Волноводно-щелевая антенна не резонансного типа

Министерство образования  Республики Беларусь

 

 

 

Учреждение образования  «Полоцкий государственный университет»

 

 

 

 

Кафедра радиоэлектроники

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 по курсу:  «Антенны и устройства СВЧ»

на тему: «Волноводно-щелевая антенна не резонансного типа»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:          студент гр. 04-РТ

Горбачевский В.В.

 

 

 

Проверил:         Янушкевич В.Ф.

 

 

 

 

 

 

 

 

Новополоцк, 2007 г 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение            3

1. Анализ исходных  данных         6

2. Выбор конструкции и структурного построения проектируемого устройства           7

3. Выбор материалов, основных и вспомогательных конструктивных элементов           8

4. Электрический и геометрический расчет основных и

вспомогательных конструктивных элементов     9

4.1 Расчет волновода      9

4.2 Расчет волноводно-щелевой антенны нерезонансного типа  12

5. Расчет параметров и характеристик спроектированного устройства  15

Выводы            18

Список литературы    19

Приложение           20

 

Введение

 

Щелевые антенны применяются  для передачи энергии из одного волновода в другой, для излучения энергии во внешнее пространство. Компактность и возможность выполнения щелевых антенн заподлицо о металлической обшивкой делают их чрезвычайно удобными для размещения на летательных аппаратах, особенно на скоростных самолетах и ракетах. Неизлучающие щели используются для исследования поля в волноводе.

В зависимости от типа волн в волноводе, которые определяются характером нагрузки, волноводно-щелевые  антенны подразделяются на два вида.

При установке в конце  волновода металлической пластины, которая эквивалентна нагрузке типа короткого замыкания, в нем возникает режим стоячей волны. При прорезании щелей в таком волноводе получается волноводно-щелевая антенна, называемая резонансной. В резонансных антеннах расстояние между щелями равно или . Таким образом, резонансные антенны являются синфазными, и направление максимального излучения совпадает с нормалью к продольной оси антенны.

При установке в конце  волновода согласующей нагрузки, которая эквивалентна волновому сопротивлению, в нем устанавливается режим бегущей волны. Созданную на этом волноводе антенну называют волноводно-щелевой антенной бегущих волн, а чаще, в противовес резонансной, - нерезонансной волноводно-щелевой антенной. Щели располагаются на расстоянии, несколько отличном от (или от ).

В антеннах с согласованными щелями каждая щель согласована с  волноводом при помощи реактивного  вибратора или диафрагмы и  не вызывает отражений.

Основные преимущества волноводно-щелевых антенн:

• отсутствие выступающих частей и компактность волноводной распределительной системы, что особенно важно при применении антенн на борту летательных аппаратов;
• возможность сравнительно легкой реализации требуемых амплитудных распределений (путем регулирования связи щелей с волноводом);
• они имеют сравнительно простое возбуждающее устройство, просты в эксплуатации;

Недостатком волноводно-щелевых  антенн является ограниченность рабочей  полосы, в первую очередь из-за нежелательных отклонений луча при изменении частоты, а также из-за нарушения согласования входа. Волноводно-щелевая антенна изображается на рисунке 1.

Прорезанная в волноводе  щель имеет однонаправленное излучение. Продольная щель в широкой и узкой стенках эквивалентна параллельному включению в линию резистору (рис. 2.а), поперечная щель в широкой стенке – последовательно встроенному (рис. 2.б).

 

Рисунок 1 – Волноводно-щелевая антенна

 

 

 

 

Рисунок 2 – Прорезанная в волноводе щель

 

В тех случаях, когда  необходимо обеспечить согласование антенны  с трактом, меняют месторасположение щели или поворачивают её.

Ширина щели определяется из условия электрической прочности. Увеличение ширины щели увеличивает  её электрическую прочность и уменьшает резонансную длину, которая становится меньше . Для получения узкой диаграммы направленности (ДН) применяют многоэлементные волноводно-щелевые антенны.

