Волноводно-щелевая антенна

Министерство образования  и науки Украины

Севастопольский национальный технический университет

 

 

 

Факультет Радиоэлектроники

Кафедра Радиотехники

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине «Антенные  системы»

на тему «Волноводно-щелевая антенна»

 

 

 

 

Выполнил: студент группы Р-43д

Бильданов Р.А.

Руководитель  проекта:

д.т.н., профессор

Лобкова Л.М.

 

 

                                        Защищен с оценкой

                                        _________________

                                                             «___»____________

 

 

 

 

 

 

 

 

Севастополь

2008

 

Содержание

 

Введение ...………………………………………………………………
1. принцип действия и основные характеристики проектируемой антенны ………………………………………
1.1. Обзор разработок антенн данного класса…………………………
1.2. Описание геометрии антенны……………………………………...
1.3.  Методика расчета диаграммы направленности ……………….
1.4. Выводы……………………………………………………………..
2. методика расчетов характеристик антенны ……...
2.1. Выбор геометрических параметров антенны ……………………
2.2. Методика расчета коэффициента направленного действия и коэффициента усиления ………………………………………………….
2.3. Методика расчета входного сопротивления антенны……………
3.  рассчет характеристик антенны……………………….
3.1. Расчет диаграммы направленности.………………………………
3.2. Расчет входного сопротивления антенны………………………...
3.3. Расчет  коэффициента направленного действия  и коэффициента усиления……………………………………………………………………
4. РАЗРАБОТКА  КОНСТРУКЦИИ АНТЕННЫ……………………..
4.1. Описание  конструкции антенны………………………………….
4.2. Расчет схемы  деления мощности………………………………….
4.3. Расчет согласующих и симметрирующих устройств……………
Заключение
библиографоческий список
чертеж общего вида

 

исходные  данные разрабатываемой антенны

 

Согласно техническому заданию требуется разработать  волноводно-щелевую антенну со следующими техническими характеристиками:

 

• =5⁰— значение ширины ДН по уровню половинной мощности в H-плоскости;
• =20° — значение ширины ДН по уровню половинной мощности в E-плоскости;
• f₀= 6 ГГц — среднее значение рабочей частоты;
• =0,05 — относительная величина диапазона рабочих частот;
• =40 кВт — излучаемая в импульсе мощность;
• =0,1 мкс — длительность импульсов;
• =3 кГц — частота повторения импульсов;
• =0° — направление главного максимума ДН;
• УБЛ=-30 дБ — уровень боковых лепестков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Антенно-фидерное устройство, обеспечивающие прием и излучение радиоволн, является неотъемлемой частью любой  радиотехнической системы. К антенне  предъявляется ряд технических  требований, вытекающих из назначения радиосистемы, в которой она применяется. Условия размещения и работы антенны влияют на ее характеристики. Реализуемость требуемых направленных, частотных, энергетических и других характеристик антенны во многом определяется рабочим диапазоном волн. В диапазоне СВЧ антенны обеспечивают остронаправленное излучение с шириной луча в единицы и доли градусов и коэффициент усиления, достигающий десятки и сотни тысяч. Эти направленные свойства позволили использовать антенну не только для излучения и приема радиоволн, борьбы с помехами, обеспечения скрытности работы и для других целей.

В настоящее время  получили широкое распространение  остронаправленные сканирующие  антенны СВЧ. Сканирование позволяет  осуществлять обзор окружающего  пространства, сопровождение движущихся объектов и определения их угловых координат. При механическом сканировании, которое выполняется вращением всей антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при существующих в настоящее время скоростях летательных аппаратов оказывается недостаточной. Применение антенных фазируемых решеток для построения остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства, что способствует увеличению объема информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн в окружающем пространстве.

В технике СВЧ в  качестве излучающих элементов или  самостоятельных антенн широко используются щели. При этом в основном они  применяются в волноводах, хотя могут  использоваться и  в металлических  пластинах и в фольге, возбуждаясь при этом с помощью полосковых линий.

Волноводно-щелевые антенны, получающиеся при прорезании щелей  в волноводах, являются одним из видов линейных многоэлементных  антенн и обеспечивают сужение диаграммы  направленности в плоскости, проходящей через ось волновода.

Можно отметить основные достоинства волноводно-щелевых  антенн:

• ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность волноводно-щелевой антенны может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления;
• в таких антеннах могут быть реализованы оптимальные диаграммы направленности, так как распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателей с волноводом;
• щелевая антенна имеет сравнительно простое возбуждающее устройство, кроме того, она проста в эксплуатации.

Недостатком волноводно-щелевых  антенн является ограниченность диапазонных  свойств. При изменении частоты  в нескаирующей волноводно-щелевой  антенне происходит отклонение луча в пространстве от заданного положения, сопровождающееся изменением ширины диаграммы направленности и её согласования с питающим фидером.

 

1.1. Обзор разработок антенн данного  класса

В настоящее время  ведутся интенсивные разработки в области совершенствования известных и создания новых типов антенных решеток, которые все шире применяются как в различных военных, так и в новых коммерческих приложениях. Среди этих приложений важное место занимают различные модификации волноводных и волноводно-щелевых антенных решеток, что связано с их преимуществами.

