88199

Расчет рупорной антенны c амплитудным и фазовым распределением на частоте 120 МГц

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В данной работе требуется рассчитать рупорную антенну для частоты 120МГц: Размеры волновода Размеры рупора длину площадь раскрыва рупора угол раскрыва КНД антенны Построить ДН 1 Методические указания Рупорные антенны относятся к классу апертурных антенн у которых направленное излучение формируется...

Русский

2015-04-27

129.24 KB

42 чел.

ВВЕДЕНИЕ

Рупорные антенны - один из основных видов антенн СВЧ диапазона волн. Простота конструкции, удобство выполнения расчетов при хорошем  совпадении  теории  и  эксперимента,  отсутствие  потерь  в  тракте питания - вот  те  преимущества, которые  позволяют  использовать  данный тип антенн для различных практических целей и применять их в качестве эталонных для проведения различных измерений.

В данной работе требуется рассчитать рупорную антенну для частоты 120МГц:

– Размеры волновода

– Размеры рупора (длину, площадь раскрыва рупора, угол раскрыва)

– КНД антенны

– Построить ДН


1 Методические указания

Рупорные антенны относятся к классу апертурных антенн, у которых направленное излучение формируется плоской поверхностью раскрыва  S. Простейшей апертурной антенной является открытый конец волновода. Однако ввиду сравнительно малых размеров излучающей апертуры по отношению к длине волны, такая антенна имеет слабую направленность. Для увеличения направленности применяют рупорные антенны. На рисунке 1.1а по-казан Е-секториальный рупор, расширяющийся в плоскости вектора Е с по-степенным увеличением размера  b. Н-секториальный  рупор (см. рисунок 1.1б) расширяется в плоскости вектора Н с постоянным увеличением размера а. Такое название рупора получили из-за следующего: в волноводах на прак-тике используют простейший тип волны, а в прямоугольных волноводах таковым является волна Н10, структура поля которой напоминает картину электрического поля в плоском конденсаторе; расширение рупора в плос-кости соответствующего вектора поля и дает названия Е-секториальный и Н-секториальный рупор.

Рисунок 1.1 – Типы рупорных антенн

Если увеличить оба размера волновода, то получается пирамидальный рупор с раскрывом S=aH·aE (рисунок 1.1в). В отличие от секториальных рупоров диаграмма направленности сужается как в Е-, так и в Н-плоскостях.

Направленные свойства рупорной антенны приближенно можно оценить используя метод Гюйгенса-Кирхгофа. В соответствии с этим методом поле излучения любой апертурной антенны можно рассчитать путем сложения  полей излучения элементарных площадок, расположенных непрерывно по всей излучающей поверхности антенны, В данном случае излучающей поверхностью является поверхность раскрыва рупора. Поскольку в рупоре в основном сохраняется тот же характер поля, что и в волноводе, то принимают, что на апертуре существуют две взаимно-перпендикулярные тангенциальные составляющие поля ЕУ и НХ, амплитуды которых не зависят от координаты у, а вдоль координаты х изменяются по закону косинуса. Однако в отличие от поверхности открытого конца волновода, апертура рупора не может быть возбуждена синфазно, так как в рупоре распространяется цилиндрическая (в секториальных) или близкая к сферической (в пирамидальных) волна.

Для расчета фазового распределения по апертуре рупора (рисунок 1.2) найдем фазу поля в точке М на расстоянии X от центра апертуры, причем фазу поля в точке X = 0 примем за нулевую. Из геометрических соображений нетрудно найти, что уравнение распределение фазы имеет вид

Рисунок 1.2 – Фазовое распределение по апертуре

Видно, что распределение фазы поля по апертуре рупорной антенны подчинено квадратичному закону, причем фазовая ошибка тем меньше, чем больше длина антенны  R . При аналогичных расчетах, проведенных для пирамидального рупора

где RH и RE - длина рупора в Н- и Е-плоскостях соответственно. Макси-мальный сдвиг фазы имеет место при

 и  .

Тогда максимальный сдвиг фазы пирамидального рупора равен

Диаграмма направленности излучающей поверхности с квадратичным фазовым распределением, рассчитанная по методу Гюйгенса-Кирхгофа определяется математическим выражением, содержащим интегралы Френеля [I]. Следует иметь в виду, что диаграммы направленности в плоскостях Е и Н оказываются несовпадающими в силу различного характера  распределения амплитуды поля от координат X и У. Из рисунков 1.3а и 1.3б видно, что ширина диаграммы направленности больше (при одинаковых a и b ), а уровень бокового излучения рупорной антенны меньше в плоскости Н чем в плоскости Е, причем это различие вызвано только характером распределения поля по апертуре. В случае отсутствия квадратичных фазовых ошибок рупорная антенна носит название идеальной, у неё RН и RE очень велики, а формулы для расчета диаграммы направленности значительно упрощаются:

Для плоскости Е

ширина диаграммы направленности и боковые лепестки:

– по нулевому уровню  ,

– по уровню половинной мощности  ,

– уровень первого бокового лепестка равен 0,21 или -13,2 Дб.

Для плоскости H

ширина диаграммы направленности и боковые лепестки:

– по нулевому уровню  ,

– по уровню половинной мощности  ,

– уровень первого бокового лепестка равен 0,066 или -23 Дб.

