Волноводно-щелевая антенна нерезонансного типа - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника курсовая работа

Основные преимущества волноводно-щелевых антенн для излучения энергии во внешнее пространство. Описание принципиальной конструкции и структурного построения проектируемого устройства. Материалы и расчет основных и вспомогательных конструктивных элементов.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
по курсу: «Антенны и устройства СВЧ»
Волноводно-щелевая антенна нерезонансного типа
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.
Волноводно-щелевая антенна не резонансного типа имеет следующие параметры:
- Питание - коаксиальный кабель с Zв=100 Ом;
- Ширина полосы пропускания не менее 20?.
2. Выбор конструкции и структурного построения проектируемого устройства
За основу для построения волноводно-щелевой антенны нерезонансного типа возьмем прямоугольный волновод с волной основного типа Н 10 . 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 х 1 =0 и возрастает при увеличении смещения х 1 .
Поперечная щель II возбуждается продольными токами. Интенсивность возбуждения уменьшается при смещении от средней линии. При х 1 =0 излучение максимально.
Наклонная смещенная щель III пересекается как продольными, так и поперечными токами. При х 1 =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 Н 10 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 d 1 =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
Условие существования волн в прямоугольном волноводе:
где - критическая длина волны в волноводе,
a, b - размеры волновода, - длины ближайших высших типов волн. Основной волной в прямоугольном волноводе является волна Н 10 (m=1, n=0).
Ближайшими высшими типами волн являются волны Н 20 и Н 01 .
Из заданного диапазона частот 10-11 ГГц выбираем за рабочую частоту f=10.5 ГГц.
Рабочую длину волны находим из формулы
где с=3·10 8 м/с - скорость света в вакууме =2.86см
Из (4.7) находим размеры волновода:
Применяем стандартный волновод сечением 2.31см.
Частотный диапазон работы волновода:
Длина волны в волноводе имеет значение:
Волновое сопротивление находится по формуле:
Найдем предельно пропускаемую мощность:
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.
Коэффициент затухания основной волны в волноводе рассчитывается по формуле:
где - проводимость материала стенок (меди).
Подставив численные значения, имеем:
Толщина стенок волновода выбирается из условия
Для увеличения прочности стенок волновода и для удобства изготовления выбираем t=0.1мм .
4.2 Расчет волноводно-щелевой антеннынерезонансного 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:
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:
где - нижняя граница диапазона длин волн.
Подставив численные значения, получим:
Для обеспечения заданной ширины ДН возьмем:
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:
Приближенная формула нормированной проводимости имеет вид:
где х 1 - смещение центра щели относительно середины широкой стенки волновода.
Для того, чтобы в возбуждающем антенну волноводе установился режим бегущих волн, должно выполняться условие:
Подставляя численные значения, получаем: х 1 =0.379 см.
Ширина щели выбирается исходя из условий обеспечения необходимой электрической прочности и требуемой полосы пропускания.
При выборе ширины щели d 1 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:
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:
где Р - подводимая к антенне мощность
Подводимая мощность выбирается из диапазона, рассчитанного выше
Внешняя проводимость излучения щели в волноводе находится по формуле:
где - сопротивление излучения симметричного эквивалентного вибратора, которое находится из формулы (при условии, что длина вибратора ):
где lg - действующая длина вибратора.
Подставляя в (4.23) формулы (4.24) и (4.25), получим
С учетом выше приведенных формул, имеем
Т.к. щель закрыта диэлектрической пластиной из фторопласта, то её электрическая прочность увеличивается, вместо Е пр для воздуха следует подставить Е пр для фторопласта:
5. Расчет параметров и характеристик спроектированного устройства
Нормированная ДН линейной решетки излучателей может быть записана в виде:
- множитель антенной решетки, зависящий от числа щелей в антенне.
Нормированная амплитудная ДН одиночной щели находится по формуле:
Множитель антенны в случае равномерного амплитудного и линейного фазового распределения по длине решетки имеет вид:
Подставив (5.2) и (5.3) в (5.1), получим:
Результаты вычислений приведены в таблице 1:
Смещение главного максимума ДН относительно нормали к широкой стенке волновода определяется по формуле:
На графике ДН построена в зависимости от .
