49115

Волноводно-щелевая антенна (ВЩА)

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Волноводно-щелевые линейные антенны обеспечивают сужение диаграммы направленности ДН в плоскости проходящей через ось волновода. Волноводно-щелевые антенны имеют следующие достоинства: отсутствие выступающих частей позволяет совместить их излучающую поверхность с внешней поверхностью корпуса летательного аппарата при этом не вносится дополнительное аэродинамическое сопротивление бортовая антенна; возможность реализации оптимальных ДН так как законы распределения поля в раскрыве различны изза изменения связи излучателей с...

Русский

2013-12-21

315.5 KB

160 чел.

Введение.

Волноводно-щелевая антенна (ВЩА) – один из видов линейных (плоских) многоэлементных антенн. Излучающими элементами в таких антеннах являются щели, которые прорезаются в стенке волновода, объемного резонатора или металлических пластинках (основаниях) полосковых линий. Волноводно-щелевые линейные антенны обеспечивают сужение диаграммы направленности (ДН) в плоскости, проходящей через ось волновода. Наряду с ВЩА с неподвижными в пространстве диаграммами направленности находят применение ВЩА с механическим, электромеханическим и электрическим сканированием.

 Волноводно-щелевые антенны имеют следующие достоинства:

  1.  отсутствие выступающих частей позволяет совместить их излучающую поверхность с внешней поверхностью корпуса летательного аппарата, при этом не вносится дополнительное аэродинамическое сопротивление (бортовая антенна);
  2.  возможность реализации оптимальных ДН, так как законы распределения поля в раскрыве различны из-за изменения связи излучателей с волноводом;
  3.  сравнительно несложное возбуждающее устройство и простота в эксплуатации.

Недостатком ВЩА является ограниченность диапазонных свойств. При изменении частоты в несканирующей ВЩА луч в пространстве отклоняется от заданного положения, что сопровождается изменением ширины ДН и ее согласования с питающим фидером.

Возбуждение одиночной щели происходит тогда, когда ее пересекают электрические токи, текущие по внутренним поверхностям стенок волновода. При распространении волны Н10 в прямоугольном волноводе присутствуют три составляющие поверхностного электрического тока: две поперечные, порождаемые продольной составляющей магнитного поля, и одна продольная, порождаемая поперечной составляющей магнитного поля. Продольная составляющая тока существует только на широких стенках волновода, а находящиеся по отношению к ней в фазовой квадратуре поперечные составляющие существуют как на широких, так и на узких стенках.

Наклонная щель в узкой стенке волновода возбуждается поперечным током постоянной амплитуды. Поэтому интенсивность ее возбуждения регулируют, подбирая угол наклона δ. При  δ = 0 щель не возбуждается, при δ = 90о излучение максимально. Такие щели обычно несколько углублены в широкую стенку. При этом оказывается, что при фиксированной глубине выреза практически независимо от угла наклона δ (если δ≤15о) реактивная проводимость щели мала и незначительно влияет на постоянную распространения волновода. Кроме того, с изменением частоты она меняется значительно меньше, чем у щелей, прорезанных в широкой стенке волновода. Все это делает наклонные щели в узкой стенке волновода предпочтительнее (как с электрической, так и конструктивной точек зрения), особенно в больших антенных системах.

Теоретическая часть.

Среди ВЩА различают антенны: резонансные, нерезонансные и с согласованными щелями.

Резонансные волноводно-щелевые антенны строят на основе закороченного на конце волновода, причем расстояние между соседними щелями выбирают точно равным λв для щелей, синфазно-связанных с полем волновода, или точно равным λв/2 для случая переменно-фазно-связанных щелей. В обоих случаях резонансные антенны имеют синфазное возбуждение всех щелей и, следовательно, направление максимального излучения совпадает с нормалью к оси волновода.

Нерезонансные волноводно-щелевые антенны отличаются от резонансных антенн тем, что волновод нагружается в конце на согласованную нагрузку, так что в отсутствии щелей в нем устанавливается бегущая волна Н10.

рис. Нерезонансная волноводно-щелевая антенна

Щели располагаются на расстоянии одна от другой, несколько отличном от λв/2. Тогда щели возбуждаются с прогрессивным фазовым сдвигом

для соседних синфазно-связанных щелей и  для соседних переменно-связанных щелей.

Нерезонансная волноводно-щелевая антенна из наклонных щелей в узкой стенке волновода рассмотрена в данной курсовой работе. Щели поочередно наклоняются в разные стороны, и это обеспечивает их переменно-фазное возбуждение и приводит к отклонению направления главного максимума излучения от нормали к оси антенны. Чаще всего это отклонение мало, поэтому изменение формы главного лепестка и уровня боковых, вызванные этим отклонением, еще незаметны. Связь щелей с волноводом подбирается такой, что в оконечный поглотитель доходит только 5 – 20 % входной мощности антенны и КПД оказывается равным 95 – 80 %.

