Волноводно-щелевая антенная решётка

Содержание

 

 

1. Введение………………………………………………………………………..3

2. Обзор……………………………………………………………………………4

3. Электрические и конструктивные расчёты.

     3.1 Предварительный расчёт и обоснование конструкции…………..7

     3.2 Расчёт линейной ВЩР ………….……………………………………..9

     3.3 Расчёт плоской ВЩР  ..……………………………………………….12

3.4 Расчёт волноводного соединения……………………………………13

3.5 Электрические параметры ВЩР …………………………………..17

4.Описание  конструкции……………………………………………………19

5.Заключение……………………………………………………………………20

6.Список литературы…………………………………………………………..21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

В настоящее время радиорелейные  линии (РРЛ) связи являются надёжным и уже достаточно обжитым средством  для передачи мощных информационных потоков. Хотя сети РРЛ уже сформировались, происходит дальнейшее развитие этой отрасли, связанное как с освоением  новых частотных диапазонов, так  и модернизацией существующих РРЛ. Этот прогресс позволил РРЛ сохранить  надлежащее место в глобальной сети передачи информации.

На сегодняшний день, наиболее перспективным направлением является развитие антенных решёток. Современные системы связи и радиолокации трудно представить без использования в них антенных решёток.

В моей курсовой работе произведены  электрические и конструктивные расчеты волноводно-щелевой антенной решётки. Также приведено описание конструкции и создан сборочный чертеж данной антенны. В процессе работы кроме учебной и научной литературы были использованы различные электронные программы (Mathcad 14, Autodesk AutoCAD 2012).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Обзор. Волноводно-щелевые  антенны.

Волноводно-щелевая антенна (ВЩА) относится к классу линейных (плоских) многоэлементных антенн. Излучающими  элементами таких антенн являются щели, прорезаемые в стенках волноводов, объемных резонаторов или металлических  основаниях полосковых линий. На практике находят применение ВЩА с неподвижной  в пространстве диаграммой направленности (ДН), а также ВЩА с механическим, электромеханическим и электрическим сканированием.

К достоинствам ВЩА можно  отнести:

- отсутствие выступающих  частей, что позволяет совмещать  их излучающую поверхность с  внешней поверхностью корпуса  летательных аппаратов, не внося  при этом дополнительного аэродинамического  сопротивления;

- сравнительно несложное  возбуждающее устройство и простота  в эксплуатации.

Основным недостатком  ВЩА является ограниченность диапазонных  свойств. При изменении частоты  в не сканирующей ВЩА луч отклоняется от заданного положения в пространстве, что сопровождается изменением ширины ДН и нарушением согласования антенны с питающим фидером.

Щель  в волноводе:

Щель, вырезанная в волноводе, будет возбуждаться, если ее широкая сторона пересекает токи, текущие по внутренним стенкам. При построении ВЩА на основе прямоугольного волновода с основной волной Н₁₀ необходимо учитывать, что в широкой стенке волновода имеются продольные и поперечные составляющие поверхностного тока, а в узкой стенке – только поперечные. Щели могут быть вырезаны в широкой и узкой стенках волновода. При возбуждении щели токами, текущими по внутренним стенкам волновода, происходит излучение электромагнитной энергии как во внешнее пространство, так и в волновод. Для анализа работы щели вводят понятия внешней и внутренней проводимостей щели, определяемых внешним и внутренним излучением щели соответственно. Зная величины данных проводимостей, можно определить резонансную частоту щелей разной длины и проследить ее зависимость от расположения на стенке волновода.

Как известно, щель, прорезанная в волноводе, нарушает режим его работы, вызывая  отражение энергии: часть ее излучается, остальная проходит дальше по волноводу. Таким образом, можно считать, что  щель служит нагрузкой для волновода, на которой рассеивается часть мощности, эквивалентной мощности излучения. Поэтому для упрощения анализа  можно заменить волновод эквивалентной  двухпроводной линией, в которую  включены нагрузки параллельно или  последовательно в зависимости  от типа щели (продольная щель эквивалентна параллельному включению, поперечная щель – последовательному).

Рисунок 1. Разновидности щелей  в волноводе.

Разновидности ВЩА:

По принципу, на котором основана работа ВЩА, различают резонансные  и нерезонансные волноводно-щелевые  антенны.

В резонансных антеннах расстояние между соседними щелями выбирают равным l_В (щели, синфазно связанные с полем волновода) или l_В/2 (щели, переменно-фазно связанные с полем волновода), где l_В – длина волны в волноводе, и на конце волновода устанавливают короткозамыкающий поршень. Таким образом, резонансные антенны являются синфазными и, следовательно, направление их максимального излучения совпадает с нормалью к продольной оси антенны. Синфазное возбуждение продольных щелей, расположенных по разные стороны относительно средней линии, обеспечивается за счет дополнительного фазового сдвига по фазе на 180°, обусловленного противоположными по направлению токами по обеим сторонам осевой линии широкой стенки волновода.

Резонансную антенну можно  хорошо согласовать с питающим фидером  в достаточно узкой полосе частот. Действительно, так как каждая щель отдельно не согласована с волноводом, то все отраженные от щелей волны  складываются на входе антенны синфазно и коэффициент отражения системы  становится большим. Поэтому обычно отказываются от синфазного возбуждения  отдельных щелей и выбирают расстояние между ними d ¹ l_В/2.

Характерной особенностью получаемой таким образом нерезонансной  волноводно-щелевой антенны (НВЩА) является более широкая полоса частот, в  пределах которой имеет место  хорошее согласование, так как  отдельные отражения при большом  числе излучателей почти полностью  компенсируются. Однако отличие расстояния между щелями от l_В/2 приводит к их несинфазному возбуждению падающей волной и отклонению направления главного максимума излучения от нормали к оси антенны. Для устранения отражения от конца волновода обычно устанавливают оконечную поглощающую нагрузку.

