Расчет основных размеров антенны - Курсовая работа

Антенны в виде открытого конца волновода обладают слабой направленностью, и их коэффицент усиления находится обычно в пределах 6-7 ДБ. Однако, если угол раскрытия рупора не слишком велик, то волны всех типов, кроме основного, быстро затухают в области горловины рупора, а по рупору будет распростаняться только колебания основного типа. Эти рупоры позволяют сужать диаграмму направленности как в просткости Н, так и в плоскости Е. Вследствие этого отражение волны от раскрыва незначительно - рупор согласовывает волновод с открытым пространством. С другой стороны, в плоскостях E и Н следует: и Откуда размеры рупора для осуществления стыковки связаны следующим соотношением: Расстояние от раскрыва до горловины найдем по формуле: Качество антенн характеризуется коэффициентом усиления антенны, равным произведению коэффициента направленного действия (КНД) на коэффициент полезного действия (КПД) антенны.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.

Антенна - часть радиоустановки, служащая для излучения радиоволн при передаче или для улавливания их на приеме.

На дециметровых или более коротких волнах широкое применение находят рупорные антенны и, в частности в виде открытого прямоугольного или круглого волновода. Излучатели этого типа используются самостоятельно, а также как облучатели линзовых и зеркальных антенн.

Антенны в виде открытого конца волновода обладают слабой направленностью, и их коэффицент усиления находится обычно в пределах 6-7 ДБ. Такие антенны чаще всего используют в качестве элементов фазированных антенных решеток, в облучателях простейших параболических антенн, а так же в качестве слабонаправленных антенн летательных аппаратов.

В горле рупора, то есть в месте его соединения с волноводом, все же возникают высшие типы волн. Однако, если угол раскрытия рупора не слишком велик, то волны всех типов, кроме основного, быстро затухают в области горловины рупора, а по рупору будет распростаняться только колебания основного типа. Наряду с H секториальными применяют E секториальные рупоры, расширяющиеся в плоскости вектора E. Ширина диаграммы направленности в плоскости H - E секториального рупора такая же, как и у открытого конца волновода, а в плоскости Е ширина луча с увеличением размера b уменьшается, если угол раствора взят достаточно малым.

Наиболее широко применяются пирамидальные рупоры спрямоугольным поперечным сечением (рис. 1). Эти рупоры позволяют сужать диаграмму направленности как в просткости Н, так и в плоскости Е. В пирамидальном рупоре образуется сферическая волна, фазовая скорость которой является переменной и у открытого конца приближается к скорости света. Вследствие этого отражение волны от раскрыва незначительно - рупор согласовывает волновод с открытым пространством. ДН пирамидального рупора мало отличаются от ДН синфазного прямоугольного раскрыва.

Рис.1. Пирамидальный рупор.

Помимо рупоров прямоугольного поперечного сечения находят применение рупоры круглого сечения, а именно конические рупоры. Они образуются путем расширения открытого конца круглого волновода, возбуждаемой волной . Излучение конического рупора аналогично излучению пирамидального рупора, и он также имеет оптимальные размеры, которые можно рассматривать как средние между размерами оптимальных Е и Н плоскостных рупоров.

Достоинствами рупорных антенн являются простота и неплохие диапазонные свойства. Практически все оптимальные и более длинные рупоры могут быть использованы во всей рабочей полосе частот питающего волновода. Самостоятельно рупорные антенны чаще всего применяются в измерительных установках, например как эталонные антенны с известным коэффицентом усиления. Кроме того, рупоры широко применяются для облучения зеркальных и линзовых антенн, а также в конструкциях антенн других типов, например импедансных. [1]

1. Расчет элементов конструкции антенны

1.1 Выбор геометрических размеров рупорной антенны

Выбор размеров рупорной антенны начинают с выбора размера стандартного волновода, питающего рупор. Выбор размеров прямоугольного волновода производится исходя из условия режима работы с волной основного типа .

Выбираем волновод R100.

Тип волновода. Диапазон, Ггц. Размеры сечения, мм Затухание, ДБ/м

R100 От До а b F, ГГЦ ?

8,2 12,5 22,86 10,16 9,84 0,11

1.2 Определение типа возбуждающего устройства, расчет его размеров

Подберем расстояние до закорачивающей стенки волновода .

где

Выбираем коаксиальный кабель РК 50-7-16.

Тип кабеля С пф/м W Ом Затухание МНП на 1 м на f МГЦ Uраб КВ

100 300 1000 3000

РК 50-7-16 96 52 10 17 36 74 1,5

=1,963

Высоту штыря h находим по формуле:

= 0,626 см.

Определяется длина волновода от возбуждающего штыря до горловины рупора по формуле:

1.3 Определяем размеры раскрыва пирамидального рупора

Размеры раскрыва пирамидального рупора находим по следующим формулам: в плоскости вектора Е в плоскости вектора Н

Отсюда:

1.4 Определение длины рупора

Длину рупора характеризуют два размера: h-расстояние от раскрыва до горловины рупора, одинаковое в плоскостях Е и Н.

