Волноводно-щелевая антенна не резонансного типа

 - магнитная проницаемость меди.

Получим .

Для увеличения прочности  стенок волновода и для удобства изготовления выбираем t=0.1мм .

 

4.2 Расчет волноводно-щелевой антенны 
нерезонансного типа.

 

В качестве амплитудного распределения по антенне выбираем равномерное с уровнем боковых лепестков – 13.5 дБ, что значительно упрощает дальнейшие расчеты.

По данному амплитудному распределению найдем длину антенны  и количество излучателей.

Ширина ДН на уровне 0.5 по мощности:

,      (4.14)

где - длина волны генератора

       N – число щелей

       d – расстояние между соседними излучателями.

Расстояние d определяется так, чтобы во всем рабочем диапазоне измерений не получалось бы резонансного возбуждения антенны и в ДН не появлялись бы главные максимумы высших порядков:

,     (4.15)

где - нижняя граница диапазона длин волн.

Подставим (4.15) в (4.14):

,     (4.16)

;

;

 

;

;

=3.96 см

 

Подставив численные  значения, получим:

Для обеспечения заданной ширины ДН возьмем:

N=6

см

Щель прорезанная в  волноводе, нарушает режим работы волновода, вызывая отражение электромагнитной энергии. Таким образом, щель является нагрузкой для волновода, в которой рассеивается часть мощности, эквивалентной мощности излучения.

Поэтому волновод заменяется эквивалентной двухпроводной линией, в которую включены сопротивления. Продольная щель эквивалентна параллельному включению сопротивления в линию. При расчете обычно пользуются параллельной проводимостью g, нормированной к волновой проводимости волновода:

     (4.17)

где G – проводимость щели.

Приближенная формула  нормированной проводимости имеет  вид:

  (4.18)

где х₁ – смещение центра щели относительно середины широкой стенки волновода.

Для того, чтобы в возбуждающем антенну волноводе установился режим бегущих волн, должно выполняться условие:

     (4.19)

В результате находим:

  (4.20)

Подставляя численные  значения, получаем:

х₁=0.379 см.

Ширина щели выбирается исходя из условий обеспечения необходимой электрической прочности и требуемой полосы пропускания.

При выборе ширины щели d₁ должен обеспечивать двух- или трехкратный запас по пробивной напряженности поля Е_из максимальна. Этот запас выбирается исходя из конструктивных требований и условий работы щелевой антенны:

,    (4.21)

где U_m – амплитуда напряженности в пучности

       Е_пр – предельное значение напряженности поля при которой наступает электрический пробой (для воздуха при нормальных атмосферных условиях Е_пр=30 кВ/м).

В случае равномерного амплитудного распределения по раскрыву антенны, когда излучаемая антенной мощность делится поровну между щелями:

,      (4.22)

где Р – подводимая к антенне мощность

      - проводимость излучения щели

      N – число щелей

Подводимая мощность выбирается из диапазона, рассчитанного  выше

0 < p < 268.4 кВт;  p=10 кВт

Внешняя проводимость излучения  щели в волноводе находится по формуле:

,     (4.23)

где - сопротивление излучения симметричного эквивалентного вибратора, которое находится из формулы (при условии, что длина вибратора ):

,     (4.24)

где lg – действующая длина вибратора.

Для полуволнового вибратора:

,       (4.25)

Подставляя в (4.23) формулы (4.24) и (4.25), получим

     (4.26)

С учетом выше приведенных  формул, имеем

    (4.27)

Т.к. щель закрыта диэлектрической пластиной из фторопласта, то её электрическая прочность увеличивается, вместо Е_пр для воздуха следует подставить Е_пр для фторопласта:

Тогда

Примем d₁=0.1 см.

 

5 Расчет параметров и характеристик спроектированного устройства.

 

Нормированная ДН линейной решетки излучателей может быть записана в виде:

    (5.1)

где - ДН одного излучателя;

      - множитель антенной решетки, зависящий от числа щелей в антенне.

