Федеральное агентство по образованию ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Федеральное агентство по образованию
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра конструирования и производства радиоэлектронной
аппаратуры (КИПР)
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ДВОЙНОЙ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВОЙ
АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
Пояснительная записка к курсовому проектированию по дисциплине
“Антенны и устройства СВЧ” (АУСВЧ)
Студент группы 204
_____________ А.В. Пепеляев
«____» ______________2007 г.
Руководитель
профессор кафедры КИПР
________________ А.С.Шостак
«____» _______________ 2007 г.
2007 г.
ТОМСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И
РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра конструирования и проектирования радиоэлектронных средств
(КИПР)
ЗАДАНИЕ
на курсовое проектирование по дисциплине " Антенны и устройства
СВЧ" (АУСВЧ) студенту 204 группы Пепеляеву А.В .
1. Тема проекта:
Расчет и конструирование двойной волноводнощелевой антенной решетки.
2. Исходные данные к проекту:
2.1. Мощность радиопередатчика
4 кВт
.
2.2. Рабочая волна передатчика
10 ГГц
.
0
2.3. Ширина ДН в горизонтальной плоскости
1,5
.
0
2.4. Ширина ДН в вертикальной плоскости
20
.
2.5. Поляризация излучения
круговая (правая или левая) .
2.6. Поляризация приема
двойная
.
2.7.Поляризационный базис приема
круговой
.
2.8. Формирование поляризационного базиса в волноводном тракте
на базе щелевого моста.
2.9. Развязка по поляризации
не хуже -25 дБ
.
3. Содержание пояснительной записки :
3.1. Выбор и обоснование конструкции антенны.
3.2. Расчет щелевого моста.
3.3. Расчет элементов волноводно-щелевых антенных решеток.
3.4. Согласование волноводно-щелевых антенных решеток.
3.5. Расчет рупорной антенны.
4. Дата выдачи задания «
»
2007 г.
5. Срок сдачи выполненного проекта на кафедру «
»
2007г.
Руководитель проектирования профессор кафедры КИПР
Шостак А.С.
.
2
Содержание:
Введение ........................................................................................................................... 4
1 Выбор и обоснование конструкции антенны ............................................................ 4
2 Предварительный расчет ............................................................................................. 4
3 Расчет щелевого моста................................................................................................. 5
4 Расчет волноводно-щелевых решеток. ...................................................................... 7
5 Расчет рупорного облучателя. .................................................................................. 10
Заключение .................................................................................................................... 12
Список литературы: ...................................................................................................... 13
3
Введение
Основной задачей данного курсового проекта является разработка
конструкции и расчет двойной волноводно-щелевой антенной решетки,
обеспечивающая излучение волны круговой поляризации. Важной особенностью
антенны
является
прием
ортогональных
составляющих
отраженной
поляризованной волны, что является важным при дальнейшей обработки сигнала.
1 Выбор и обоснование конструкции антенны
Для излучения волны круговой поляризации необходимо излучение двух
сигналов сдвинутых на 900. Необходимый сдвиг будет обеспечивать щелевой
мост, который разобьет сигнал с генератора на два сигнала сдвинутых по фазе
друг относительно друга на угол 900. Дальше сигнал поступит в две волноводнощелевые антенные решетки с поперечными и продольными щелями.
Специальный отражающий экран будет складывать линейные поляризации
антенн и получиться круговая поляризация. Таким же образом отраженная волна
будет разбиваться на горизонтальную и вертикальную поляризации.
2 Предварительный расчет
Основной тип волны Н10.
При частоте f=10 ГГЦ выбираем волновод по ГОСТ 20900-75:
axbxs - 23x10x1 мм3.
Найдем длину волны:
C

f
3  10 8
  10  30 мм.
10
Найдем критическую длину волны Н10:
кр  2  a
кр  2  23  46 мм.
Найдем длину волны в волноводе:

