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 2n 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) hdN 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