Наряду с волноводно-щелевой  решеткой с неподвижными в пространстве диаграммами направленности, применяются волноводно-щелевые решетки с механическим, электромеханическим и электрическим сканированием.

Волноводно-щелевые антенны (ВЩА) применяются на летательных  аппаратах, особенно на скоростных самолетах и ракетах, так как компактность и возможность выполнения щелевых антенн заподлицо с металлической облицовкой делает эти антенны весьма удобными для применения их в авиации.

 

1 Анализ исходных данных.

 

Волноводно-щелевая антенна  не резонансного типа имеет следующие параметры:

• f=10-11 ГГц;
• 2Θ_0.5^H  в пл. H≤30º;
• 2Θ_0.5^E  в пл. E всесторонняя;
• КСВ≤1.2;
• Питание – коаксиальный кабель с Zв=100 Ом;
• Ширина полосы пропускания не менее 20º.

 

2 Выбор конструкции и структурного построения проектируемого устройства.

 

За основу для построения волноводно-щелевой антенны нерезонансного типа возьмем прямоугольный волновод с волной основного типа Н₁₀. При этом необходимо учитывать, что в волноводе имеют место продольный и поперечный поверхностные токи на широких стенках и поперечный ток на узких стенках.

Возбуждение щели в волноводе  происходит, если она своей широкой стороной пересекает поверхностные токи, текущие по внутренним стенкам.

На рис. 1.1 показаны четыре основных типа излучающих щелей.

Продольная щель I пересекает поперечный ток, если она сдвинута относительно средней линии широкой стенки волновода.

Излучение отсутствует при х₁=0 и возрастает при увеличении смещения х₁.

Поперечная щель II возбуждается продольными токами. Интенсивность возбуждения уменьшается при смещении от средней линии. При х₁=0 излучение максимально.

Наклонная смещенная щель III пересекается как продольными, так и поперечными токами. При х₁=0 и узле наклона щели =0 излучение отсутствует.

Щель IV, прорезанная в боковой стенке, при =0 не возбуждается. При =90^о излучение максимально.

Антенны с наклонными щелями в узкой  стенке имеют поле паразитной поляризации. В антеннах с поперечными щелями из-за большого шага решетки в области  видимости возникают побочные главные  максимуму. Учитывая все это и  желая упростить конструкцию проектируемой антенны, будем рассматривать волноводно-щелевую антенну нерезонансного типа с продольными щелями в широкой стенке волновода (рис. 1.2).

Нерезонансные волноводно-щелевые  антенны отличаются от резонансных  тем, что волновод нагружается в  конце на согласованную нагрузку, так что в отсутствие щелей в нем устанавливается бегущая волна. Щели располагаются на расстоянии d, несколько отличном от , что приводит к несинфазному возбуждению щелей падающей волной и направление главного максимума излучения склоняется от нормали к оси антенны. Чаще всего это отклонение мало и изменения формы главного лепестка и уровня боковых еще незаметны. Поэтому направленные свойства такой антенны можно определять так же, как для случая синфазного возбуждения, с последующим учетом угла наклона луча.

Характерной особенностью нерезонансной антенны является более широкая полоса частот, в  пределах которых имеет место хорошее согласование, т.к. отдельные отражения при большом числе излучателей почти полностью компенсируются.

Обеспечение требуемой  ширины ДН осуществляется выбором количества излучателей. Требуемый КСВ обеспечивается подбором нужного расположения на широкой стенке волновода щелей.

Исходя из того, что  волноводно-щелевая антенна используется на летательных аппаратах, раскрыв  ее должен быть защищен от атмосферных  осадков и пыли. Для этого раскрыв  антенны закрывается диэлектрической  пластиной или же вся излучающая система помещается в радио прозрачный обтекатель.

 

3 Выбор материалов основных  и вспомогательных конструктивных элементов.