в 
2
  

1 
 кр 


в  39.6 мм.
(2.1)
(2.2)
(2.3)
4
3 Расчет щелевого моста
На рисунке 3.1 представлена конструкция и условная схема простейшего
волноводно-щелевого моста. Он состоит из двух прямоугольных волноводов 1 и
2, в общей узкой стенке которых прорезано отверстие связи.
1
3
t
а
2
4
l
Рисунок 3.1. – Схематическое изображение конструкции и условная схема моста.
Исходными данными будет:
- коэффициент связи С41=-3 дБ, т.е. мощность будет делиться пополам между
3 и 4 плечом.
- Развязка по поляризации: не хуже – 25 дБ.
Коэффициент связи:

,
C41  10 lg sin 2
2
а длина отверстия:
l/ 

(3.1)
arcsin 10 0.1C41  2n
2

(3.2)
2

(3.3)
, n=0,1,2,…,
 1   /( 2ac )  1   / ac 
где: ас – поперечный размер отверстия связи;
λ – длина волны электромагнитных колебаний.
Коэффициент связи С41 – величина отрицательная и выражается в децибелах.
Выбор n=0 в (3.2) определяет волноводный делитель мощности минимальной
длины. Для волноводно-щелевого моста С41=-3 дБ и, в соответствии с (3.2)
получим:
l / 
2
1

4 1   /( 2ac )  1   / ac 
Тогда длина щели:
l

2


(3.4)
4 1   /( 2ac )  1   / ac 
Поперечный размер отверстия связи:
ac  2  a  t
(3.5)
где: а – ширина волновода, мм;
t – толщина стенки, мм.
Зададимся толщиной стенки, разделяющей входные волноводы ВЩДМ, t=1,5
мм. Тогда:
ac  2  23  1.5  47.5 мм.
2
2
5
Из условия стыковки с предыдущими и последующими элементами тракта
выбирают поперечный размер входного волновода (ас-t)2. Чтобы волны Н10 и Н20
в области отверстия связи находились в докритическом режиме, а высшее типы в
лон закритическом, для поперечного размера необходимо:
1  a c /   1 .5
(3.7)
ac /   47.5 / 39.6  1.2 - условие выполняется.
39.6
l
 27.79 мм.
2
2
4 1  39.6 /(2  47.5)  1  39.6 / 47.5
Определи диапазон изменения длины, при котором будет выполнятся
условие: развязка по поляризации: не хуже – 25 дБ.
Коэффициент связи из (3.2) при выбранной длине lпр:
 lпр   

C41пр  10 lg 
 1   /( 2ac ) 2  1   / ac 2  
(3.8)

 
 


При выполнении данного условия;

