Расчет одиночного рупора

Рассчитаем длину волны? и волновое число k:

где с= 3*10 8 м/с - скорость света.

Выбор размеров поперечного сечения прямоугольного волновода производится из условия распространения в волноводе только основного типа волны Н 10:

По полученному значению? выберем волновод марки R100 c размерами a*b=22.86*10.16 мм.

Рассчитаем коэффициент направленного действия рупора:

Найдем значения оптимальных длин рупора в плоскостях E и H:

Используем уравнение стыковки рупора с волноводом:

h 1 (1-a/a 1) = h 2 (1-b/a 2).

Чтобы фазовые искажения в раскрыве не превысили допустимых, большее значение длины h принимаем за постоянное число и выражаем меньшее значение через большее:

Рассчитаем углы раскрыва рупорной антенны:

Рассчитаем и построим ДН рупора.

а) В плоскости Е

Рис. 3.

Ширина ДН по уровню 0,5: ? 0,5 = 5,4 о.

б) В плоскости H

Рис. 4. Диаграмма направленности рупора в плоскости Н

Ширина ДН по уровню 0,5: ? 0,5 = 4,9 о

Расчет диаграммы направленности антенны

1. Синфазный режим работы.

Диаграмма направленности линейки из рупорных антенн:

Множитель решетки определяется формулой:

где d - расстояние между излучателями.

В ДН множителя будут несколько дифракционных максимумов. Так как размеры раскрыва одного рупора равны 20*30 см, то не выполняется условие обеспечивающее существование одного максимума. Но до тех пор, пока дифракционные максимумы находятся за пределами основного лепестка ДН одного излучателя, в ДН решетки их не будет, так как они уничтожаются при перемножении диаграмм. Исходя из этого, определим расстояние между излучателями d opt , при котором в ДН линейки излучателей начинают появляться дифракционные лепестки:

d opt = ?/sin(? 0 изл) .

По ДН одиночного рупора находим, что в обеих плоскостях (Н- и Е-плоскости) ? 0 изл = 9 о, тогда

d opt = 3.1/sin9 o = 19.8 см.

Полученное значение d opt близко по значению размера раскрыва рупора в плоскости Е а 2 =20 см, поэтому возьмем расстояние между излучателями d = 20 см. Тогда расположение рупоров в антенне будет таким как изображено на рис. 5

Учитывая, что для синфазной линейки излучателей?? = 0, найдем диаграмму направленности всей антенны в плоскости Е по следующей формуле:

Рис. 6.

Ширину диаграммы направленности антенны по нулевому уровню и по уровню 0,5 определим следующим образом :

Уровень боковых лепестков:

Положение первого дифракционного максимума определим по формуле:

Диф = ± arcsin(p?? / d),

где р - номер дифракционного лепестка.

Диф = ± arcsin(3,1 / 20) = ±8,9о.

Диаграмма направленности линейки излучателей в Н - плоскости будет такой же, как и у одного излучателя в Н - плоскости.

2. Несинфазный режим работы.

Рассчитаем максимальное отклонение ДН антенны от нормали к ее поверхности:

Max = ? 0,7изл.

По графику ДН одиночного рупора в плоскости Е (рис. 3) определяем, что? max = 4 о.

Расстояние между излучателями решетки с электрическим качанием луча должно быть меньше оптимального . В нашем случае размер раскрыва рупора в плоскости, в которой происходит отклонение луча, равен оптимальному значению. Таким образом, уменьшить расстояние между излучателями невозможно, а значит, дифракционные лепестки множителя решетки будут входить в основной лепесток ДН излучателя. Это приведет к росту боковых лепестков ДН антенны.

Разность фаз токов излучателей?? найдем из формулы, определяющей направление максимального излучения.

Диаграмму направленности антенны в несинфазном режиме найдем перемножением диаграммы одного излучателя в Е-плоскости F 2 (? 2) на множитель решетки F n (? 2) при?? = 2,8 рад.

Рис. 7.

Рассчитаем коэффициент направленного действия и коэффициент усиления антенны.

где S а = S?n - площадь излучающей поверхности антенны.

