Волноводно-щелевая антенна

 

 

Определим входную проводимость для каждой щели антенны по формуле

 

.      (3.19)

 

Результаты расчетов занесем в таблицу 3.2.

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.2 — Результаты расчета проводимости щелей

n	Gn	Gn вх	Gn / Gn вх	n	Gn	Gn вх	Gn / Gn вх
1	0,0064	0	0	19	0,0082	0,5468	0,0149
2	0,0044	0,0064	0,6932	20	0,0044	0,555	0,008
3	0,0082	0,0108	0,755	21	0,0064	0,5594	0,0114
4	0,0135	0,019	0,7155
5	0,0205	0,0325	0,6307
6	0,0287	0,053	0,5421
7	0,0375	0,0817	0,4593
8	0,0459	0,1192	0,3853
9	0,0529	0,1651	0,3205
10	0,0527	0,218	0,2639
11	0,0148	0,2755	0,0537
12	0,0527	0,2903	0,1982
13	0,0529	0,3478	0,1521
14	0,0459	0,4007	0,1146
15	0,0375	0,4466	0,084
16	0,0287	0,4841	0,0594
17	0,0205	0,5128	0,04
18	0,0135	0,5333	0,0253

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3. Расчет коэффициента полезного действия, коэффициента усиления, коэффициента направленного действия и построение ДН антенны

 

При определении КПД  антенн с чебышевскими характеристиками необходимо учитывать неравномерное  распределение тока вдоль антенны. Поэтому, КНД такой антенны меньше, чем у антенны с равномерным  распределением. Два эти коэффициента связаны следующим образом [2]

 

,      (3.20)

 

где v_P — коэффициент, зависящий от распределения тока, D₀ — КНД антенны с равномерным распределением.

 

.

 

Коэффициент v_P определяется по формуле

 

,     (3.21)

где .

;

 

.

 

 

Коэффициент полезного  действия антенны согласно методике, предложенной в [2] определяем по формуле

.      (3.22)

 

Определим КПД

 

.

 

Зная КПД и КНД, можем  определить коэффициент усиления антенны

 

       (3.23)

Подставим полученные данные в (3.23)

 

 

Таким образом, КУ приблизительно равен КНД, что согласуется с теоретическими выводами для резонансных щелевых антенн.

Диаграмма направленности антенны [2] в Н-плоскости определяется формулой

 

  (3.24)

 

График ДН на центральной частоте диапазона f₀=6 ГГц представлен на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 — ДН волноводно-щелевой  антенны в Н-плоскости на центральной  частоте f₀=6 ГГц

 

По условию задана относительная величина диапазона  рабочих частот . Отсюда следует, что нижняя боковая частота рабочего диапазона , а верхняя боковая частота рабочего диапазона .

Построим ДН в Н-плоскости  для верхней и нижней боковых  частот рабочего диапазона. Полученные графики изобразим на рисунках 3.5 и 3.6 соответственно.

 

Рисунок 3.5 — ДН волноводно-щелевой антенны в Н-плоскости на нижней боковой частоте f₁=5,7 ГГц

 

Рисунок 3.6 — ДН волноводно-щелевой  антенны в Н-плоскости на верхней  боковой частоте f₂=6,3 ГГц

 

Для построения диаграммы  направленности антенны в E-плоскости воспользуемся формулой [4]

 

      (3.25)

Изобразим полученную ДН в E-плоскости на рисунке 3.7.

 

Рисунок 3.7 — ДН волноводно-щелевой  антенны в E- плоскости

 

. Построение  системы питания антенной решетки

 

Существуют три способа  электрического сканирования: фазовый, амплитудный и частотный.

Для обеспечения заданных фазовых сдвигов можно пользоваться последовательным или параллельным питанием решетки. Для обеспечения  синфазного возбуждения решетки  наиболее приемлем и прост в реализации  параллельный способ питания.

В данной конструкции  параллельное питание нетрудно обеспечить при помощи коаксиально-волноводного перехода и Н-тройника. При этом произойдет равномерное разделение подводимой мощности между волноводами и  будет соблюдено условие равенства фаз. Возбуждение волновода будет производиться при помощи штыря. Регулировка согласования производиться в таких случаях при помощи подвижного короткозамыкающего поршня.

Для коаксиально волнового  перехода используется устройство зондового  типа в виде несимметричного штыря, расположенного параллельно электрическим силовым линиям. Специально подбирая длину штыря и расстояние до закорачивающей стенки можно обеспечить требуемое согласование. Диэлектрическая шайба, фиксирующая положение штыря в волноводе, является деталью коаксиального соединения. Диаметр наружного проводника около шайбы увеличивается для того, чтобы сохранить волновое сопротивление в области, заполненной диэлектриком.

Входное сопротивление  штыря в волноводе, как и несимметричного  вибратора, в свободном пространстве, является величиной в общем случае комплексной. Активная часть сопротивления зависит в основном от длины штыря, реактивная — от длины и толщины. В отличие от свободного пространства входное сопротивление штыря зависит от структуры поля в волноводе вблизи штыря.

Расстояние от штыря  до короткозамыкателя рекомендуется  брать равным .

Как правило, для согласования в конструкциях должны использоваться два органа регулировки, например высоты штыря и положения закорачивающей стенки. В данном случае для упрощения конструкции можно ограничиться одной регулировкой и допустить незначительное рассогласование в коаксиале.    

Для обеспечения наилучшей  связи действующая длина штыря  в волноводе должна быть максимальной. Связь физической и действующей длины описывается формулой [3]

 

,   (4.1)

 

где — расстояние от короткозамыкателя до возбуждающего штыря; a и b — размеры поперечного сечения волновода.

Для обеспечения согласования коаксиальной линии с волноводом необходимо чтобы реактивная составляющая входного сопротивления была равна нулю. Активную составляющую входного сопротивления можно считать равной сопротивлению излучения штыря в волноводе R_S. Она должна быть равной волновому сопротивлению  фидера.

 

.

 

Сопротивление излучения  штыря  в прямоугольном волноводе  в режиме бегущей волны определяется следующим соотношением

 

,

 

где — положение штыря на широкой стенке волновода; — волновое сопротивление волновода.

При длине штыря  сопротивление излучения штыря .

Таким образом, возьмем  , .

Так как мы используем четыре волновода, то надо выбрать способ их соединения. Соединим волноводы попарно с помощью двух H-секториальных рупоров. А эти два рупора объединим при помощи H-тройника. Общий вид используемого рупора изображен на рисунке 4.1.

 

Рисунок 4.1 — H-секториальный рупор

 

Таким образом, из рисунка 4.1 видно, что сторона , т.к. рупор должен захватывать широкие стенки двух волноводов. Найдем величину по формуле

 

  ;       (4.1)

.        (4.2)

 

Подставим численные  значения в формулу (4.2), получаем

 

;

.

 

Таким образом, величина .