Курсовой проект по разработке оптической системы возбуждения антенной решетки

 

 

1.4 Облучатели

 

Волноводные излучатели имеют малую направленность (maxD0  < 5) и недостаточно согласованы с волноводом. Устранение этих недостатков возможно путем плавного увеличения поперечного сечения волновода, т.е. переходом к рупорным излучателям. Волновые размеры апертуры рупора могут  быть сделаны гораздо большими, чем у волновода, что позволяет значительно   сузить  главный  лепесток  диаграммы  направленности.  Плавное  увеличение  поперечного сечения волновода в рупорных антеннах обеспечивает их хорошее согласование с пространством. В этом смысле рупор является согласующим переходом от волновода к свободному пространству и дополнительных  согласующих устройств не требуется. Появление волн высших типов предотвращается плавностью изменения поперечного сечения рупора.

Рупорные  антенны широко  применяются в диапазоне СВЧ  как  само- стоятельные антенны, а  также в качестве облучателей  зеркальных и линзовых  антенн, элементов  антенных решеток. Наибольшее распространение получили секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.  Секториальные рупоры получаются путем плавного расширения одной  из стенок прямоугольного волновода. Если расширение прямоугольного волновода  происходит  в  плоскости  Н,  рупор  называется  H-плоскостным   (см. рисунок 1.12, а); если  в плоскости Е, то называется E-плоскостным (см. рисунок 1.12, б).  Плавное линейное  расширение прямоугольного  волновода в обеих плоскостях образует пирамидальный рупор (см. рисунок 1.12, в). Такое же расширение круглого волновода образует  конический рупор (см. рисунок 1.12, г). Пирамидальные и конические рупоры приемлемых размеров позволяют формировать ДН с шириной порядка 9 - 12°. Во всех рупорных антеннах происходит плавная трансформация структуры поля волноводных типов волн в поле пространственных  волн.

Расчет поля излучения  рупорных антенн аналогичен расчету волноводного излучателя. Рупор полагается бесконечно протяженным, а его стенки –  идеально проводящими. При этих условиях проводится решение внутренней  задачи, т.е. определение электромагнитного поля внутри бесконечно протяженного рупора. Эта электродинамическая  часть задачи решается  строго.  Далее осуществляется переход к рупору конечных размеров,  причем  предполагается, что поле внутри рупора и на его раскрыве остается таким же, как  и в бесконечном рупоре, а токи на внешней поверхности стенок рупора пренебрежимо малы.

Рисунок 1.12 - Типы рупорных антенн

 

1.5 Элементы приемной решетки

 

В качестве излучателей антенной решетки используются вибраторы, открытые концы волноводов, диэлектрические  стержни, спирали, щели и др. Вибраторные излучатели в АР обычно располагают над плоской проводящей поверхностью, играющей роль экрана и предотвращающей обратное излучение. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что на характеристики вибраторного излучателя в составе АР сильнее всего влияют два фактора: их размещение в решетке и положение относительно проводящего экрана. Уменьшение шага решетки позволяет не только подавить высшие дифракционные максимумы, но и улучшить их согласование в широком секторе углов сканирования. Изменение высоты вибраторного излучателя над экраном приводит к улучшению согласования в крайних положениях луча при сканировании в плоскостях Е и Н.

Направленные свойства любой  антенны характеризуются ДН и  КНД. Диаграмма направленности вибратора  зависит от его длины и является поверхностью вращения, ось которой  совпадает с осью вибратора. На КНД  вибратора влияют два основных фактора: ширина главного лепестка ДН и уровень  боковых лепестков.

Очень важным параметром любой  антенны является входное сопротивление. Чем быстрее меняется Zвх при изменении частоты колебаний, тем хуже диапазонные свойства вибратора, которые зависят от его толщины. Чем толще вибратор, тем медленнее изменяется Zвх при изменении частоты. Добротность одного и того же вибратора на параллельном резонансе примерно в восемь раз больше, чем на последовательном. Кроме того добротность зависит от волнового сопротивления вибратора: чем больше волновое сопротивление, тем больше добротность. Волновое сопротивление вибратора, в свою очередь, зависит от толщины вибратора: чем толще вибратор, тем меньше волновое сопротивление. Таким образом, при увеличении толщины вибратора уменьшается его добротность и, следовательно, улучшаются его диапазонные свойства.