Рупорная антенна

Рупорная антенна – это антенна, которая состоит из металлического рупора и радиоволновода, присоединенного к рупору. Рупорные антенны используются при направленном излучении и приеме радиоволн СВЧ-диапазона.

Кроме этого, рупорные антенны применяются как самостоятельные антенны в устройствах и приборах измерительной техники, спутниках связи и т. д. Диаграмма излучения антенны зависит от распределения поля в наибольшем сечении раструба, т. е. раскрыва рупора. Раскрыв определяется формой и геометрическими размерами поверхностей рупора. По форме различаются секториальный рупор, конический, пирамидальный и т. д. Кроме этого, бывают модификации рупорных антенн, такие как антенны с поверхностью в виде плавной кривой, с гладкой внутренней поверхностью и т. д. Подобные модификации улучшают электрические характеристики рупорной антенны. Они используются для получения диаграммы излучения с низкой мощностью боковых лепестков, с симметричной осью и т. д. Для коррекции свойств направлений рупорной антенны в раскрыв рупора помещают ускоряющие или замедляющие линзы. В частных случаях, чтобы рупорная антенна лучше согласовывалась с радиоволноводом, в них встраивают подстроечные элементы и согласующие секции, при этом рупор имеет параболическую образующую поверхность. Рупор антенны имеет поперечное сечение, которое увеличивается с одного конца раструба до другого. Благодаря сечению создается плавный переход от волновода к свободному пространству волнового сопротивления.

В рупорно-параболической антенне рупор излучает волны, падающие на сегмент параболоида. Отражаясь от сегмента, волны излучаются через раскрыв раструба. Чтобы получить плоские волны, фокус рефлектора должен быть смещен с фазовым центром рупора.

Рупорная антенна работает на прием, она вращается вокруг своей оси, которая располагается перпендикулярно плоскости. В плоскости характеристика направленности снимается. Кристаллический детектор с усилителем подключается к выходу рупорной антенны. При слабых сигналах в детекторе образуется квадратичная вольтамперная характеристика, в связи с этим квадрат напряженности поля соответствует показаниям индикатора. Источником электромагнитных волн является антенна, которая работает на передачу, она стационарна и находится на приличном расстоянии от рупорной антенны. Чтобы снять характеристику направленности антенны, ее поворачивают на определенный угол. После этого показания на приборе, прилегающем к антенне, фиксируются. Антенна поворачивается на угол, и ее данные фиксируются до тех пор, пока рупорная антенна не повернется на 360°, т. е., пока не совершит полный оборот вокруг своей оси.

Применение рупорных антенн

Самостоятельно рупорная антенна применяется главным образом в тех случаях, когда не требуется острая диаграмма направленности и когда антенна должна быть достаточно диапазонной. Практически с помощью рупорной антенны можно перекрыть приблизительно двойной диапазон волн. Собственно говоря, диапазонность рупорной антенны Электромагнитные ограничивается не рупором, а питающем его волноводом.

Большая диапазонность рупорных антенн и простота конструкции являются существенными достоинствами этого типа антенн СВЧ, благодаря которым они находят широкое применение в технике антенных измерений и измерений характеристик электромагнитного поля.

рупоры также широко применяются в качестве облучателя линзовых, зеркальных антенн, а также в качестве элементов антенных решеток.

Эксплуатация антенны производится согласно нормативной документации, в которой оговорены сроки проведения регламентных работ. Регламентные работы представляют собой список необходимых действий для проверки точности работы антенны и ее параметров, а также механических и электрических свойств.

Внешний осмотр необходимо проводить постоянно на наличие механических и электрических повреждений. Регулярно проводить чистку антенны от грязи и пыли, проверку фидерного тракта.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы был произведен расчет основных размеров антенны, рассчитаны параметры фидерной линии. На основе произведенных расчетов была построена диаграмма направленности, выполнен эскиз антенны.

По форме диаграмм направленности и рассчитанному значению КПД можно сделать вывод, что основные параметры антенны соответствуют заданным значениям.

КПД антенны: 0,84

Требования, предъявляемые в техническом задании к рупорной антенне, выполнены с некоторым запасом по мощности.

рупорный антенна фидерный направленность

Литература и источники информации

1. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988. - 432 с.