Поскольку расстояния между щелями в нерезонансных антеннах отличаются от λв/2, отражения от отдельных щелей в значительной мере компенсируют друг друга и входной КСВ близок единице в довольно широкой полосе частот. И только на частоте, при которой d = λв/2, отражения от щелей суммируются, КСВ резко возрастает и излучение, которое должно быть направлено по нормали к оси волновода, резко уменьшается (так называемый «эффект нормали»). Поэтому если в нерезонансной антенне предполагается осуществить излучение по нормали к оси волновода, то каждая щель должна быть специально согласована с волноводом индивидуальным настроечным элементом.

Чтобы сохранить режим бегущей волны вдоль нерезонансной волноводно-щелевой антенны и избавиться от нежелательного «зеркального» луча, обусловленного движением отраженной волны, необходимо использовать достаточно слабую связь щелей с волноводом. Это достигается подбором угла наклона щелей на узкой стенке волновода. Надлежащим подбором степени связи различных щелей можно сформировать и желаемый закон изменения амплитуды возбуждения вдоль антенны.

Антенны с наклонными щелями в узкой стенке волновода имеют еще и поле паразитной поляризации. Излучение щелей определяется горизонтальными составляющими вектора напряженности поля (Ег). Вертикальные составляющие (Ев) создают поле паразитной поляризации. Для уменьшения составляющей паразитной поляризации поля излучения необходимо сделать углы наклона щелей δ≤15о, тогда мощность, теряемая на паразитную поляризацию, составит менее 1%. Однако это ограничивает возможность получения требуемых нормированных проводимостей щелей. На практике принимают специальные меры для подавления поля паразитной поляризации.

Методы расчета.

Для расчета ДН волноводно-щелевых решеток используют те же методы, что и для расчета ДН многовибраторных антенн. При этом форма ДН определяется амплитудно – фазовым распределением по раскрыву антенны.

На практике наиболее часто используются следующие виды амплитудных распределений: равномерное, симметричное спадающее относительно центра антенны и экспоненциальное. Фазовое распределение чаще всего линейное.

Нормированная ДН линейной решетки излучателей может быть записана в виде

, где  – ДН одного излучателя;  – множитель антенной решетки, зависящий от числа щелей в антенне.

Приведем  выражения для множителя антенны при различных амплитудных распределениях по антенне. В случае равномерного амплитудного и линейного фазового распределения по длине решетки: , где  – сдвиг по фазе между полями, создаваемыми в точке наблюдения соседними излучателями;  – фазовая постоянная свободного пространства;  – угол, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей;  – разность фаз соседних излучателей по системе питания;  – число щелей. В синфазной антенне , в нерезонансной антенне с синфазной связью щелей с полем волновода , а с переменно – фазной связью .

Если распределение поля по раскрыву дискретной линейной решетки излучателей экспоненциальное, то , где  – величина, характеризующая неравномерность амплитудного распределения по раскрыву;  – постоянная затухающая, вызванная потерями на излучение и в стенках волновода; в волноводе с малыми потерями  и ;  – длина антенной решетки;  – обобщенная координата;  – направление главного максимума ДН антенны.

Отклонение главного максимума ДН от нормали к линии расположения излучателей определяется по формуле: , где  – замедление фазовой скорости в волноводе;  – для синфазно связанных щелей с полем волновода и  для переменно – фазно связанных щелей.

Для определения постоянной затухания  можно воспользоваться следующим соотношением: .

В случае антенн с симметричным относительно центра и спадающим к краям амплитудным распределением расчет ДН при большом числе излучателей связан с трудоемкими вычислениями. В этом случае можно воспользоваться множителем антенны с непрерывным распределением ненаправленных излучателей , так как ДН дискретной решетки и непрерывной при  практически совпадают:

, где  – амплитуда поля на краях антенны.

При приведении амплитудного распределения по антенне к единице: . ДН одной щели  в плоскости YOZ, проходящей чрез линию расположения излучателей, можно при инженерных расчетах определять по формулам ДН щели в бесконечном экране: для продольной щели , для поперечной , так как длина антенны обычно большая (несколько ) и, кроме того, направленные свойства антенны в этой плоскости определяются в основном множителем решетки .

При определении ДН в поперечной плоскости (YOX) антенны с продольными щелями в широкой стенке волновода следует учитывать, что конечные размеры экрана (поперечные размеры волновода) существенно влияют на форму ДН: ограниченность экрана придает излучению направленность – поле в направлении экрана уменьшается примерно до 40-50% относительно значения поля в направлении максимума ДН.

Чтобы упростить определение ДН щели в плоскости, нормальной ее продольной оси (плоскость YOX), волновод удобно заменить плоской лентой той же ширины.