Как было указано выше, НВЩА имеет хорошее согласование с  фидером в достаточно широком  диапазоне. Исключение составляет случай, когда d»l_В/2; при этом отраженные волны складываются в фазе и коэффициент бегущей волны (КБВ) в волноводе резко падает. Подобный характер изменения КБВ при приближении расстояния между щелями к величине l_В/2 носит название эффекта нормали.

Рисунок 2. Резонансная ВЩР: а – с продольными щелями, b – с поперечными

Рисунок 3. Нерезонансная ВЩР: а – с продольными щелями, b – с поперечными

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Электрические  и конструктивные расчёты

3.1 Предварительный  расчёт и обоснование конструкции.

Основной задачей данного  курсового проекта является разработка конструкции и расчет волноводно-щелевой антенной решетки, обеспечивающей следующие условия работы:

Средняя рабочая  длина волны: λ = 2 см;

Ширина диаграммы  направленности в горизонтальной плоскости: 2θ_0.5 = 4⁰

Ширина диаграммы  направленности в вертикальной плоскости: 2φ_0.5 = 15⁰

Исходя из приведённых  выше условий, выберем тип ВЩР – резонансный. Так как, нам нет необходимости обеспечивать работу антенны в широкой полосе частот или отклонять главный лепесток от нормали, кроме того резонансная антенна обеспечивает высокий КПД. Выберем расположение щелей продольное. Возбуждение щелей такой антенны синфазное. Способы формирования ДН в вертикальной плоскости рассмотрим после окончания расчёта линейного полотна.

Рисунок 4. Резонансная  ВЩР. Внешний вид.

Выберем тип волновода  согласно ГОСТ 20900-75, для работы на данной длине волны подойдёт волновод МЭК-140: a x b x s = 16 x 8 x 1 [мм].

Основной тип волны  Н₁₀

Критическая длина волны: λ_кр = 2а = 32 мм

Волновое число:                                мм

Найдём длину волны в волноводе:

                                              мм 

 

3.2 Расчёт линейной ВЩР

Определим расстояние между излучателями, исходя из выбранного типа решётки:

                                 мм

Рассчитаем количество щелей. При заданной ДН:  2θ_0.5 = 4⁰ и равномерном амплитудном распределении оно равно:

 

Примем N = 20, так как количество щелей не может быть не целым числом

Найдём ширину щели. Допустим мощность источника P = 1 кВт, а напряжение пробоя Е_k = 30 кВ/см.

Сопротивление излучения, для  полуволнового вибратора: R_e = 73.1 Ом

Проводимость одной щели в волноводе  равна:

                                                      См/м

Максимальное напряжение щели равно:

                                      В

Найдём минимальную ширину щели из отношения максимального напряжения к напряжённости пробоя, обычно ширина выбирается с запасом в 2 или 3 раза:

                                      см

Примем ширину щели d₁ = 2 мм.

Длину щели примем 2l=λ/2=10 мм. В действительности эксперимент и более точный расчет показывают, что резонансными свойствами обладают щели длиной несколько меньше λ/2. Укорочение щели равно:

                                                            мм

Таким образом 2l = 2l – dl = 8.84  мм

Продольные щели обычно располагают  на определённом расстоянии от продольной оси волновода, это в первую очередь  связано с отсутствием поперечных токов в середине широкой стенки и как следствие отсутствие возбуждения. Кроме того, щель, прорезанная в волноводе, нарушает режим бегущих волн внутри волновода и вызывает отражение электромагнитной энергии. Продольная щель эквивалентна параллельно включенному сопротивлению. Параллельная нормированная проводимость равна:

Для продольной щели условием согласования будет:

 и  

    =  0.05 

Выразим из первой формулы  смещение х и найдём его:

 

                                                                          мм

Расстояние между короткозамыкателем и ближайшей к нему щелью:

 λ_b/4 = 6.41 мм

Минимальная длина волноводной части антенны должна удовлетворять следующему условию:

L_h > d*N + λ_b/4 = 262.61 мм

Выберем волноводную длину антенны равной 263 мм.

ДН данной антенны в  вертикальной плоскости (плоскости  перпендикулярной продольной оси волновода) получается весьма широким и тяжело поддаётся расчёту. Для формирования ДН в вертикальной плоскости применяют  следующие приёмы: [3]

1. Ограничение антенны стенками рупора
2. Формирование Плоской ВШР путём объединения нескольких волноводов.

Каждый вариант имеет  как достоинства, так и недостатки. Существенным преимуществом второго  варианта является отсутствие выступающих  частей, как следствие возможность использования антенны в условиях ограниченных габаритов. В первом же варианте антенна получается существенно более громоздкой, однако несколько проще осуществляется подключение к источнику или приёмнику сигнала, кроме того такая антенна проще в изготовлении.

Рисунок 5. ВШР  ограниченная рупорным облучателем

1.Волнлвод, 2. Щель, 3,4. Раскрыв рупора, 5. Согласованная  нагрузка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6. Плоская  ВЩР

Рассмотрим и рассчитаем второй способ формирования ДН в вертикальной площади.

3.2 Расчёт плоской ВЩР

Составим плоскую ВЩР из рассчитанных выше линейных решёток. Рассчитаем количество волноводов в решётке. Амплитудное распределение по входам линейных решёток синфазное. Найдём длину антенны:

                                мм

 

Отсюда аналитически определим количество волноводов:

Если L/b = 4.25 то примем число элементов (волноводов) M = 5

Определим расстояние между  элементами, отсчёт ведём от центров  волноводов:

                                                     мм

 

Таким образом расстояние между волноводами равно: b – d₂ = 1 мм