2. Нечаев Е. Е. Методические указания для выполнения курсовой работы по дисциплине «Антенны и РРВ». М.: МГТУГА, 1996. -106 с.

3. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и связь, 1989. - 352с.

4. А.З. Фрадин. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие. М.: Связь, 1997.

Излучение происходит из открытого конца волновода. Для канализации электромагнитной энергии используется волноводы прямоугольного или круглого типа.

Однако волноводы могут быть использованы не только для канализации электромагнитной энергии, но и для ее излучения.

Открытый конец волновода можно рассматривать как простейшую антенну СВЧ.

Открытый конец волновода представляет собой площадку с электромагнитным полем.1

Особенности электромагнитного поля в открытом конце волновода.

1. Волна не является поперечной типа ТЕМ. (имеет более сложную структуру).

2. Кроме падающей волны присутствует отраженная.

3. Наряду с основным типом волны на конце волновода присутствуют высшие типы волн.

Кроме того поле присутствует не только в раскрыве волновода, но и на внешней поверхности вследствие затекания на эту поверхность токов с конца волновода.

Учет этих факторов очень усложняет задачу определения поля излучения из открытого конца волновода, и ее строгое математическое решение встречает большие трудности. По этой причине обычно применяют приближенные методы решения. Для этого решения задачу разбивают на две задачи: внутреннюю и внешнюю.

1) Внутренней задачей является нахождения поля в раскрыве волновода.

2) Внешней задачей является нахождение поля излучения по известному полю в раскрыве.

Рассмотрим прямоугольный волновод.

Основной тип волны .

Рис. 45. Прямоугольный волновод (а) и структура поля в нем при волне типа : в плоскости xOy (б); в плоскости xOz (в); в плоскости yOz (г).

Напряженность падающего электромагнитного поля в середине раскрыва волновода.

Длина волны в волноводе.

Длина волны в свободном пространстве.

Комплексный коэффициент отражения.

Поле в дальней зоне:

Волновое сопротивление фронта волны на открытом конце волновода.

Волновое сопротивление среды равно .

С учетом найденных отношений поля в главных плоскостях

Площадь раскрыва волновода.

Диаграмма направленности открытого конца прямоугольного волновода.

Рис. 46. Диаграмма направленности излучения из открытого конца прямоугольного волновода при

Как видно из рисунков ширина диаграммы направленности большая. Для получения более острой диаграммы направленности сечение волновода можно плавно увеличивать, превращая волновод в рупор. В этом случае структура поля в волноводе в основном сохраняется.

Плавное увеличение сечения волновода улучшает согласования его со свободным пространством.

Рис. 47.Основные типы электромагнитных рупоров.

Наибольшее распространение получили секториальные и пирамидальный рупора.

Рассмотрим продольное сечение прямоугольного рупора плоскостью E или H.

Рис. 48. Продольное сечение прямоугольного рупора.

Раскрыва рупора

Ширина раскрыва рупора.

Длина рупора.

Вершина рупора.

Исследование рупора как правило ведется приближенными методами из-за математических сложностей.

Первоначально определяется поле в раскрыве. При решении этой задачи рупор предполагается бесконечно длинным, а его стенки идеально – проводящими.

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

H – плоскостной секториальный рупор.

Для нахождения структуры поля в рупоре используем цилиндрическую систему координат .

Волна будет иметь компоненты .

Рис. 49. Цилиндрическая система координат для анализа секториальных рупоров.

Решая систему уравнений Максвелла и используя асимптотические выражения функций Ганкеля для больших значений аргумента , получаем следующие значения для составляющих поля

Здесь напряженность электрического поля в точке рупора с координатами причем .

Формулы (1) показывают, что при больших составляющая и поле в рупоре представляет собой поперечную электромагнитную цилиндрическую волну. Вследствие того, что у большинства применяемых рупоров раскрыв плоский, а волна в рупоре цилиндрическая, поле в раскрыве не будет синфазным.

Для определения фазовых искажений в раскрыве рассмотрим продольное сечение рупора. Дуга окружности с центром в вершине рупора проходит по фронту волны и, следовательно, является линией равных фаз. В произвольной точке , имеющей координату , фаза поля отстает от фазы в середине раскрыва (в точке ) на угол

Рис. 50. К определению фазовых искажений в раскрыве рупора.

