Типы электромагнитных рупоров и методы их анализа

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Теоретическая часть

1.1 Типы электромагнитных рупоров и методы из анализа

Основой рупорных антенн является излучатели в виде открытого конца волновода. Для получения более острой ДН сечение стандартного волновода можно плавно увеличивать, превращая волновод в рупор. В этом случае структура поля в волноводе в основном сохранится.

В горле рупора, т.е. в месте его соединения с волноводом, все же возникают высшие типы волн. Однако если угол раскрыва рупора не слишком велик, то волны всех типов, кроме основного, быстро затухнут в окрестности горловины рупора, а по рупору будет распространяться только колебание основного типа.

Плавное увеличение сечения волновода улучшает также согласование его со свободным пространством. Модуль коэффициента отражения от конца прямоугольного волновода (рупора) с волной типа приближенно может быть выражен следующей формулой:

Увеличение раскрыва рупора в плоскости вектора приводит к приближению волны в рупоре к длине волны в свободном пространстве . При этом коэффициент отражения стремиться к нулю.

Основные типы электромагнитных рупоров

Основные типы рупоров образуются в результате расширения прямоугольного или круглого волновода:

а) H-плоскостной секторальный рупор;

б) E-плоскостной секторальный рупор;

в) пирамидальный рупор;

г) комбинированный прямоугольный рупор;

д) конический рупор.

Из перечисленных типов наибольшее распространение получили секториальный и пирамидальные рупоры. Конические рупоры в силу недостатков, присущих излучателям в виде открытого конца круглого волновода, применяются реже. Комбинированный рупор имеет несколько меньший коэффициент отражения, чем пирамидальный, но вследствие более сложной конструкции применяется реже последнего.

Рассмотрим продольное сечение прямоугольного рупора плоскостью или . Величина называется длиной рупора, точка - вершиной рупора, угол при вершине - углом раскрыва, размер - ширина раскрыва рупора. Очевидно, что в пирамидальном рупоре все эти величины, полученные при сечении рупора плоскостью , в общем случае будут отличаться от соответствующих величин, полученных при сечении рупора плоскостью .

Продольное сечение прямоугольного рупора

Исследование рупорных антенн вследствие больших математических трудностей обычно ведется приближенным методом. Первоначально определяется поле в раскрыве рупора. При решении этой задачи рупор предполагается бесконечно длинным, а его стенки - идеально проводящими. Поле в рупоре находится путем решения уравнений Максвелла. При этом учитывается способ возбуждения рупора: те составляющие поля, которых не должно быть в структуре возбужденной волны, считаются равными нулю.

Полученное таким образом решение для бесконечного рупора считается приближенно равным и для рупора конечной длинны.

После решения внутренней задачи обычном методом решается внешняя задача, т.е. находится поле излучения.

1.2 Пирамидальный рупор

В пирамидальном рупоре образуется сферическая волна, фазовая скорость волны является переменной и по мере продвижения к открытому концу рупора фронт волны переходит в плоский с фазовой скоростью, приближающейся к скорости света. Вследствие этого отражение волны от выходного отверстия рупора получается незначительным - рупор согласовывает волновод с открытым пространством.

Однако небольшие фазовые искажения требуют применения длинных рупоров Для того чтобы уменьшить длину рупора, допускается искажение фазы поля, равное в -плоскости и в -плоскости . Такой рупор, называется оптимальным.

Фазовые искажения в раскрыве рупора определяются выражением

где - длинна рупора в плоскости ; - длина рупора в плоскости

Структура поля в плоскостях E и H подобна структуре поля в этих же плоскостях E- и H-плоскостных секторальных рупорах соответственно. Вследствие этого диаграмма направленности пирамидального рупора в плоскости E определяется формулой:

а в плоскости H - аналогичной формулой для E-плоскостного секторального рупора:

Здесь:

Для определения КНД пирамидального рупора требуется определить напряженность электрического поля в раскрыве, которая может быть выражена как:

Тогда КНД:

1.3 Расчет рупорных антенн

Формулы для расчета поля излучения рупоров сравнительно сложны и расчет по ним получается трудоемким. Это объясняется тем, что они учитывают изменения фазы поля в раскрыве рупоров. Вследствие этого формулы для поля излучения содержат величины, определяемые через комплексные интегралы Френеля. Для нахождения амплитуд поля и диаграмм направленности рупорных антенн необходимо, вычислять модули комплексных выражений, входящих в эти формулы, что усложняет расчет.