ель, прорезанная в волноводе, имеет однонаправленное излучение. Поэтому ДН антенны рассчитана в секторе углов от -90 0 до 90 0 , 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:
- угол между нормалью к поверхности антенны и направлением в точку наблюдения.
Результаты вычислений приведены в таблице 2:
Коэффициенты направленного действия волноводно-щелевых антенн ориентировочно рассчитывается по формуле:
КПД нерезонансной антенны определяется по формуле:
где Р 0 - мощность на входе антенны
- коэффициент затухания, рассчитанный по формуле (5.13):
Ширина ДН по уровню 0.5 (таблицы 1 и 2):
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.
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.
Диаграмма направленности антенныв плоскости Е
Диаграмма направленности антенныв плоскости Н
Общая характеристика антенной решетки, состоящей из ряда волноводно-щелевых или волноводно-вибраторных антенн. Расчет антенной системы и сигнала на входе приемника. Измерение параметров антенны. Электромагнитная совместимость волноводно-щелевых решеток. курсовая работа [510,5 K], добавлен 16.10.2014
Ограниченность диапазонных свойств как недостаток в волноводно-щелевых антеннах. Расчет поперечного сечения волновода. Определение количества щелей в антенне. Расчет волноводно-щелевой решетки. Геометрические размеры антенны и ее излучающих элементов. курсовая работа [465,6 K], добавлен 18.04.2015
Линейная (плоская) многоэлементная волноводно-щелевая антенна (ВЩА): излучающие элементы, разновидности, назначение. Основные параметры щели в волноводе. Антенны доплеровского измерения скорости и угла сноса самолета. Расчёт и конструкция решетки ВЩА. курсовая работа [1,2 M], добавлен 21.03.2011
Сравнительный анализ антенных устройств: вибраторные, щелевые, волноводно-рупорные, поверхностных волн, спиральные, линзовые, зеркальные. Расчет волноводно-щелевой приемной антенны для системы спутникового непосредственного телевизионного вещания. курсовая работа [240,5 K], добавлен 07.05.2011
Расчет геометрических размеров раскрыва и параметров амплитудно-фазового распределения возбуждения поля на раскрыве волноводно-рупорной антенны. Нормированная амплитудная диаграмма направленности и максимальный коэффициент направленного действия. курсовая работа [1,0 M], добавлен 12.08.2013
Щелевые волноводные антенны, выполненные на основе прямоугольного, круглого, змейкового, спирального и других типов волноводов. Выбор размеров волновода. Расчет антенной решетки: длина антенны и проводимость одной щели, диаграмма направленности. курсовая работа [1,3 M], добавлен 11.01.2008
Анализ распространения радиоволн. Расчет волноводно-щелевой антенной решетки резонансного типа, направленность в плоскости Н. Исследование фазовой характеристики антенны. Параметры передачи и приема. Воздействие электромагнитных излучений на организм. курсовая работа [460,7 K], добавлен 05.06.2012
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Волноводно-щелевая антенна нерезонансного типа курсовая работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Курсовая работа по теме Некоторые вопросы совершенствования обеспечения безопасности потерпевших в уголовном судопроизводстве
Учебное пособие: И инженерное оборудование
Сочинение Про Осень По Картине Поленова
Реферат по теме Экономико-географическая характеристика Французской республики
Реферат На Тему Ионно-Парная Хроматография
Глоссарий по информатике
Входная Контрольная Работа По Русскому 5 Класс
Реферат: Анатомия системы кровообращения. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая работа по теме Роль М.М. Сперанского в совершенствовании систем государственного управления России
Создание Курсового Проекта
Реферат: Социология конфликтов 3
План Сочинения Образ Маши Троекуровой
Отчет По Практике По Бухгалтерской Отчетности
Контрольная работа по теме Консервирование продуктов и оценка качества консервов
Право На Обращение Реферат
Курсовая Работа На Тему Економічний Розрахунок Деталі Паз
Реферат по теме 'Метафизика пола' В.В. Розанова
Реферат: Деятельность Public Relations
Реферат На Тему Амортизируемое Имущество
Эссе Вятский Край Моя Малая Родина
Роль Русской Православной Церкви в Российском государстве в середине ХVI в. - История и исторические личности реферат
Фонетические и лексические особенности английского языка на Ямайке - Иностранные языки и языкознание реферат
Морфологическая характеристика масличных плодов и семян - Биология и естествознание реферат