Разработка волноводно-щелевой антенной решетки резонансного типа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОННИКИ (ТУСУР)

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники (СВЧиКР)

Курсовая работа

по дисциплине: "Устройства СВЧ и антенны"

на тему: "Разработка волноводно-щелевой антенной решетки резонансного типа"

Выполнил: студент гр. 122-1

Исаков В.С.

Проверил: старший преподаватель

Фатеев А.В.

2015

Оглавление

Реферат

• Введение
• 1. Выбор типа антенны, расчет ее размеров
• 2. Расчет антенной решетки
• 3. Расчет диаграммы направленности
• 4. Проектирование антенны в среде CST
• Заключение
• Список литературы


Реферат

Пояснительная записка содержит стр. 15., 4 рисунков.

ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА РЕЗОНАНСНОГО ТИПА, ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ.

Целью данной курсовой работы является разработка волноводно-щелевой антенной решетки резонансного типа удовлетворяющей ТЗ (техническому заданию), также реализация антенны в программе CST (CST MICROWAVE STUDIO).

Курсовой проект выполнен с использованием текстового редактора Microsoft Word 2007 и MathCAD 14.

Введение

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 [1].

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 несканирующей ВЩА луч отклоняется от заданного положения в пространстве, что сопровождается изменением ширины ДН и нарушением согласования антенны с питающим фидером.

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 Н ₁₀ 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.

Рассмотрим щель, расположенную на широкой стенке волновода продольно по отношению к осевой (средней) линии широкой стенки (рис. 1).

Рисунок 1 - Пример волноводно-щелевой антенной решетки с двумя щелями

Такая щель возбуждается поперечной составляющей тока, если она смещена относительно средней линии на расстояние х ₁. При х ₁=0 излучение щели отсутствует. Изменяя величину смещения щели х ₁, можно регулировать интенсивность ее излучения.

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).

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

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 _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 _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_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_В/2 носит название эффекта нормали.

Недостатком НВЩА являются меньший, чем у резонансных антенн, коэффициент полезного действия (для его увеличения следует повышать интенсивность возбуждения щелей) и не устранимые амплитудные искажения (для их уменьшения следует снижать интенсивность возбуждения щелей). Исходя из этого, интенсивность возбуждения необходимо выбирать из компромиссных соображений.

Исходные данные для расчета:

Рабочая частота - 34 ГГц.

Поляризация - линейная.

Ширина ДН в плоскости H - 9 градусов.

Относительная полоса частот - 5 %.

Мощность излучения антенной решеткой - 10 Вт.

Уровень боковых лепестков - минус 20 дБ.

Питание антенной решетки коаксиальным кабелем - 50 Ом.

1. Выбор типа антенны, расчет ее размеров

В антенных СВЧ с частотным сканированием излучатели, как правило, расположены непосредственно на возбуждающей системе. В качестве системы возьмем волноводно-щелевую антенну, которая представлена на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Волноводно-щелевая антенна

2. Расчет антенной решетки

Основные характеристики определяются следующими соотношениями:

(1.1)

По формуле (1.1) рассчитаем длину волны в вакууме.

(1.2)

По формуле (1.2) рассчитаем критическую длину волны (для Н 10).

(1.3)

По формуле (1.3) рассчитаем длину волны в волноводе.

(1.4)

По формуле (1.4) рассчитаем расстояние между щелями.

(1.5)

По формуле (1.5) рассчитаем резонансную длину щели.

(1.6)

По формуле (1.6) рассчитаем количество щелей.

(1.7)

где л0, a, b - в сантиметрах, Епр - предельно допустимая напряженность электрического поля в волноводе [кВ/см] (при выборе ширины щели d1 должен обеспечиваться двух- или трёхкратный запас по пробивной напряжённости поля для середины щели, где напряжённость поля максимальна);

По формуле (1.7) рассчитаем предельно допустимую мощность электромагнитной энергии, проходящей по волноводу.