0.1C

(3.9)
10 lg 0.5  10 41пр  25
lпр выбрано верно.
На рисунке 3.1 показано интервал изменения lпр при соблюдении условия
(3.9).
20
25
30
35
C( lp )
h( lp )
40
45
50
55
60
27.65
27.7
27.75
27.8
27.85
27.9
lp
Рисунок 3.1. - интервал изменения lпр.
Примем длину отверстия связи lпр= 27.8 мм.
При данной длине развязка по поляризации = -35.5 дБ.
Также изменение длины можно осуществить введением в середину отверстия
связи регулировочный винт.
6
4 Расчет волноводно-щелевых решеток.
Необходимо подобрать щели решеток таким образом, чтобы получить
круговую поляризацию и получить требуемую диаграмму направленности.
Путем комбинации продольной и поперечной щели можно получить
крестообразную щель. При определенном расположении центра крестообразной
щели она излучает поле круговой поляризации.
Волноводно-щелевые решетки (ВЩР) обеспечивают сужение диаграммы
направленности в плоскости, проходящей через ось волновода.
Выберем тип ВЩР – резонансная антенна, так как нам не надо обеспечивать
работу в полосе частот, она обеспечивает высокий КПД.
Выбираем расстояние между щелями d=λв/2=19 мм.
При заданной ДН в горизонтальной плоскости 2 0.5  1.50 и при
равномерном амплитудном распределение количество щелей определяется:
51
(4.1)
N
2 0.5 d
N  53.7
Принимаем N=54.
Зная количество щелей и расстояние между ними найдем для каждой
антенны смещение центра щели относительно середины волновода.
Необходимую ширину щели можно определить из равенства:
U
(4.2)
d  3  4
Eпр
где: U – максимальное напряжение щели;
Епр – напряженность однородного поля при котором наступает пробой,
Епр=30 В/см.
P
U
(4.3)
NG
где: G - проводимость одной щели в волноводе;
Р – мощность излучения, Р=1 Вт.
1 Rэк
G 
(4.4)
2 (60 ) 2
где: Rэк - Сопротивление излучения, для полуволнового вибратора Rэк  73.1 Ом.
1 73.1
G 
 1.03  10  3
2
2 (60 )
U
0.4
 4.2 В.
54  1.03  10  3
2.7
d  3  4
 3 мм.
30
Длину щели примем 2l=λ/2=15 мм.
В действительности эксперимент и более точный расчет показывают, что
резонансными свойствами обладают щели длиной несколько меньше λ/2.
Укорочение щели равно:
7
42.5  
240  ln(  1.5)  0.578
l  1.7
Тогда 2l=15-1.7=13.3 мм.
l 
(4.5)
Расчет смещения щелей.
На рисунке 4.1 показана ВЩР с поперечными щелями.
λв/2
d
х
2l
а
λв
Рисунок 4.1. ВЩР с поперечными щелями.
Щель, прорезанная в волноводе , нарушает режим бегущих волн внутри
волновода и вызывает отражение электромагнитной энергии. Поперечная щель
эквивалентна последовательно включенному сопротивлению. Сопротивление
может быть определенно из условия баланса мощностей:
   2
  
2  x 
(4.6)
r  0.523 в 
cos2 
 cos  

ab
2
2
a
a




 
Для поперечной щели условие согласования будет:
2
(4.7)
tg
z  0 и r 1
в
т.е. для обеспечения согласования поперечная щель должна быть
рассоложена на расстоянии в n / 2 от закороченного конца и иметь сопротивление
равное волновому сопротивлению волновода. По формуле (4.2) можно найти
такое положение х, при котором условие (4.3) будет выполнено. Антенна
состоящая из N щелей, для получения бегущей волны в питающем волноводе
сопротивление каждой щели должно быть в N раз меньше, т.е:
1
r
(4.8)
N
1
r
 0.019
54
Из (4.2) выразим х:
2
x
a

 arccos
 
1




2  0.523  в  cos2    


 2 2a 
rab
(4.9)
8
На рисунке 4.2 показана ВЩР с продольными щелями.
λв/2
d
а
х
2l
λв
Рисунок 4.1. ВЩР с продольными щелями.
Параллельная нормированная проводимость равна:
    2  x 
 a
 sin  
g  2.09 в cos2 
 b
2

a
в 

Для продольной щели условие согласования будет:
2
ctg
z  0 и g 1
в
1
N
1
g
 0.019
54
Из (4.10) выразим х:
a
gb
x   arcsin

2.09  в  a
g
(4.10)
(4.11)
(4.12)
1
  

cos2 
2

в 

(4.13)
Для того чтобы получить круговую поляризацию необходимо получить
одинаковые амплитуды, а для этого должно g=r. Тогда приравняв выражения
(4.6) и (4.10) получим:
2
  
    2  x 
0.523 в 
cos2 
 cos  
a

ab
2
2
a


a
 
x   arctg

    2  x 
 a
 sin  
2.09 в cos2 
 b
2

a
в 

x  5.93  6 мм.
g=r=0.457.
2
(4.14)
По полученным результатом ДН получается:
9
90
120
60
0.8
0.6
150
30
0.4
0.2
Fprod(  ) 180
0
0
210
330
240
300
270