Наиболее широко используемыми  типами симметричных вибраторных излучателей  являются:

1) Тонкий цилиндрический  вибратор диаметром 2а << λ, где - длина волны, возбуждаемой от коаксиальной линии. Тонкий вибратор имеет небольшую рабочую полосу частот, которая может быть расширена подбором длины 2L герметизирующего кожуха 3 (2L =λ/5).

2) Широкополосный вибратор. В широкополосных вибраторах  для соединения коаксиального  питающего фидера с воздушной  полосковой линией длиной λ/4 использован экспоненциальный переход. Эти вибраторы обладают повышенной электрической прочностью.

3) Изогнутый вибратор. Он  имеет более широкую ДН в  Е - плоскости, что позволяет  получить большой сектор сканирования  АР. В качестве направленных вибраторных излучателей в АР с ограниченным сектором сканирования используются антенны типа волновой канал.

4) Электрические (Н - образные) вибраторы. Для настройки их  в резонанс используются поперечные  плечи. Такие вибраторы имеют  уменьшенную поверхность рассеяния,  и их использование целесообразно  при построении совмещенных в  одной апертуре разночастотных  вибраторных АР, так как взаимные  искажения ДН получаются при  этом минимальными.

5) Печатные вибраторные  излучатели. Они обладают высокой  технологичностью, компактностью, конструктивной  жесткостью и перспективны для  АР, устанавливаемые на подвижных  объектах.

6) Коротко замкнутые вибраторы,  или диполи. Широко применяются  в последнее время при создании  частотно - и поляризационно-селективных  пространственных структур или  фильтров. Они используются для  обеспечения ЭМС близко расположенных  антенн, уменьшения уровня боковых  лепестков, построения многофункциональных  антенн и облегчения рефлекторов  зеркальных антенн, уменьшения эффективной  площади рассеяния антенн.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ВЫБОР ОБЛУЧАТЕЛЯ  И РАСЧЕТ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК

2.1 Расчет геометрии  рупорного облучателя

Рупорная антенна представляет собой участок волновода переменного (расширяющегося) сечения с открытым излучающим концом. Как правило, рупорную антенну возбуждают волноводом, присоединенным к узкому концу рупора.

Рупорная антенна (см. рисунок 2.1) состоит из рупора, волновода и возбуждающего устройства.

Рисунок 2.1 – Рупорная антенна

 

 

Энергия к антенне будет  подводится с помощью прямоугольного волновода с использованием плавного перехода от волновода к рупору.

Энергию в волноводе будем возбуждать с помощью его соединения с коаксиальным волноводом.

Сочленения коаксиальных волноводов с прямоугольными могут  быть штыревого и петлевого типов. Они осуществляют трансформацию  Т-волны коаксиального волновода  в волну прямоугольного. Трансформаторы петлевого типа применяются очень редко, поэтому будем использовать штыревой трансформатор.

 Простейший трансформатор  представляет собой отрезок прямоугольного  волновода, внутрь которого через  широкую стенку введен внутренний  проводник коаксиала, а его  наружный проводник соединен  со стенками прямоугольного волновода.

Трансформатор характеризуется  такими параметрами:

• h-высота штыря.
• X- расстояние от боковой стенки.
• l- расстояние от закороченного конца волновода.

Штырь можно рассматривать  как вибратор введенный в прямоугольный  волновод, следовательно, штырь для  коаксиального кабеля является нагрузкой.

Необходимо обеспечить согласование нагрузки для обеспечения РБВ  в коаксиальном кабеле. Сопротивление  штыря в общем случае комплексно.

Теория и практика показывает, что для лучшего согласования необходимо

 

 

 

 В этом случае штырь  включается в такие сечения  волновода, где сопротивление  носит чисто активный характер. Смещением штыря в поперечной  плоскости добиваются равенства  этого сопротивления волновому.

