Исследование рупорных антенн

Размещено на http://allbest.ru

Отчет

по лабораторной работе

Исследование рупорных антенн

Введение

антенна рупорный конструкция

Цель работы: изучение конструкций рупорных антенн, снятие диаграмм направленности антенн, определение основных характеристик антенн.

1. Типы рупорных антенн

Рупорная антенна образуется путем плавного увеличения поперечных размеров волноводов. Если расширение прямоугольного волновода происходит только в одной плоскости, то получаемый, таким образом рупор, называют секториальным (рис. 1.1). При расширении волновода в -плоскости такой секториальный рупор называют -плоскостным (рис. 1.1, а), при расширении в -плоскости - -пло-скостным (рис. 1.1, б).

Для сужения ДН в обеих плоскостях применяют пирамидальный рупор, который образуется путем расширения волновода в обеих плоскостях (рис. 1.1, в и г). Если ребра пирамидального рупора сходятся в одну точку (рис. 1.1, б), то его называют остроконечным. Пирамидальный рупор, изображенный на рис. 1.1, г, называют клиновидным.

Расширение волновода в обеих плоскостях можно производить не одновременно, а последовательно. Получаемый в результате рупор называют комбинированным (рис. 1.1, д).

Рисунок 1.1 - Типы рупорных антенн: а - -плоскостной секториальный рупор; б - -плоскостной секториальный рупор; в - остроконечный пирамидальный рупор; г - клиновидный пирамидальный рупор; д - комбинированный рупор; е - конический рупор; ж - биконический рупор.

Расширяющийся круглый волновод образует конический рупор (рис. 1.1, е). Особенностью этих рупоров с волной типа Н₁₁ является то, что их ДН по форме приближается к поверхности тела вращения, что удобно при использовании их в качестве облучателей зеркал.

Биконические рупоры образуются двумя усеченными конусами, имеющими общую ось (рис. 1.1, ж). Ширина ДН в плоскости, содержащей ось, зависит от величины угла при вершине ко-нусов и высоты последних. Поляризация поля, создаваемого биконическим рупором, определяется типом возбуждающего устройства и может быть как вертикальной, так и горизонтальной.

1.1 Секториальные рупоры

Н-плоскостной секториальный рупор (рис. 1.1, а). Анализ типов волн в Н-плоскостном секториальном (рупоре показывает, что при возбуждении рупора волноводом поле в рупоре подобно полю в возбуждающем волноводе и ток имеет те же составляющие по ортогональным осям, но картина поля несколько деформирована в соответствии с изменением формы волновода. Так как размер широкой стенки волновода увеличивается, то фазовая скорость волны в рупоре непрерывно уменьшается, приближаясь к скорости в свободном пространстве. ДН раскрыва с квадратичной фазовой ошибкой при равномерном распределении амплитуды поля соответствует следующее выражение

, (1.1)

где - коэффициент фазы; , L = A; ; и - волновые сопротивления раскрыва и свободного пространства соответственно, а С(x) и S(x) - интегралы Френеля, равные:

; (1.2); . (1.3)

Для раскрыва с квадратичной фазовой ошибкой и косинусоидальным распределением амплитуды поля ДН можно рассчитать по формуле:

. (1.4)

где - коэффициент фазы; , ; ; и - волновые сопротивления раскрыва и свободного пространства соответственно; , С(х) и S(х) - интегралы Френеля, определяемые соотношениями (1.2), (1.3).

Необходимое для расчета максимальное значение квадратичной фазовой ошибки равно: .(1.5). Коэффициент в (1.4) характеризует скачок амплитуды поля на краю раскрыва в Н-плоскости и в этом случае равен единице. По формулам (1.1), (1.4) можно определить амплитуду напряженности поля, для чего следует вычислять модуль этих комплексных выражений. Однако вычисления по этим формулам трудоемки, и если нет необходимости в высокой точности, то ДН можно построить, пользуясь более простыми соотношениями (1.6) и (1.7), полагая Г = 0 и . ДН открытого конца волновода в Е-плоскости:

;(1.6)

Н-плоскости:

; (1.7)

где - коэффициент распространения в волноводе; - коэффициент фазы; a - размер волновода в плоскости Н; b - размер волновода в плоскости Е; Г - коэффициент отражения от открытого конца волновода.

Для рупоров эти соотношения будут тем более пригодны, чем меньше максимальная фазовая ошибка на краю рупора.

На рис. 1.2 приведены ДН Н-плоскостного секториального рупора в Н-плоскости. Эти кривые даны для различной величины максимальной фазовой ошибки в раскрыве рупора и справедливы для раскрывов с размерами более нескольких длин волн. Для размеров раскрыва менее длины волны полученное из рис. 1.2 значение относительной напряженности поля необходимо умножить на коэффициент .

КНД Н-плоскостного секториального рупора рассчитывается по формуле

;(1.8)

где ; ;С(х) и S(x) - интегралы Френкеля, равные: ;(1.9); .(1.10)

По формуле (1.8) построены графики, изображенные на рис. 1.3, которые позволяют определить КНД Н-плоскостного секториального рупора при заданных величине раскрыва и длине рупора. Следует иметь в виду, что величина КНД, полученная по формуле (1.8) или с помощью графиков, будет больше реального значения на 5 - 10 %.