Рисунок 4.3. – ДН в горизонтальной плоскости.
5 Расчет рупорного облучателя.
Широкое применение в качестве облучателя линзы получили секторные
рупоры. Диаграмму направленности такого облучателя можно менять, подбирая
размеры раскрыва рупора. Диаграмма направленности секторного рупора
рассчитывается по формуле излучения из открытого конца волновода с
размерами, соответствующими размерам рупора.
В горизонтальной плоскости уже сформирована ДН, необходимо
сформировать ее в вертикальной плоскости, тогда вид рупора примет вид
изображенный на рисунке 5.1.
D
2α
h
R
Рисунок 5.1. – Рупорный облучатель
10
В вертикальной плоскости формула для волны Н10 имеет вид:
D
cos(
sin  )

F ( )  cos
2
 2 D

1 
sin  
 

где: D – размер раскрыва рупора;
(5.1)
 - длина волны;
 - угол, отчитываемый от нормали к раскрыву рупора.
Решить уравнение (5.1) относительно раскрыва рупора, задавшись F ( ) ,
можно только графо-аналитическим способом. Поэтому рекомендуется задаться
размером раскрыва и вычислить значение поля для угла  max . По заданию ДН в
вертикальной плоскости должна быть 20 градусов.
Для этого в MathCad строим ДН для различных D пока она не будет
соответствовать заданной.
Получили D=100 мм.
1
0.95
0.9
F( )
D( )
0.85
0.8
0.75
0.7
0
5
10

15
20
180

90
120
60
0.8
0.6
150
30
0.4
0.2
F( ) 180
0
0
210
330
240
300
270

Рисунок 5.2. – ДН в вертикальной плоскости.
11
Ширина рупора:
(5.2)
hdN
где: d – расстояние между щелями ВЩР, d=19;
N – число щелей ВЩР, N=54.
h  19  57  1026 мм.
Длина рупора R определяется из выражения фазовой ошибки на краях
рупора:
 D2
(5.3)
 max 
4 R
Зададимся максимально допустимой фазовой ошибкой:
 3
(5.4)
 max  
2 4
т.к. при этих значениях диаграмма рупорного облучателя мало искажается в
пределах главного лепестка.
Тогда

D2
(5.5)
R
4   3 
  
2 4 
R  200 мм.
Параметры рупора R, D и  связаны простой геометрической зависимостью:
D
(5.6)
tg 
2R
D
  arctg
 19 0
2R
Заключение
В ходе проделанной курсовой работы были получены следующие
результаты.
Щелевой мост:
- ширина щели щелевого моста l=27.8 мм, что обеспечивает развязку по
поляризации -35.5 дБ.
Волноводно-щелевая решетка:
- расстояние между щелями d=19 мм.;
- количество щелей N=54;
- ширина щели d=3 мм.;
- длина щели 2l=13.3 мм.
- смещение щели x  6 мм.
- ДН в горизонтальной плоскости 2 0.5  1.50
Рупорный излучатель:
- размер раскрыва рупора D=100 мм.;
- ширина рупора h  1026 мм.
- длина рупора R=200 мм.;
- ДН в вертикальной плоскости 2 0.5  20 0
12
Список литературы:
1. Воскресенский Д.И., Степаненко В.И., Филиппов В.С. и др. Устройства
СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. – М.:
Радиотехника, 2003. – 632 с.: ил.
2. Кашин А.В. Методы проектирования и исследования волноводно-щелевых
антенных решеток. – М.: Радиотехника, 2006.
3. Бененсон Л.С. Антенные решетки. Методы расчета и проектирования. –
М: Советское радио, 1966.
4. Чернушенко А.М. Конструирование экранов и СВЧ-устройств. – М.:
Радио и связь, 1990.
5. Ардабьевский А.И., Воропаева В.Г., Гринева К.И. Пособие по расчету
антенн СВЧ. – М.: Оборонгиз, 1957.
13