Выбор типа щели в волноводе

18

С о д е р ж а н и е

Задание

              Рассчитать и спроектировать антенну РЛС с параметрами:

−  Рабочий диапазон волн λ = 8,1 мм;

−  Ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности

в горизонтальной плоскости 4˚,

в вертикальной плоскости 20˚;

−  Мощность на выходе передатчика в импульсе 10 кВт;

−   длина фидерного тракта 1,5 м;

−   КБВ = 0,95.

              УБЛ = -13 дБ

              Предусмотреть поворот в горизонтальной плоскости ± 40˚.

Введение

              Антенно-фидерное устройство, обеспечивающие излучение и прием радиоволн, является неотъемлемой частью любой радиотехнической системы. К антенне предъявляется ряд технических требований, вытекающих из назначения радиосистемы, в которой она применяется. Условия размещения и работы антенны влияют на ее характеристики. Реализуемость требуемых направленных, частотных, энергетических и других характеристик антенны во многом определяется рабочим диапазоном волн.

В настоящее время получили широкое распространение остро направленные сканирующие антенны СВЧ. Сканирование позволяет осуществлять обзор окружающего пространства, сопровождение движущих объектов и определение их угловых координат механическое сканирование осуществляется вращением всей антенны.

В антеннах с механическим сканированием характеристики управления лучом не связаны с электрическим расчетом антенны и являются определяющими при проектировании механизмов вращения.

              Щели в качестве излучающих элементов или самостоятельных антенн широко используется в технике СВЧ. При этом в основном щели применяются в волноводах, хотя могут использоваться и в металлических пластинах или фольге и возбуждаться при этом с помощью полосовых линий.

              Волноводно-щелевые антенны (ВЩА), получающиеся при прорезании щелей волноводов, являются одним из видов линейных и многоэлементных антенн и обеспечивают сужение диаграммы направленности (ДН) в плоскости, проходящие через ось волновода. На практике кроме волноводно-щелевых антенн с неподвижной в пространстве ДН применяются антенны с механическим, электромеханическим и электрическим сканированием.

              Основные преимущества ВЩА:

1.      Ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность ВЩА может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления (бортовая антенна);

2.      В таких антеннах могут быть реализованы оптимальные ДН, т. к. распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателей с волноводом;

3.      Щелевая антенна имеет сравнительно простое возбуждающее устройство. Кроме того, она проста в эксплуатации.

Недостатком ВЩА является ограниченность диапазонных свойств.

Была выбрана ВЩА с механическим сканированием. Волновод прямоугольного поперечного сечения.

1. Выбор типа щели в волноводе

Возбуждение щели в волноводе происходит тогда, когда она широкой стороной пересекает поверхностные токи текущие по внутренним стенкам волновода.

При построении ВЩА на основе прямоугольного волновода с основным типом волны Н10 необходимо учитывать, что в волноводе имеют место продольный и поперечный токи, на его широких стенках и поперечный ток на узких стенках.

Существует четыре основных типа излучающих щелей в таком волноводе:

- продольная щель на широкой стенке волновода;

- поперечная щель на широкой стенке волновода;

- наклонно-смещенная щель на широкой стенке волновода;

- наклонная щель на узкой стенке волновода.

Была выбрана продольная щель на широкой стенке волновода, которая представлена на рис.1.1.

Рис.1.1. Продольная щель на широкой стенке волновода

Продольная щель пересекает поперечный ток, если она сдвинута относительно средней линии широкой стенки волновода. При х1=0 излучение отсутствует и при увеличении смещения х1 излучение возрастает.[1]

2. Выбор вида волноводно-щелевой антенны

              Различает антенны резонансные, нерезонансные и антенны с согласованными щелями. Была выбрана резонансная волноводно-щелевая антенна.

У резонансных антенн расстояние между соседними щелями равно в или равно в / 2. Таким образом,  резонансные антенны являются одновременно синфазными и, следовательно, направление максимального излучения совпадает с нормалью к оси антенны.

Резонансная антенна с продольными щелями изображена на рис.2.1.

Рис.2.1. Резонансная антенна с продольными щелями

Синфазное возбуждение продольных щелей, расположенных по разные стороны относительно средней линии при d = в / 2, обеспечивается за счет дополнительного сдвига по фазе на 1800 в силу противоположных

направлений поперечных токов по обеим сторонам от средней линии широкой стенки волновода.

              Следовательно, результирующий сдвиг по фазе соседних излучателей

оказывается равным 3600 или 00. Антенны рассматриваемого типа могут быть хорошо согласованы с питающей линией в весьма узкой полосе частот.[1]

3. Основные характеристики волновода

Из справочника был выбран стандартный волновод типа МЭК 320, размеры которого [2]

              а = 7,112 мм

              в = 3,556 мм

              Номинальная толщина стенки: S = 1,02 мм

              1. Критическую длину волны в волноводе можно вычислить по

следующей формуле:

где  а и в – размеры соответственно широкой и узкой стенок волновода;

              Основной волной в прямоугольном волноводе является волна

типа H10 = Hmn, тогда с учетом, что m = 1, n = 0, можно записать :

кр = 2а/m = 2а = 14,224 мм

              2. Длина волны в волноводе определяется по формуле:

4. Определение числа излучателей в антенной решетке

Ширина диаграммы направленности зависит от закона распределения

излучаемой мощности вдоль решетки. На практике получили распространение законы распределения: экспоненциальный, равномерный, косинусоидальный и другие специальные виды распределения[3].

              Было выбрано равномерное амплитудное распределение. Ширина луча при равномерном амплитудном распределении определяется по формуле:

где      -длина волны,

           N-количество излучателей,

           d-расстояние между излучателями.

Длина антенны          L = Nd = 138,4 мм.   

              Расстояние между щелями в волноводе [3]:

d = = 5,02 мм

              Теперь можно найти число щелей в волноводе:

N = L/d= 28

              Ширина антенной решетки  в вертикальной плоскости:

              Количество излучателей в антенной решетке:

              N1 = 4 – количество волноводов (с учетом расстояния между ними)

              расстояние между излучателями (волноводами): d = 10 мм

5. Метод расчета волноводно-щелевой антенны

              Существует несколько методов расчета волноводно-щелевых антенн.

Строгие методы расчета связаны со значительными математическими трудностями, поэтому использование их для инженерных расчетов и применение в задачах синтеза не представляется возможным.

              При инженерных расчетах обычно используются приближенные методы, имеющие ту или иную степень точности.

              Был выбран энергетический метод расчета. С помощью энергетического метода можно приближенно рассчитать волноводно-щелевую антенну. В этом методе расчета предполагается, что фазовое распределение в раскрыве антенны – линейное.

              Резонансная антенна с произвольными резонансными щелями и расстоянием между ними d = в/2 рассчитывается энергетическим методом следующим образом:

              Если распределение по антенне обозначить через f(Zn) (равномерное) и учесть, что все щели резонансные, то эквивалентная нормированная проводимость n-й    щели будет равна

gn = gвх

              Входящая в формулу входная проводимость антенны qвх выбирается, так, чтобы обеспечить хорошее согласование с питающим волноводом. Так, величина qвх может быть выбрана равной единице.

gn = = 0,0089.                 

Волновым сопротивлением волновода называется отношение поперечной составляющей напряженности электрического поля Е к поперечной составляющей напряженности магнитного поля Н:

в =

              В случае волны типа Н

в = 0