Из рис. 1.3 видно, что при заданной длине рупора имеется такое значение размера раскрыва, при котором КНД максимален. Рупоры, которые при заданной длине R_H имеют максимальный КНД, называются оптимальными рупорами. При конструировании, как правило, стремятся получить оптимальный рупор, так как при уменьшении его длины КНД падает, а ее увеличение нежелательно из-за роста габаритов. Однако стремление к максимальному значению КНД рупора имеет смысл только тогда, когда рупор используется как самостоятельная антенна. В целом ряде случаев, например, при конструировании рупора, предназначенного для облучения зеркала или линзы, обеспечение максимального КНД не обязательно. В этом случае более важно получить такую ДН, которая обеспечивала бы правильное облучение зеркала или линзы. Получаем, что для оптимального H-плоскостного секториального рупора она приблизительно равна:

.(1.11)

Е-плоскостной секториальный рупор (рис. 1.1, б). Почти все замечания, сделанные выше относительно структуры поля в Н-плоскостном секториальном рупоре справедливы и для E-плоскостного секториального рупора. Отличие заключается в том, что квадратичный закон изменения фазы по раскрыву оказывается в Е-плоскости, а фазовая скорость в рупоре постоянна и равна фазовой скорости в волноводе, возбуждающем рупор. Последнее обстоятельство объясняется тем, что расстояние между боковыми стенками, которым параллелен вектор , остается постоянным. ДН в Е-плоскости может быть рассчитана по формулам для раскрыва с равномерным амплитудным распределением и квадратичным распределением фазы (формула (1.1)). В Н-плоскости распределение амплитуды поля косинусоидальное, а фазовое - постоянное, и ДН можно рассчитать с помощью формулы (1.7). Максимальная фазовая ошибка, величина которой необходима для расчета ДН в Е-плоскости, равна:

. (1.12)

С меньшей точностью ДН в Е-плоскости можно рассчитать по формуле (1.6), которая дает хороший результат при малой фазовой ошибке. На рис. 1.5 приведены ДН Е-плоскостного секториального рупора в Е-плоскости, которые будут справедливы для раскрывов с размерами в несколько длин воля. Для раскрывов с размером менее длины волны величину относительной напряженности поля следует умножить на коэффициент 0,5(1 +cos).

КНД E-плоскостного секториального рупора рассчитывают по формуле:

,(1.13),

где С(х) и S(x) - интегралы. Френкеля, определяемые выражениями (1.9), (1.10).

Зависимость КНД от размеров Е-плоскостных секториальных рупоров аналогичен приведенному на рис. 1.3. Наблюдается увеличение значения КНД при увеличении размера R_E по отношению к рабочей длине волны. Получаем, что для оптимального Е-плоскостного секториального рупора она приблизительно равна: ,(1.15)

1.2 Пирамидальные рупоры

Так как теоретическое исследование электромагнитного поля в пирамидальном рупоре представляет большие трудности, то приближенно считают, что структура поля пирамидального рупора в Е- и Н-плоскостях подобна структуре в этих же плоскостях у Е- и Н-секто-риальных рупоров. Фронт волны в пирамидальном рупоре можно считать сферическим, а фазовую ошибку в раскрыве определить по следующей формуле: , (1.16). ДН пирамидального рупора в Е-плоскости может быть рассчитана по формуле для раскрыва с равномерным распределением амплитуды поля и квадратичным распределением фазы (1.1). Максимальную фазовую ошибку определяют с помощью (1.16), в которой полагают х = 0, а у = b_р/2. В Н-плоскости ДН рассчитывается по формулам для раскрыва с косинусоидальным распределением амплитуды поля и квадратичным распределением фазы (1.4). Максимальную фазовую ошибку определяют, полагая в (1.16) y = 0, x = a_p/2. Для расчета ДН можно воспользоваться приближенными формулами. КНД пирамидального рупора может быть определен по формуле:

,(1.17),

где D_E и D_H - КНД соответствующих Е- и Н-плоскостных секториальных рупоров.

Весьма точно КНД пирамидального рупора в децибелах по отношению к КНД абсолютно ненаправленной антенны может быть определен с помощью следующего выражения:

, (1.18),

где величины L_H и L_E определяются из рис. 1.7.

Если соответствующие пирамидальному рупору Н- и E-плоскостные секториальные рупоры являются оптимальными, то и пирамидальный рупор будет оптимальным. Для оптимального Н-плоскостного секториального рупора максимальная фазовая ошибка равна , а для оптимального E-плоскостного - , тогда, учитывая выражение для максимальной фазовой ошибки через размеры рупора, можно получить следующие соотношения для оптимального пирамидального рупора: (1.19)

При этом следует иметь в виду, что при выборе величин a_р, b_р, R_H и R_E следует обеспечить правильную стыковку рупора с питающим волноводом. Если размеры волновода равны а (широкая стенка) и b (узкая стенка), то для правильной стыковки рупора c волноводом должно выполняться соотношение:

. (1.20) ,(1.21)

1.3 Рупоры с круговой поляризацией поля

Для получения круговой (или близкой к ней) поляризации излучаемого рупором поля применяются фазирующие секции, устанавливаемые в волноводе, питающем рупор. Фазирующие секции могут устанавливаться также в волноводах, облучающих антенну (например, параболическую), либо на излучающих поверхностях.

