн, сегодня является неотъемлемой частью любой радиосистемы. Техника СВЧ, которая изначально была предназначена для радиолокации, теперь нашла применение в таких областях нашей жизни как телевидение, телеметрия, Интернет, сотовая связь и во многих других смежных областях.

Сканирующие антенны СВЧ заняли особое место среди большого разнообразия других антенн. С помощью сканирования можно с легкостью вести по траектории движущиеся объекты, как на ближнем расстоянии, так и на удалении, определять координаты объекта, осуществлять наблюдение за местностью. Из числа сканирующих антенн СВЧ можно выделить антенные фазируемые решетки, которые используются при построении сканирующих остронаправленных антенн, что позволяет реализовать более высокую скорость обзора пространства, нежели у обыкновенных антенн СВЧ. Повышенная скорость обзора пространства напрямую влияет на увеличение объема получаемой информации о распределении источников отражения электромагнитных волн в пространстве.

Что касается основных параметров антенн, то их реализуемые характеристики напрямую определяют характеристики всей радиосистемы. Из факторов, определяющих основные требования к антенне, можно выделить фактор, определяющий объем обрабатываемой информации, который связан с дальностью действия антенны, степенью точности определения координат, степенью защищенностью от помех. Задача антенных устройств – обеспечивать направленность действия, соответствовать энергетическим требованиям, а так же входить в рамки экономических и эксплуатационных требований.

В частности, требования к направленности действия антенны влияют на ширину и форму пространственной диаграммы, коэффициент направленного действия, поляризационную характеристику антенны. Последняя характеристика, к примеру, определяет поляризацию излучаемых волн. Зачастую при проектировании антенн эти характеристики могут быть заданными.

Энергетические характеристики служат для определения мощности сигнала на входе приемного устройства, максимально допустимую мощность излучения, которая соответствует выбранному тепловому режиму и не выходит за рамки ограничений, налагаемых электрической прочностью.

Частотные же свойства антенн определяются наибольшим изменением частоты, при котором основные частотно-зависящие параметры не выходят за допустимые значения. Спектр передаваемого антенной сигнала определяет требуемую полосу частот.

Антенна, как любое изделие, имеет ряд ограничений, как общетехнических, так и экономических. В их число попали требования на минимальный вес, минимальную стоимость, максимально возможную надежность. Задание общих требований носит не менее важный характер, чем наложение технических ограничений, так как выполнение последних напрямую зависит от внешних параметров и наоборот. Ведь, к примеру, стремление увеличить дальность действия неминуемо отразится на весовых и метрических характеристиках, в то время как уменьшение веса повлечет последующие ухудшения каких-либо характеристик, в том числе и дальности работы.

Теперь перейдем непосредственно к рассмотрению как внешних, так и внутренних характеристик исследуемой антенной решетки.

Раздел 2. Расчет геометрии излучающей части антенны.

2.1 Выбор размеров излучающего рупора

Определим шаг решетки d.

Исходя из формулы , .

Далее, выберем толщину стенки минимальной в соответствии с заданием обеспечить минимальный вес конструкции.  По имеющимся данным можно выполнить расчет величины :

Найдем число излучателей по формуле .

Теперь, округлив полученное N до ближайшего большего целого, уточним шаг решетки d:

2.2 Выбор размеров поперечного сечения волновода.

Расчет поперечного сечения волновода состоит из двух этапов. Первый – определение самих размеров, второй – проверка волновода на электрическую прочность.

Выбор длины широкой стенки а осуществляется с помощью простого неравенства

которое в численном варианте принимает вид

.

Выбрав а=24 мм, выберем b из условия , откуда b=12 мм.

Теперь проведем расчет электрической прочности, для чего найдем максимально-допустимую мощность, передаваемую через наш волновод:

, где Емах=3000 В/мм – величина напряженности электрического пробоя вакуума. Получим Рмах=751.5 кВт

Рассчитаем допустимое значение мощности как ¼ от Рмах:

Заданное значение мощности 50 кВт не превышает допустимого значения, следовательно, волновод рассчитан правильно.

Раздел 3. Расчет диаграмм направленности

Расчет диафрагм направленности осуществляется с помощью следующих соотношений, взятых из конспекта лекций.

Обозначения, использованные при расчетах:

bp – ширина излучателя

ар – высота излучателя

к – волновое число

3.1 Горизонтальная плоскость

                 

Рис 1. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости

Ширина лепестков по уровню 0,7 .

3.2 Вертикальная плоскость

Рис 2. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости

Ширина лепестков по уровню 0,7 . Уровень боковых лепестков

3.3 Диаграмма направленности решетки в горизонтальной плоскости при отклонении луча на заданный угол.

          

Рис 3. Диаграмма направленности решетки при отклонении луча от нормали на 30 градусов

Ширина лепестков по уровню 0,7 . Уровень боковых лепестков

3.4 Диаграмма направленности решетки в горизонтальной плоскости без отклонения луча от нормали

Рис 4. Диаграмма направленности решетки при нулевом отклонении луча от нормали

Ширина лепестков по уровню 0,7 . Уровень боковых лепестков

Раздел 4. Расчет тракта СВЧ

4.1 Выбор электрической схемы антенны.

На данном этапе необходимо произвести выбор схемы антенной решетки. Ниже приведено описание различных типов схем, из которых на основании всех характеристик будет выбрана оптимальная.

Итак, для возбуждения излучателей могут быть использованы делители мощности, как оптического вида, так и закрытого тракта. Начнем с антенн оптического типа. Их схемы бывают двух типов: проходные и отражательные. В первом случае энергия идет от облучателя на коллекторную решетку, затем проходит через ВЧ цепи и фазовращатели и переизлучается в требуемом направлении другой решеткой. Во втором случае коллекторная и переизлучающая решетки совмещаются, и мощность от облучателя передается в нужном направлении. К достоинствам излучателей относится простота построения при большом числе излучателей. К недостаткам относится уменьшение коэффициента использования поверхности и увеличение фона бокового излучения из-за так называемого переливания энергии через края решетки. Преимуществом решеток отражательного типа является конструктивное удобство и доступность излучающих элементов при настройке и ремонте.

Делители в виде закрытого тракта могут быть выполнены по схемам последовательного и параллельного деления. В первом случае на каждый из фазовращателей падает 1/N общей мощности, а потери мощности вносятся одним фазовращателем. Недостатком является различная электрическая длина пути от входа антенны до излучателей, что приводит к фазовым искажениям. При параллельной схеме общие потери определяются потерями в одном фазовращателе. Недостаток – сложность согласования при делении мощности.

В качестве делителей мощности могут быть использованы волноводные мосты, направленные ответвители и другие подобные устройства.