В частности, для выполнения комплекса предельно высоких  требований, предъявляемых к бортовым фазированным антенным решеткам (ФАР) для истребительной авиации, в были разработаны ФАР волноводных излучателей с волноводной распределительной системой. Для этих антенн характерны высокие значения коэффициента использования поверхности (КИП>0.5), низкий уровень боковых лепестков в широком секторе сканирования, высокая электрическая прочность. Такие многофункциональные решетки, устанавливаемые в носовой части самолета, пришли на смену зеркальным и волноводно-щелевым АР с механическим сканированием. По своей энергетической эффективности ФАР с волноводной распределительной системой вплотную приблизились к зеркальным и волноводно-щелевым антеннам с механическим сканированием, обеспечивая радару радикальные преимущества за счет свойств электронного управления лучом. Одной из тенденций, наблюдаемых в развитии антенн КВЧ диапазона для коммерческих приложений, является поиск альтернативы зеркальным антеннам. Для этого требуются компактные плоские антенны с высоким коэффициентом усиления, пригодные для массового производства. К числу таких приложений относятся, в частности, высокоскоростные локальные беспроводные сети связи (LAN) (диапазон 60 ГГц), автомобильные радары (диапазон 60-80 ГГц), радиорелейные системы связи диапазона 20 ГГц для соединения базовых станций мобильной связи, системы спутниковой связи и

вещания диапазона 20-50 ГГц  и др.

В данный момент разработаны компактные конструкции остронаправленных несканирующих волноводно-рупорных АР с волноводной схемой питания для систем связи диапазонов 39 ГГц и 58 ГГц. Другим перспективным классом антенн в решении данной проблемы являются волноводно-щелевые АР. Еще одно из перспективных применений волноводно-щелевых решеток – это излучатели в составе активных ФАР многофункциональных космических радиолокационных комплексов с синтезированной апертурой.

Развитие современных  бортовых радиоэлектронных систем приводит к

необходимости многолучевой работы, расширения сектора сканирования и рабочей полосы, выполнения ряда функций (совмещенная работа систем связи, радиолокации, госопознавания, радиоэлектронной борьбы и др.). Перспективным  с этой точки зрения является разработка различных выпуклых АР, в т.ч. цилиндрических. Реализация многолучевых режимов работы с независимым управлением положением, уровнем и фазой лучей представляет также существенный практический интерес, например, в условиях многолучевого приема одной антенной, в задачах радиоэлектронной борьбы и др.

Разработка волноводных  и волноводно-щелевых АР с высокими электрическими параметрами в качестве необходимого этапа включает их электродинамическое  моделирование.

Во многих случаях  на практике АР имеет диэлектрическое покрытие, которое используется для защиты от внешних воздействий, а также для улучшения согласования при сканировании. Как было установлено, применение многослойных обтекателей антенн, в т.ч. с непрерывным изменением показателя преломления, позволяет обеспечить функционирование антенны в широком частотном диапазоне. Однако влияние конечных многослойных диэлектрических покрытий на характеристики волноводных АР пока недостаточно исследовано.

Методам электродинамического анализа различных типов волноводно-

щелевых АР посвящено  очень много работ. Однако большая  часть известных подходов основана на использовании тех или иных упрощающих предположений, которые  сужают область применения этих моделей  и их точность. В последнее время  все большее внимание уделяется созданию строгих электродинамических моделей волноводно-щелевых АР.

Таким образом, актуальной является разработка строгих электродинамических методов решения трехмерных задач анализа конечных волноводных и волноводно-щелевых АР. Это имеет фундаментальное значение для создания АР рассматриваемого класса с высокими электрическими параметрами. Большой теоретический и практический интерес представляет также создание электродинамических моделей цилиндрических волноводных АР и реализация многолучевых режимов работы АР.

Возросший за последнее  время уровень требований к электрическим  параметрам разрабатываемых частотно-селективных  и распределительных волноводных  устройств СВЧ и КВЧ диапазонов, а также существенный прогресс в  области технологий изготовления этих устройств ставит качественно более сложные задачи в области их моделирования.

Большой практический интерес  представляют различные компоненты на волноводах сложных сечений и  прямоугольных волноводах: волноводные  фильтры нижних частот на многогребневых секциях (вафельного типа) для многодиапазонных фидерных трактов наземных станций спутниковой связи; волноводные фильтры квазипланарного типа на гребневых секциях и Е-плоскостных диафрагмах, многощелевые направленные ответвители для систем связи миллиметрового диапазона; многоканальные делители мощности на Е-плоскостных шлейфах для диаграммообразующих устройств антенн с контурной диаграммой направленности; 90-градусные поляризаторы на квадратных волноводах для систем спутниковой связи и др.

При изготовлении пассивных волноводных компонентов для современной элементной базы СВЧ и КВЧ диапазона используются методы прецизионной механической и электроискровой обработки, элементы планарной технологии, LTCC-технология (применение низкотемпературной керамики), технология инжекционного литья (формовки) из пластмасс с последующей металлизацией и др.

В этой связи обязательным этапом в разработке волноводных  устройств является их электродинамическое  моделирование. Моделирование таких  устройств может быть выполнено  на основе универсальных численных

методов (метод конечных элементов, конечного интегрирования, конечных разностей во временной  области, метод R-функций  и др.), численно-аналитических  методов, гибридных (комбинированных) методов. Проигрывая численным методам в универсальности, численно- аналитические методы дают радикальный выигрыш в эффективности, обеспечивая высокую точность результатов при наименьших затратах времени на разработку. В тех случаях, когда построить численно-аналитическое решение невозможно, гибридные методы позволяют добиться наилучшего результата.

Это достигается выбором  наиболее эффективных методов решения  подзадач, на которые разделяется  решение исходной электродинамической  задачи. Исходя из этого, актуальной является разработка эффективных комбинированных и численно-аналитических методов электродинамического

анализа частотно-селективных  и распределительных устройств  на гребневых

и прямоугольных волноводах для современной элементной базы СВЧ и КВЧ