В ряде случаев, когда не требуется большая точность в вычислениях, можно ограничиться более грубыми расчетами, при которых изменение фазы поля в раскрыве рупора не учитывается.

С учетом таких «упрощений» и будет производиться расчет антенны в данной работе.

Следует, однако, заметить, что не учет фазовых искажений поля в раскрывах рупоров влечет за собой потерю большого количества ценной информации. Такой, например, как влияние этих искажений на диаграмму направленности, наличие экстремума в функциональной зависимости КНД от площади раскрыва рупора при неизменной его длине, отсутствие в рупоре фазового центра и т.п.

Основной задачей расчета рупорных антенн является определение главных размеров рупора. Исходными данными обычно являются длина рабочей волны и ширина диаграммы направленности в плоскостях и - и соответственно.

Для однозначного решения задачи этих данных недостаточно. Может быть множество рупорных антенн, в которых на заданной волне обеспечивается требуемая ширина ДН, но имеются отличия в других электрических характеристиках. Вследствие этого излагаемый здесь приближенный метод расчет относится к расчету оптимальных рупоров.

1.4 Применение рупорных антенн

В качестве самостоятельных антенн рупоры применяются главным образом в тех случаях, когда не требуется очень острая ДН и когда антенна должны быть достаточно широкополосной. Практически с помощью рупорной антенны можно перекрыть приблизительно двойной диапазон волн. Собственно говоря, диапазон частот рупорной антенны ограничивается не рупором, а питающим его волноводом.

Большой диапазон частот рупорных антенн и простота их конструкции, а так же простота расчетов их параметров, являются существенными достоинствами этого типа антенн СВЧ, благодаря которым они находя широкое применение в технике антенных измерений и измерений характеристик электромагнитного поля.

Электромагнитные рупоры также широко применяются в качестве облучателей более сложных антенных устройств, например для облучения линз и зеркальных антенн.

антенна рупор пирамидальный

2. Расчет антенны

Исходные данные: f= 8.57 ГГц, =3,5 см , КНД D=60 (раз).

Выберем стандартный волновод WR-90 , рассчитанный на диапазон частот от 8,2 до 12,4 ГГц. Его размеры: а = 25,4 мм, b =12,7 мм. Толщина стенок 1.27мм. Волновод возбуждается волной Н10.

В качестве исходных данных задается ширина ДН в плоскостях Е и Н, которая рассчитывается следующим образом:

примем

Далее определим - размер раскрыва рупора в -плоскости и H-плоскости соответственно;

Откуда:

Рассчитаем - продольный размер рупора в - плоскости, и - продольный размер рупора в - плоскости;

Рассчитаем и построим диаграмму направленности. Для пирамидального рупора ДН в главных плоскостях E и H в первом приближении находится в предположении синфазности поля в раскрыве, отсутствия отражений от раскрыва и определяется следующими формулами:

Графики изображены на Рис.2.1-2.2

Рис.2.1 Диаграмма направленности в двух плоскостях (E

Рис. 2.2 Диаграмма направленности в двух плоскостях (E и H) в декартовой системе координат

Оценим коэффициент усиления мощности антенны. Примем КПД = 90%:

Тогда коэффициент усиления мощности антенны:

Предельная мощность, которую можно передавать по волноводу, может быть рассчитана по формуле:

(4.1)

4,3Для обеспечения заданной, круговой поляризации, используем фазирующую решетку в раскрыве рупора со следующими параметрами:

Выводы

Рупорные антенны достаточно просты в конструировании и расчетах, при этом обладают хорошими показателями направленности и широкополосности.

Согласно полученному заданию на курсовую работу, рассчитанная рупорная антенна обеспечивает:

-диапазон волн

-коэффициент направленного действия ;

-осесимметричную диаграмму направленности;

круговую поляризацию поля излучения.

коэффициент усиления , при КПД ;

максимально допустимую мощность излучения, подаваемую на волновод .

Список используемой литературы

1. Драбкин А. Л., Зузенко В. Л., Кислов А. Г. Антенно-Фидерные устройства. - М.: Советское радио, 1974;

2. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справочник по элементам волноводной техники. - М: Советское радио, 1966. - 651 с.

3. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. - М: Высшая школа, 1988. - 427 с.

Размещено на Allbest.ru