Так как обычно в рупорах , то можно ограничиться первым членом разложения

Формула (2) и является приближенными. Ими можно пользоваться, когда или . В применяемых рупорах эти условия обычно выполняются.

Иногда удобно максимальные фазовые ошибки в раскрыве рупора определять через его длину и половину угла раскрыва .

Формула верна при любых и .

Из формулы видно, что при заданной поле в раскрыве будет тем меньше отличаться от синфазного, чем больше длина рупора . Габаритные ограничения требуют нахождения компромиссного решения, т.е. определения такой длины рупора, при которой максимальный фазовый сдвиг в его раскрыве не будет превышать некоторой допустимой величины. Эта величина обычно определяется наибольшим значением коэффициента направленного действия, которое можно получить от рупора заданной длины. Для секториального рупора максимально допустимый фазовый сдвиг составляет , что соответствует следующему соотношению между оптимальной длиной рупора, размером раскрыва и длиной волны :

Для определения распределения амплитуд поля в раскрыве рупора примем

Таким образом, поле в раскрыве секториального рупора окончательно представим выражениями

Диаграмма направленности в плоскости

Характерные зависимости коэффициента направленного действия от относительного раскрыва рупора для различных длин рупора приведены ниже.

Рис. 51. Зависимость КНД Н – секториального рупора от относительной ширины раскрыва

при различной длине рупора.

Для того чтобы исключить зависимость коэффициента направленного действия от оси ординат отложено произведение . Из графиков видно, что для каждой длины рупора существует определенный раскрыв рупора , при котором коэффициент направленного действия максимален. Уменьшение его при дальнейшим увеличение объясняется резким возрастанием фазовых ошибок в раскрыве.

Рупор, который при заданной длине имеет максимальный коэффициент направленного действия, называется оптимальным. Из кривых, изображенных на рис.3 видно, что при точки максимума кривых соответствует равенству

Если длину рупора взять больше , то при той же площади раскрыва коэффициента направленного действия возрастает, но не очень сильно. Точкам максимума коэффициента направленного действия соответствует коэффициент использования площади раскрыва .

Если длину рупора непрерывно увеличивать, то в пределе при мы получим синфазное поле в раскрыве рупора. Коэффициент использования синфазной площадки с косинусоидальным распределением амплитуды поля равен . Таким образом увеличение длины рупора по сравнению с его оптимальной длиной не может повысить коэффициент направленного действия более чем на

Коэффициент полезного действия рупорных антенн вследствие малых потерь практически может быть принят за единицу.

E-плоскостной секториальный рупор.

Поле в раскрыве плоскостного секториального рупора

Здесь ; расстояние от горловины рупора. плоскостного рупора такая же, как у открытого конца волновода. плоскостного рупора, т.е. .

При выборе размеров плоскостного рупора можно руководствоваться такими же соображениями, которые были изложены выше применительно к плоскостному рупору.

Присоединенным к узкому концу рупора. По форме рупора различают E-секториальные, H-секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.

Свойства

Рупорные антенны очень широкополосны и весьма хорошо согласуются с питающей линией - фактически, полоса антенны определяется свойствами возбуждающего волновода. Для этих антенн характерен малый уровень задних лепестков диаграммы направленности (до −40 dB) из-за того, что мало затекание ВЧ-токов на теневую сторону рупора. Рупорные антенны с небольшим усилением просты конструктивно, но достижение большого (>25 dB) усиления требуют применения выравнивающих фазу волны устройств (линз или зеркал) в раскрыве рупора. Без подобных устройств антенну приходится делать непрактично длинной.

Применение

Рупорные антенны применяют как самостоятельно, так и в качестве облучателей зеркальных и других антенн. Рупорную антенну, конструктивно совмещенную с параболическим отражателем, часто называют рупорно-параболической антенной. Рупорные антенны с небольшим усилением из-за удачного набора свойств и хорошей повторяемости часто используются в качестве измерительных.