В случае поперечных щелей на широкой стенке волновода или наклонных в узкой стенке ДН в плоскости YOX можно ориентировочно оценить по формулам для ДН щели в бесконечном экране, так как размеры экрана в направлении оси щели мало влияют на ДН как в -плоскости щели, так и в -плоскости.

В таблице приведены формулы для определения ширины ДН синфазных ВЩР и указаны уровни первых боковых лепестков при различных амплитудных распределениях по антенне.

Амплитудное распределение

Уровень первого бокового лепестка, дБ

Равномерное

-13.5

Экспоненциальное ()

-12.1

Косинусоидальное; амплитуда поля на краях антенны:

-17.8

-23.6

Указанными формулами можно воспользоваться и в случае нерезонансных антенн, так как расстояние между излучателями в таких антеннах незначительно отличается от расстояния в синфазных решетках и угол отклонения луча от нормали к решетке мал.

Расчет антенны.

Находим длину волны в антенне:

(1)

Принимаем .

Теперь выбираем волновод по заданному диапазону частот:

Тип волновода 153 IESR100.

Внутренние размеры волновода:

Ширина . Высота .

Рассчитаем длину волны в волноводе:

. (2)  . (3)

Для волны типа H10 (4), тогда

.

Выбираем расстояние между щелями. Оно должно быть больше или меньше половины длины волны в волноводе. Возьмем больше:

, ,

Принимаем .

Пусть коэффициент полезного действия равен 90%, тогда коэффициент направленного действия будет равен:

(5)

(6)     

Теперь находим количество щелей в антенне:

. (7) 1.

Таким образом, количество щелей в антенне будет равно: .

Рассчитаем длину антенны:

. (8) 2.

Рассчитаем диаграмму направленности нерезонансной волноводно-щелевой антенны в  плоскости решетки:

– множитель антенной решетки.

(9)3, где  (10) 4– сдвиг по фазе между полями, создаваемыми в точке наблюдения соседними излучателями;  (11) 5– фазовая постоянная свободного пространства;  – угол, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей;  (12) 6– разность фаз соседних излучателей по системе питания;  – число щелей.

Получаем: .

(13)

- длина волны в волноводе.

 (14)7

- диаграмма направленности одного излучателя.

рис. 1 ДН одного излучателя.

Результирующая диаграмма направленности:

. (15)8

рис. 2а ДН антенны в горизонтальной плоскости.

рис. 2б ДН антенны в горизонтальной плоскости.

Смещение главного максимума: .

Ширина главного лепестка на уровне половинной мощности:

, (16) 9.

Диаграмму направленности нерезонансной волноводно-щелевой антенны в

ортогональной плоскости можно ориентировочно оценить  по формуле для  

диаграммы направленности щели в бесконечном экране:

 (17)

Получаем:

рис. 3 ДН антенны в ортогональной плоскости.

Ширину главного лепестка на уровне половинной мощности определяем по диаграмме направленности по уровню 0,707:

.

1 Учебник №4 – стр. 93

2 Учебник №4 – стр. 93

3 Учебник №1 – стр. 123

4 Учебник №1 – стр. 123

5 Учебник №1 – стр. 123

6 Учебник №1 – стр. 123

7 Учебник №3 – стр. 238

8 Учебник №1 – стр. 123

9 Учебник №1 – стр. 125


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

61561. Политические режимы 20.1 KB
  В результате проведенного занятия участники смогут: определять понятия политический режим демократия авторитаризм тоталитаризм; называть основные характеристики политических режимов; выражать свое отношение к современным политическим условиям в РФ.
61562. Город и село 17.75 KB
  Цель урока: Задачи: Образовательные: усвоение понятий город село формирование информационной компетентности перевод информации из графического представления в текстовое и наоборот коммуникативной...
61563. Знакомимся с риторикой и учебником 33.94 KB
  Этап урока Деятельность учителя Деятельность ученика Результат совместной деятельности Организационный момент Здравствуйте ребята меня зовут Ольга Вячеславовна и сегодня на уроке нашей темой будет.
61564. Сочинение по картине В. М. Васнецова «Снегурочка» 23.32 KB
  Цель: познакомит с творчеством художника; учить детей осмысливать содержание картины; совершенствовать умения подбирать необходимые для описания и повествования слова...
61566. Электризация объектов 37.46 KB
  Цель занятия: формирование элементарных представлений об электризации трением и о существовании двух видов электрических зарядов.
61567. Класс Двудольные. Семейство Крестоцветные 18.67 KB
  Задачи: познакомить учащихся с отличительными признаками и типичными представителями растений семейства Крестоцветных; научить составлять морфологическое описание растения.
61568. Theatre 17.09 KB
  1. Can we say that theatres in London are quite different from that in other countries? 2. What opportunity do you have, if you want to spend an enjoyable evening? 3. Where are the best seats at the theatres?