Рисунок 1.3 – Диаграммы направленности рупорной пирамидальной антенны

Расширение диаграммы направленности во втором случае объясняется тем, что при косинусоидальном амплитудном распределении периферийные элементарные площадки апертуры возбуждены слабее и оказывают малое влияние на общее поле излучения, т.е. эквивалентный размер апертуры как бы уменьшается. Это общая закономерность проявляется в апертурных антеннах и антенных решетках. Чем сильнее спадает амплитуда поля к краям апертуры – тем шире главный лепесток диаграммы направленности и тем меньше уровень боковых лепестков: [1; 4; стр. 13].


2 Расчет пирамидального рупора

Рассчитаем длину волны λ и волновое число k:

,

где  – скорость света, f – частота (по заданию f = 120 МГц).

По полученному значению λ выберем волновод марки R100 c размерами a·b = 2,286·1,016 мм.

Рассчитаем коэффициент направленного действия рупора:

где  – коэффициент использования площади ( S – площадь раскрыва рупора (S = a1·a2, где a1 = 8 м, a2 = 5 м).

Найдем значения оптимальных длин рупора в плоскостях E и H:

Для пирамидального рупора эти длины могут быть различными и не совместимыми, поэтому используем уравнение «стыковки рупора с волноводом»:

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»:

Рассчитаем углы раскрыва рупорной антенны:

Рассчитаем и построим ДН рупора:

а) В плоскости H, на рисунке 2.1 представлена амплитудная ДН

Рисунок 2.1 – ДН в плоскости H

Ширина ДН по уровню 0,5: Q0,5 = 4,8о

б) В плоскости E, на рисунке 2.2 представлена амплитудная ДН


Рисунок 2.2 – ДН в плоскости E

Ширина ДН по уровню 0,5: Q0,5 = 4,6о 


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе была рассчитана рупорная антенна c амплитудным и фазовым распределением на частоте 120 МГц. Для этого были проведены расчеты:

– размеры волновода (волновод марки R100 c размерами a·b = 2,286·1,016 м);

– размеры рупора (S – площадь раскрыва рупора (S = a1·a2, где a1 = 8 м, a2 = 5 м), длина рупора hH = 8,53 м, hE 8,52 м, угол раскрыва рупора QH = 50,3o, QE = 37,7o);

– КНД излучателя D = 40,2,.

Проведя расчеты, были построены графики ДН, которые представлены на рисунках 2.1 и 2.2.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРА

1. Антенны и устройства СВЧ: Методические указания к лабораторным работам. Часть 1 / Под ред. А.В. Рубцова. Рязань, 2006.

2. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов / Под ред. Д. И. Воскресенского. М. : Сов. радио, 1972.

3. Д.М. Сазонов «Антенны и устройства СВЧ», Москва «Высшая школа» 1988год.

4. Антенны и устройства СВЧ: Методические указания к лабораторным работам. / Под ред. В.В. Клоков, С.Н. Павликов, 2008.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

8032. Традиционно выделяют три этапа в истории педагогической мысли 28.92 KB
  Традиционно выделяют три этапа в истории педагогической мысли: Донаучный (с древнейших времен до XVIIв.). эмпирический (первобытнообщинный, рабовладельческий и феодальный строй). Народные педагогика, решавшая решающую роль в духовном и физичес...
8033. Современная педагогика 21.21 KB
  Современная педагогика - это наука о закономерностях воспитания в течение всей жизни. В процессе развития педагогики образовывались все новые связи с другими науками, что привело к выделению различных отраслей педагогики в системе педагогически...
8034. Связь педагогики с различными естественными и гуманитарными науками 21.28 KB
  Связь педагогики с различными естественными и гуманитарными науками Педагогика взаимосвязана с философией и использует ее основные методологические подходы (системный, личностный, деятельностный, полисубъектный и др.) для обоснования сущности педаго...
8035. Педагогические категории и понятия 24.69 KB
  Педагогические категории и понятия Основные педагогические понятия, выражающие научные обобщения, принято называть педагогическими категориями. К ним относятся воспитание, обучение, образование. Педагогика широко оперирует также общенаучными категор...
8036. Методы педагогических исследований 47.5 KB
  Методы педагогических исследований - это пути, с помощью которых педагоги-исследователи добывают знания о предмете. Существует много методов накопления знаний. Среди них выделим традиционные (эмпирические) и новые (экспериментальные, теоретичес...
8037. Проблема целеполагания в педагогике. Трактовка цели в законодательных и директивных документах Р Б 27.2 KB
  Проблема целеполагания в педагогике. Трактовка цели в законодательных и директивных документах Р Б Образование как целостный педагогический процесс имеет целенаправленный характер. Цель образования определяет содержание, методы, формы, средства, рез...
8038. Развитие личности как педагогическая проблема 27.7 KB
  Развитие личности как педагогическая проблема. Одной из сложных и ключевых проблем педагогической теории и практики является проблема личности и ее развития в специально организованных условиях. Она имеет ра...
8039. Факторы и условия формирования личности 24.15 KB
  Факторы и условия формирования личности Охарактеризуем основные внутренние и внешние факторы развития личности. Фактор (от лат. factor - делающий, производящий) - движущая сила, причина, существенное обстоятельство в каком-либо процессе, я...
8040. Осуществление педагогического процесса в древние времена. 27.56 KB
  Осуществление педагогического процесса в древние времена. Приблизительно в IV тысячелетии до н. э. по берегам Персидского залива в междуречье Тигра и Евфрата, заселенном шумерскими народами, возникает ряд рабовладельческих государств (Шумер, Аккад, ...