Нормированная амплитудная  ДН одиночной щели находится по формуле:

    (5.2)

Множитель антенны в  случае равномерного амплитудного и  линейного фазового распределения  по длине решетки имеет вид:

    (5.3)

где - волновое число

      - длина волны генератора

      - длина волны в волноводе

      N = 6 – число щелей.

Подставив (5.2) и (5.3) в (5.1), получим:

   (5.4)

Результаты вычислений приведены в таблице 1:

 

Таблица 1.

0 5 9,05 10 15 20 25 30 35 40	1,0 0,827 0,5 0,413 0,008 0,199 0,181 0,042 0,08 0,12		45 50 55 60 65 70 75 80 85 90	0,084 0,019 0,034 0,059 0,059 0,046 0,03 0,016 0,007 0,0

 

Смещение главного максимума  ДН относительно нормали к широкой  стенке волновода определяется по формуле:

    (5.5)

Из формулы (5.5) имеем:

На графике ДН построена  в зависимости от .

Щель, прорезанная в волноводе, имеет однонаправленное излучение. Поэтому ДН антенны рассчитана в  секторе углов от –90⁰ до 90⁰, в остальном секторе углов ДН практического интереса не представляет.

При определении ДН антенны  в Н-плоскостях следует учитывать, что конечного размера экрана (поперечные размеры волновода) существенно  влияют на форму ДН: ограниченность экрана придает излучению направленность – поле в направлении экрана уменьшается до 40-50% относительно значения поля в направлении max ДН.

Чтобы упростить определение  ДН, щель в плоскости Н волновода  удобно заменить плоской лентой той  же ширины. Тогда нормированная амплитуда  ДН антенны в Н-плоскости определяется формулой:

,   (5.6)

где d₁ – ширина щели.

      - угол между нормалью к поверхности антенны и направлением в точку наблюдения.

Результаты вычислений приведены в таблице 2:

 

Таблица 2.

0 5 10 20 30 40 50 60 70 80	1 0,998 0,992 0,97 0,932 0,882 0,82 0,749 0,67 0,586		90 100 110 120 130 140 150 160 170 180	0,499 0,413 0,328 0,25 0,178 0,117 0,067 0,03 0,008 0,0

 

Коэффициенты направленного  действия волноводно-щелевых антенн ориентировочно рассчитывается по формуле:

 

     (5.7)

 

КПД нерезонансной антенны  определяется по формуле:

,  (5.8)

где Р₀ – мощность на входе антенны

       Р_L – мощность на конце антенны

       L – длина антенны

       - коэффициент затухания, рассчитанный по формуле (5.13):

При =0.05 получаем

 

Коэффициент усиления антенны:

 

     (5.9)

Подставим численные  значения:

 

 

Ширина ДН по уровню 0.5 (таблицы 1 и 2):

 

в плоскости Е    

в плоскости Н    

 

Заключение

 

Спроектированная волноводно-щелевая антенна нерезонансного типа соответствует всем предъявленным к ней в техническом задании требованиям. Её изготовление не требует больших затрат, т.к. форма её проста. Расход материалов также не большой.

Однако трудности в  серийном производстве возникают в связи с маленькими размерами антенны и жесткими требованиями к точности изготовления.

При изготовлении волновода  требуется точность не менее 10^-5 м. Кроме того, большие требования предъявляются к изготовлению внутренней поверхности волновода, которая должна быть без неровностей и повреждений.

При изготовлении излучающей системы (щелей) требуется еще более  высокая точность, т.к. отклонение от щели может привести к уменьшениям  параметров антенны, что не допускается.

 

Список литературы

 

1. Янушкевич В.Ф. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны» для студентов специальности Т.09.01.00. Новополоцк 1997г.
2. Бова Н. Т., Резников Г. Б. Антенны и устройства СВЧ, 2-е изд., перераб. и доп. – Киев:  Вища школа. Головное изд-во, 1982— 278 с.
3. Баскаков С. И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов по спец. «Радиотехника». — М.: Высш. шк., 1992. — 416 с: ил.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение.

 

Диаграмма направленности антенны 
в плоскости Е

 

Диаграмма направленности антенны 
в плоскости Н