Существуют различные фазирующие секции. В качестве фазирующей секции можно, например, применять отрезок волновода с квадратным поперечным сечением, возбуждаемый прямоугольным волноводом с волной Н. Возбуждающий волновод соединяется с фазирующей секцией плавным пирамидальным переходом, так как его поперечные размеры меньше поперечного размера секции. Плоскости поперечных сечений волновода и фазирующей секции повернуты относительно друг друга на 45° (рис. 1.8)

.

При этом вектор поля, возбуждающего секцию, составляет 45° с ее стенками. Его можно разложить на составляющие Е_x и Е_y, параллельные взаимно перпендикулярным стенкам. Таким образом, поле в секции можно рассматривать как суперпозицию волн Н₁₀ и H₀₁.

Для создания необходимого сдвига фаз между составляющими Е_х и Е_у в фазирующую секцию вводится тонкая диэлектрическая пластинка так, чтобы большой размер ее поперечного сечения был параллелен либо составляющей Е_х, либо E_у. Такая пластинка влияет в основном на фазовую скорость той волны, линии вектора которой параллельны поверхности пластины. Выбор толщины пластинки производится по графикам.

При квадратном раскрыве пирамидального рупора ДН в двух взаимно перпендикулярных плоскостях получаются неодинаковыми из-за различных амплитудных распределений возбуждающего поля в Е- и Н-плоскостях. В Н-плоскости ДН (по нулям) примерно в 1,5 раза шире, чем в Е-плоскости. Между тем в ряде случаев желательно иметь одинаковые ДН в обеих плоскостях. Известно, что при разных ДН рупора в двух плоскостях круговая поляризация получается только в направлении нормали к поверхности раскрыва рупора, в других направлениях - эллиптическая поляризация поля. В направлениях, отличных от главного, коэффициент эллиптичности тем ближе к единице, чем меньше ДН в двух взаимно перпендикулярных плоскостях отличаются друг от друга. Существует несколько способов получения одинаковых ДН в двух взаимно перпендикулярных плоскостях рупорной антенны в случае круговой поляризации поля (или при двух взаимно перпендикулярных поляризациях).

Один из этих способов состоит в том, что в квадратном раскрыве (a_p = b_p) устанавливаются металлические ребра высотой на расстоянии друг от друга (рис. 1.9).

Если вектор поляризован вдоль оси х, то в ребрах, прикрепленных к боковым стенкам рупора, наводятся токи, размер раскрыва а_р как бы уменьшается и становится равным a_p - 2. Если 0,17a_p, то размер раскрыва а_p, параллельный оси х, в 1,5 раза меньше размера b_р, параллельного оси у. Так как на составляющую Е_у данные ребра не воздействуют, то ДН для обеих поляризаций поля в плоскости x0z будут примерно одинаковы. Аналогичным образом (с помощью ребер прикрепленных к другим стенкам рупора) можно выровнять ДН в плоскости у0z.

2.Практическая часть

Функциональная схема лабораторной установки показана на рис. 1.10. Она состоит из двух антенн - передающей и приемной, которые образуют радиолинию. Антенны обеспечивают работу в диапазоне 8 - 10 ГГц.

1) Расположили передающий рупор широкой стенкой по горизонтали. Зарисовали вид спереди передающего рупора и рядом - вид спереди приемного рупора (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11

Сняли диаграмму направленности приемного рупора, вращая его от 0 до 360. Полученные результаты свели в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

Сняли диаграмму направленности передающего рупора, вращая его от 0 до 360. Полученные результаты свели в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

2) Развернули на 90 передающий рупор. Зарисовали вид спереди передающего и приемного рупоров (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13

Сняли диаграмму направленности приемного рупора, вращая его от 0 до 360. Полученные результаты свели в таблицу 1.3.

Таблица 1.3

Сняли диаграмму направленности передающего рупора, вращая его от 0 до 360. Полученные результаты свели в таблицу 1.4.

Таблица 1.4

Рисунок 1.14 - Диаграммы направленности приемного и передающего рупоров (при повёрнутом на 90 передающем рупоре)

3) Развернули на 90 приемный рупор. Зарисовали вид спереди передающего и приемного рупоров (рисунок 1.14).

Рисунок 1.15

Сняли диаграмму направленности приемного рупора, вращая его от 0 до 360. Полученные результаты свели в таблицу 1.5.

Таблица 1.5

Сняли диаграмму направленности передающего рупора, вращая его от 0 до 360. Полученные результаты свели в таблицу 1.6.

Таблица 1.6

Рисунок 1.16 - Диаграммы направленности приемного и передающего рупоров (при повёрнутых на 90 передающем и приемном рупорах)

Размещено на Allbest.ru