Характеристики и формулы

Усиление рупорной антенны определяется площадью её раскрыва и может быть рассчитано по формуле:

$D=4\backslash pi\backslash frac\{S\}\{\backslash lambda^2\}\backslash nu$, где $S=L\_EL\_H$ - площадь раскрыва рупора, $\backslash nu$ - КИП (коэффициент использования поверхности рупора), равный 0.6 для случая, когда разность хода центрального и перифирийного лучей менее, но близка к $\backslash pi/2$, и 0.8 при применении выравнивающих фазу волны устройств.

Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости H:

$2\backslash phi\_\{0H\}=170^\backslash circ\backslash frac\{\backslash lambda\}\{L\_H\}$

Ширина главного лепестка ДНА по нулевому излучению в плоскости E:

$2\backslash phi\_\{0E\}=115^\backslash circ\backslash frac\{\backslash lambda\}\{L\_E\}$

Так как При равенстве $L\_E$ и $L\_H$ ДНА в плоскости Н получается в 1.5 раза шире, часто, для получения одинаковой ширины лепестка в обоих плоскостях, выбирают

$L\_H=1\{,\}5L\_E$

Для удержания фазовых искажений в раскрыве рупора в допустимых пределах (не более $\backslash pi/2$) необходимо, чтобы выполнялось условие (для пирамидального рупора):

$\backslash frac\{\backslash pi\}\{4\backslash lambda\}\backslash left(\backslash frac\{L^2\_E\}\{R\_E\}\; +\; \backslash frac\{L^2\_H\}\{R\_H\}\; \backslash right)\backslash leqslant\backslash frac\{\backslash pi\}\{2\}$, где $R\_E$ и $R\_H$ - высоты граней пирамиды, образующей рупор.

Типы рупорных антенн

• Пирамидальный рупор - антенны в форме четырехгранной пирамиды, с прямоугольным сечением. Они являются наиболее широко используемым типом рупорных антенн. Излучает линейно-поляризованные волны.
• Секторальный рупор - пирамидальные рупора с расширением только в одной плоскости Е или Н.
• Конический рупор - раскрыв в форме конуса с круглым сечением. Используются с цилиндрическими волноводами для получения волны с круговой поляризацией.
• Гофрированные рупора - раскрыв рупоров с параллельными щелями или канавки, малой по сравнению с длиной волны. Канавки покрывают внутреннюю поверхность рупора, поперек оси.

Гофрированные рупора имеют более широкую полосу пропускания, меньший уровень боковых лепестков и кросс-поляризации. Они широко используются в качестве облучателей для спутниковых параболических антенн и радиотелескопов.

Рупорно-параболическая антенна

Рупорно-параболическая антенна - тип антенны, в которой конструктивно связаны парабола и рупор. Преимуществом этой конструкции по сравнению с рупорной является низкий уровень боковых лепестков и узкая диаграмма направленности. Недостатком - больший вес, чем в параболических антеннах. Примером использования является рупорно-параболическая антенна в космической станции Мир, антенны для радиорелейных станций.

Настройка антенны

Настройка КСВ антенны производится в её волноводной части или в КВП выбором положения и размеров запитки КВП. Настройка в волноводной части производится штырями или диафрагмами.

Напишите отзыв о статье "Рупорная антенна"

Ссылки

• Распространение радиоволн антенно-фидерные устройства В. П. Чернышев, Д. И. Шейнман «Связь», 1973.
• Устройства СВЧ и антенны. Д. И. Воскресенский, В. Л. Гостюхин, В. М. Максимов, Л. И. Пономарёв. Учебник для ВУЗов