-расстояние от раскрыва до точки, в которой сходятся ребра пирамидального рупора в плоскостях Е и Н соответственно.

При выборе длины пирамидального рупора следует обеспечить два условия: 1) Допустимую фазовую ошибку в раскрыве;

2) Правильную стыковку рупора с питающим волноводом.

Известны необходимые соотношения для определения длины рупора в плоскостях Е и Н:

;

С другой стороны, в плоскостях E и Н следует: и Откуда размеры рупора для осуществления стыковки связаны следующим соотношением:

Расстояние от раскрыва до горловины найдем по формуле:

Качество антенн характеризуется коэффициентом усиления антенны, равным произведению коэффициента направленного действия (КНД) на коэффициент полезного действия (КПД) антенны.

Для секториальных рупоров длина может быть определена из выражения:

Где: L - значение стороны раскрыва;

?R -допустимая разность хода лучей в Е плоскости - ; В H плоскости -

Для пирамидальных рупоров, кроме того, при выборе длины следует обеспечить правильное сопряжение рупора с волноводом. Размеры рупора при этом находятся с учетом следующего соотношения: .

Таким образом, для пирамидальных рупоров длина должна выбираться с учетом двух соотношений. Поэтому при допустимой фазовой ошибке длина рупора должна удовлетворять одновременно двум неравенствам: и

Выбирается большее из этих значений R=71 см.

2. Расчет диаграммы направленности

Диаграмма направленности - графическое представление зависимости коэффициента усиления антенны или коэффициента направленного действия антенны от направления антенны в заданной плоскости.

Если полагать, что поле в раскрыве рупора синфазно, а амплитудное распределение такое же, как и у поля в поперечном сечении питающего волновода, то диаграммы направленности (по полю) пирамидального рупора могут быть рассчитаны по формулам:

Рассчитанные значения диаграмм направленности приведем в таблице 1.

Таблица 1.

Диаграмма направленности пирамидального рупора в плоскости E.

Диаграмма направленности пирамидального рупора в плоскости H.

3. Расчет фидерного тракта антенны

Определим потери в регулярной части линии передачи. Выберем длину коаксиальной линии передачи l= 20м.

В качестве линии передачи возьмем коаксиальный кабель РК 50-7-16.

Тип кабеля С пф/м W Ом Затухание МНП на 1 м на f МГЦ Uраб КВ

100 300 1000 3000

РК 50-7-16 96 52 10 17 36 74 1,5

Из таблицы приложения найдем погонное затухание для выбранного типа кабеля на 100 МГЦ: Для расчета необходимо перевести затухание из Нп в ДБ: Регулярные потери будут равны:

Определим потери в функциональных узлах линии. Так как предполагается применить только два разъемных соединения, то потери будут равны:

где прямые потери в разъемах.

Определим прямое затухание фидерного тракта:

Вычислим максимальное значение ожидаемого с вероятностью 0,95 суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи:

Рассчитаем КПД линии передачи. Для этого переведем Нп в ;

=

Определим КПД антенно - фидерной системы:

Определяем мощность передатчика:

4. Конструктивная часть

Конструкция рупорной антенны состоит из двух вертикальных и двух горизонтальных стенок раскрыва, фланца и радиопрозрачного обтекателя. Горизонтальные и вертикальные стенки раскрыва вырубаются из листовой латуни Л62 толщиной 2мм. Обтекатель изготавливается из ударопрочного литьевого полистирола УПМ 0703 литьем под давлением.

Рупорная антенна состоит из рупора и волновода. Генератор, питающий антенну, имеет волноводный выход, фидерный тракт выполнен в виде прямоугольного волновода с волной . Волноводный фидер непосредственно переходит в волновод, возбуждающий рупор.

Схема рупорной антенны.

Сборка рупорной антенны осуществляется пайкой. Для соединения деталей из латуни ведут и использованием твердого припоя ПСР-45. Он имеет высокую механическую прочность, низкое удельное сопротивление, устойчив к воздействию окружающей среды. Предел прочности такого соединения составляет 28-33 . В качестве флюса используется смесь 80% - 90% буры с 10-20% хлористого цинка. После пайки флюс удаляют, промывая сборочную единицу в горячей воде волосяными щетками. Пайку производят в печах с защитно-восстановительной атмосферой. Такой метод позволяет уменьшить деформацию спаиваемых соединений и паять сразу все швы рупора. Процесс ведется в такой последовательности. Отожженные и тщательно обезжиренные детали собираются на оправках, их взаимно фиксируют приспособлениями из нержавеющей стали Х18Н19Т, чтобы избежать припаивания приспособлений к сборочным деталям. Припой накладывается на места пайки в виде проволоки диаметром 1мм, после чего сборка помещается в печь, нагретую до температуры , которую затем поднимают до рабочей. Время выдержки - 20 минут. Остывание сборки до ведется в защитно-восстановительной среде.

5. 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.

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.

Размещено на .ru