С учетом линейной вертикальной поляризации это будет иметь  вид:

 

 

Рассчитаем нужные величины:

 

= = 0.72=0,036 м    

 

  =l ===   0.023  м  

 

H = =0,13  м  

Амплитуды других высших типов  волн будут затухать еще сильнее. Форма главного лепестка диаграмм направленности (ДН) рупорной антенны зависит от угла раскрыва рупора; чем  меньше угол раскрыва (чем больше длина рупора  при постоянной ширине раскрыва),  тем меньшими будут фазовые ошибки на краях раскрыва, уже – главный лепесток ДН и большим – коэффициент направленного действия (КНД) рупора.

Исследования показывают, что для рупора конечной длины  наибольший  КНД  получают  при  соотношениях  между  геометрическими размерами рупора

        ,                                     (2.5)

где

 и – оптимальные длины рупора в плоскостях Н и Е, которые соответствуют допустимым фазовым отклонениям на краях раскрыва в плоскостях Н и Е: .                                   

Рупоры с такими значениями максимально допустимых фазовых  ошибок называются оптимальными.

Для стыковки рупора с волноводом необходимо придерживаться соотношения между их размерами, [2]

 ,                                                (2.6)

где

  - ширина раскрыва  рупора,

- длина раскрыва  рупора,

 и  - длины рупора в плоскостях Н и Е, которые соответствуют допустимым фазовым отклонениям на краях раскрыва в плоскостях Н и Е.

Зададим ширину раскрыва рупора , тогда:

                                       (2.7)

Исходя из (2.5) рассчитаем оптимальные длины рупоров в  плоскостях Е и Н

 

 

Коэффициент  направленного  действия  оптимального  рупора можно определить по формуле (2.8)

  ,                                         (2.8)

где

 – апертурный  коэффициент  использования поверхности (КИП) рупора. Для оптимального рупора он равен .

 

 

 

Коэффициент полезного действия (КПД) рупорных антенн определяется в  основном глубиной проникновения токов  СВЧ в материал, из которого изготовлен рупор. Как известно, эта глубина при постоянной проводимости уменьшается с ростом частоты. Это приводит к увеличению поверхностного сопротивления и затухания волны и, таким образом, к уменьшению КПД. Для волн сантиметрового диапазона, в котором чаще всего используют рупорные антенны, этим эффектом можно пренебречь и положить, что КПД рупорных антенн равен единице [2].

Таким образом, для рупорных антенн с оптимальными размерами  коэффициент усиления (КУ) можно определить по формуле (2.9):

                            (2.9)

 

2.2 Расчет диаграммы  направленности рупорной антенны по полю

 

Диаграммы направленности рупорной  антенны по полю при  возбуждении  ее  волной    можно рассчитать  по формуле (2.10) [3,с.298]

    (2.10)

где

- длина волны;

- волновой коэффициент  равный _;

_{ap, bp – ширина и высота раскрыва рупора;}

_{R – расстояние до точки наблюдения.}

Нормированная диаграмма  направленности рупорной антенны в  плоскости Е представлена на рисунке 2.2, в полярных координатах на рисунке 2.3.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 – ДН в плоскости Е

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3 – ДН в полярных координатах, плоскость Е

Нормированная диаграмма  направленности рупорной антенны в  плоскости Н представлена на рисунке 2.4, в полярных координатах на рисунке 2.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.4 – ДН в плоскости Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.5 – ДН в полярных координатах, плоскость Н

3 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТА  ПРИЕМНОЙ РЕШЕТКИ И РАСЧЕТ  ЕГО

ПАРЦИАЛЬНОЙ ДИАГРАММЫ  НАПРАВЛЕННОСТИ

 

Приемная решетка системы  возбуждения выполняется из симметричных H-образных волноводов, расположенных в узлах треугольной сетки с шагом 0,034 м.

По заданным параметрам подбираем  волновод :

Частотный диапазон волновода 3,5 … 12,4 ГГц;

а=27,28мм;  b=11,73мм; s=6,83мм; 2d=2,29мм

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 Нормированные диаграммы направленности в главных плоскостях  и распределение амплитуды электрического поля в Е-плоскости на частоте 6 ГГц

 

Рисунок 3.2 Нормированные диаграммы направленности в главных плоскостях  и распределение амплитуды электрического поля в Е-плоскости на частоте 4.5 ГГц

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ВЫБОР ГЕОМЕТРИИ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