 

Основным конструктивным элементом является волновод, среда  внутри волновода должна быть однородной, а стенки обладать бесконечной проводимостью. Наибольшей проводимостью обладает медь. Из этих соображений стенки волновода выполним из меди а внутри оставим его полым, т.е. заполним воздухом.

Волноводные согласованные  нагрузки выполняются в виде поглощающих  вставок переменного профиля в отрезке короткозамкнутого волновода. Выполняются из композитных материалов на основе порошков графита, карбонильного железа или карбида кремния. Для уменьшения отражений поглощающим вставкам придают вид клиньев.

Диэлектрическая пластина должна вносить максимальные потери, т.е. минимальным тангенсом диэлектрических потерь. Наилучшим материалом для этих целей является фторопласт-4, с =2.5·10^-4.

Возбуждение прямоугольного волновода с волной типа Н₁₀ от коаксиального волновода производится с помощью коаксиально-волноводного перехода. В зондовом переходе согласование входов обеспечивается изменением длины зонда L_з, а также подбором расстояния l. Обычно, :

При выборе марки коаксиального  кабеля руководствуются тем, что в нем на рабочей частоте должно быть минимальное затухание. Волновое сопротивление кабеля 100 Ом. Исходя из этого, выбираем кабель РК-100-7-21 с затуханием на f=10 ГГц =1.3 дБ/м . Это коаксиальный кабель со сплошной фтерленовой изоляцией. Внутренний проводник изготовлен из посеребренной медной проволоки, диаметр проводника d₁=0.74мм. Сплошную изоляцию из фтерлена накладывают на внутренний проводник обмоткой лентами фтерлена-4, диаметр изоляции d_из=7.3±0.3мм . Внешний проводник изготовляют из медной посеребренной проволоки, d_внеш=0.15-0.2мм . Кабель обматывают лентами фтерлена-4, оплетают стеклопряжей и покрывают кремнийорганическим лаком, d_об=9.0±0.5мм.

 

4 Электрический и геометрический расчет основных и вспомогательных конструктивных элементов.

 

4.1 Расчет волновода.

 

Условие существования волн в прямоугольном  волноводе:

 

      (4.1)

где - критическая длина волны в волноводе,

a, b – размеры волновода,

- длины ближайших высших типов  волн.

Основной волной в прямоугольном  волноводе является волна Н₁₀ (m=1, n=0).

 

    (4.2)

Ближайшими высшими  типами волн являются волны Н₂₀ и Н₀₁.

 

     (4.3)

 

    (4.4)

Из (4.1) – (4.4) следует, что

      (4.5)

или

      (4.6)

На практике выбирается

      (4.7)

 

Из заданного диапазона  частот 10-11 ГГц выбираем за рабочую частоту f=10.5 ГГц.

Рабочую длину волны  находим из формулы

       (4.8)

где с=3·10⁸м/с – скорость света в вакууме

=2.86см

Из (4.7) находим размеры волновода:

а=0.75

=2.145см

b=0.35

=1.001см

Применяем стандартный волновод сечением 2.3´1см.

Частотный диапазон работы волновода:

 

f_кр < f < f_В.Т.В      (4.9)

 

Длина волны в волноводе  имеет значение:

 

     (4.10)

где - рабочая длина волны.

Волновое сопротивление  находится по формуле:

 

     (4.11)

 

 

Найдем предельно пропускаемую мощность:

 

    (4.12)

где a,b – размеры волновода, см;

Е_пред=0.5Е_проб – предельно допустимая напряженность электрического поля, кВ/см;

Е_проб =30 кВ/см – напряженность электрического поля в волноводе, при котором происходит пробой воздуха.

Получаем 

Коэффициент затухания  основной волны в волноводе рассчитывается по формуле:

,   (4.13)

где - проводимость материала стенок (меди).

Подставив численные  значения, имеем:

 

 

Толщина стенок волновода  выбирается из условия

 

,

где - глубина скин-слоя, м;

Гн/м – магнитная постоянная;