Примечания

Отрывок, характеризующий Рупорная антенна

В это время в девичьей не только был известен приезд министра с сыном, но внешний вид их обоих был уже подробно описан. Княжна Марья сидела одна в своей комнате и тщетно пыталась преодолеть свое внутреннее волнение.
«Зачем они писали, зачем Лиза говорила мне про это? Ведь этого не может быть! – говорила она себе, взглядывая в зеркало. – Как я выйду в гостиную? Ежели бы он даже мне понравился, я бы не могла быть теперь с ним сама собою». Одна мысль о взгляде ее отца приводила ее в ужас.
Маленькая княгиня и m lle Bourienne получили уже все нужные сведения от горничной Маши о том, какой румяный, чернобровый красавец был министерский сын, и о том, как папенька их насилу ноги проволок на лестницу, а он, как орел, шагая по три ступеньки, пробежал зa ним. Получив эти сведения, маленькая княгиня с m lle Bourienne,еще из коридора слышные своими оживленно переговаривавшими голосами, вошли в комнату княжны.
– Ils sont arrives, Marieie, [Они приехали, Мари,] вы знаете? – сказала маленькая княгиня, переваливаясь своим животом и тяжело опускаясь на кресло.
Она уже не была в той блузе, в которой сидела поутру, а на ней было одно из лучших ее платьев; голова ее была тщательно убрана, и на лице ее было оживление, не скрывавшее, однако, опустившихся и помертвевших очертаний лица. В том наряде, в котором она бывала обыкновенно в обществах в Петербурге, еще заметнее было, как много она подурнела. На m lle Bourienne тоже появилось уже незаметно какое то усовершенствование наряда, которое придавало ее хорошенькому, свеженькому лицу еще более привлекательности.
– Eh bien, et vous restez comme vous etes, chere princesse? – заговорила она. – On va venir annoncer, que ces messieurs sont au salon; il faudra descendre, et vous ne faites pas un petit brin de toilette! [Ну, а вы остаетесь, в чем были, княжна? Сейчас придут сказать, что они вышли. Надо будет итти вниз, а вы хоть бы чуть чуть принарядились!]
Маленькая княгиня поднялась с кресла, позвонила горничную и поспешно и весело принялась придумывать наряд для княжны Марьи и приводить его в исполнение. Княжна Марья чувствовала себя оскорбленной в чувстве собственного достоинства тем, что приезд обещанного ей жениха волновал ее, и еще более она была оскорблена тем, что обе ее подруги и не предполагали, чтобы это могло быть иначе. Сказать им, как ей совестно было за себя и за них, это значило выдать свое волнение; кроме того отказаться от наряжения, которое предлагали ей, повело бы к продолжительным шуткам и настаиваниям. Она вспыхнула, прекрасные глаза ее потухли, лицо ее покрылось пятнами и с тем некрасивым выражением жертвы, чаще всего останавливающемся на ее лице, она отдалась во власть m lle Bourienne и Лизы. Обе женщины заботились совершенно искренно о том, чтобы сделать ее красивой. Она была так дурна, что ни одной из них не могла притти мысль о соперничестве с нею; поэтому они совершенно искренно, с тем наивным и твердым убеждением женщин, что наряд может сделать лицо красивым, принялись за ее одеванье.
– Нет, право, ma bonne amie, [мой добрый друг,] это платье нехорошо, – говорила Лиза, издалека боком взглядывая на княжну. – Вели подать, у тебя там есть масака. Право! Что ж, ведь это, может быть, судьба жизни решается. А это слишком светло, нехорошо, нет, нехорошо!
Нехорошо было не платье, но лицо и вся фигура княжны, но этого не чувствовали m lle Bourienne и маленькая княгиня; им все казалось, что ежели приложить голубую ленту к волосам, зачесанным кверху, и спустить голубой шарф с коричневого платья и т. п., то всё будет хорошо. Они забывали, что испуганное лицо и фигуру нельзя было изменить, и потому, как они ни видоизменяли раму и украшение этого лица, само лицо оставалось жалко и некрасиво. После двух или трех перемен, которым покорно подчинялась княжна Марья, в ту минуту, как она была зачесана кверху (прическа, совершенно изменявшая и портившая ее лицо), в голубом шарфе и масака нарядном платье, маленькая княгиня раза два обошла кругом нее, маленькой ручкой оправила тут складку платья, там подернула шарф и посмотрела, склонив голову, то с той, то с другой стороны.
– Нет, это нельзя, – сказала она решительно, всплеснув руками. – Non, Marie, decidement ca ne vous va pas. Je vous aime mieux dans votre petite robe grise de tous les jours. Non, de grace, faites cela pour moi. [Нет, Мари, решительно это не идет к вам. Я вас лучше люблю в вашем сереньком ежедневном платьице: пожалуйста, сделайте это для меня.] Катя, – сказала она горничной, – принеси княжне серенькое платье, и посмотрите, m lle Bourienne, как я это устрою, – сказала она с улыбкой предвкушения артистической радости.