Сравним раскрыв рупора с расстоянием между излучателями:
Необходимый раскрыв рупора получился больше, чем расстояние между излучателями, которое, собственно говоря, является оптимальным. Раскрыв рупора не может быть больше этого расстояния, поэтому примем . При этом дифракционные лепестки попадут в диаграмму направленности одного излучателя. Уровень этих лепестков определим позже.
Построим диаграмму направленности одного рупора (рис. 7):
Рис. 7.
Определим параметры линзы, вставляемой в рупорный излучатель. В рупоре возбуждается сферическая волна, поэтому будем применять осесимметричную линзу. В рупоре присутствуют амплитудные искажения, расширяющие диаграмму направленности. Рассчитанная диаграмма направленности не удовлетворяет условию подавления дифракционных лепестков. Поэтому используем линзу, которая перераспределяет амплитуды токов таким образом, что к краям это распределение возрастает. Освещаемая поверхность такой линзы является поверхностью сферы (рис. 8). Преломляющей является теневая поверхность, которая имеет форму эллипсоида вращения вокруг оси х.
Рис. 8.
В качестве материала, из которого будет изготовлена линза, выберем текстолит. При длине волны текстолит имеет следующие параметры: , . Коэффициент преломления линзы . Диаметр линзы примем равным диагонали раскрыва рупора . На практике расстояние от линзы до фокуса принимается равным диаметру линзы, поэтому . Фокус линзы должен лежать в вершине рупора. Найдем толщину линзы:
Определим угол раскрыва линзы (рис. 9).
Необходимый угол раскрыва рупора:
Рис. 9.
Вставленная в рупор линза, изменяет распределение амплитуд токов в раскрыве. Рассчитаем это распределение.
Координата х (рис. 9) связана с углом следующим соотношением:
;
f-фокусное расстояние, n-коэффициент преломления линзы.
Используя тригонометрические соотношения, определим обратную зависимость
Распределение амплитуд токов, создаваемое осесимметричной с освещенной преломляющей поверхностью линзой определяется следующим выражением:
А суммарное амплитудное распределение рупорно-линзового излучателя рассчитывается по следующей формуле и имеет вид, изображенный на рис. 10.
Рис. 10.
Поле излучения апертурных антенн с прямоугольным раскрывом определяется общей формулой:
,
где - нормированная диаграмма направленности элемента Гюйгенса; множитель -имеет модуль равный единице, и определяет поляризацию поля; -расстояние от центра апертуры до точки приема; -нормированная функция амплитудно-фазового распределения в апертуре. В нашем же случае, считая, что поверхность апертуры синфазна, модуль этой функции для одной плоскости примет вид:
Максимальное значение модуля равно:
Таким образом, диаграмма направленности рупорно-линзового излучателя будет иметь вид:
, где ;
На рис. 11 изображены ДН рупора с линзой и без.
Рис. 11.
Зная теперь диаграмму направленности одного излучателя и множителя решетки, можно построить диаграмму направленности всей решетки в одной плоскости:
Графическое изображение ДН показано на рис. 12.
Рис. 12.
Трехмерное изображение полученной диаграммы направленности в декартовой системе координат показано на рис. 13.
Рис. 13.
Рассчитаем параметры волноводной фазирующей секции. Как раньше было оговорено, фазирующую секцию будем строить на базе квадратного волновода с вертикальной диэлектрической вставкой, в котором распространяются две волны– и . Диэлектрическая вставка воздействует в основном на волну , вектор Е которой параллелен пластине и почти не замедляет волну , у которой вектор Е перпендикулярен пластине. Разность фаз на выходе фазирующей секции определяется формулой:
где и -коэффициенты фазы составляющих волн.
Условие вращающейся поляризации , тогда длина секции:
Коэффициенты и можно выбрать из экспериментальных графиков на рис. 14
Рис. 14.
Определим размеры стенок волноводной секции:
В качестве диэлектрика выберем стеатитовую керамику, которая при длине волны обладает следующими параметрами: . Толщину диэлектрической вставки возьмем таким образом, что бы:
, то есть
При такой толщине вставки коэффициенты фазы имеют следующие значения :
Тогда длина секции будет равна:
Для того чтобы отражение волны от вставки было мало, концы диэлектрической пластины можно выполнить в виде симметричных ласточкиных хвостов, как показано на рис. 3. Следует отметить, что диэлектрическая вставка должна располагаться не прямо в стыке горла рупора с волноводной секцией, а за фазовым центром рупора
Рассчитаем параметры специальных металлических пластин, вставляемых в рупорно-линзовые излучатели с целью обеспечения одинаковых диаграмм направленности в Е- и Н-плоскостях при квадратном раскрыве рупоров. Вид такого рупора изображен на рис. 15. Расстояние между пластинами делается равным .
Рис. 15.
Размеры пластин выберем в соответствии с этим рисунком.
Длины пластин раны длине рупора.
Рассчитаем длину рупорно-линзового излучателя. Обращаясь к рисунку 16 (сечение рупорно-линзового излучателя без пластин) видно, что
Таким образом,
Приступим к расчету коэффициентов отражения от линзы и горла рупора. Коэффициент отражения от горла рупора определяется формулой:
где и - размеры питающего волновода, и - углы раствора рупора в Н- и Е-плоскостях соответственно, -длина волны в волноводе.
В нашем случае и это размеры фазирующей секции, причем . Углы раствора рупора для волны будут следующими. В горизонтальной плоскости угол будет таким, какой мы рассчитали ранее, а в вертикальной – он будет определяться пластинами внутри рупора. Пластины уменьшают угол раскрыва. Рассчитаем его по той же формуле, что и ранее, при этом, не забывая учесть, что пластины сужают сторону раскрыва (рис. 15) до:
Высота рупора в Е-плоскости будет другой, ее можно определить из соотношения:
, где и - размеры волновода (секции).
таким образом
Длина волны в фазирующей секции
м
Тогда
И модуль коэффициента отражения будет равен:
Для волны все выше сказанное будет аналогично с той лишь разницей, что Е-плоскость сменится на Н, а Н – на Е. И коэффициент отражения будет таким же.
При таком отражении коэффициент бегущей волны в фидере будет следующим:
Будем считать КБВ удовлетворительным, однако, дальнейшее его снижение весьма нежелательно.
Коэффициент отражения от линзы R при углах падения 30…35 градусов можно с хорошим приближением считать равным R при нормальном падении, т. е.
Для достижения устранения отраженной волны используем такой путь. На диэлектрик линзы нанесем слой другого диэлектрика с коэффициентом преломления и толщиной t, равной четверти длины волны в согласующем слое:
В качестве диэлектрика с указанным параметром выберем фторопласт-4, у которого при длине волны 5 см .
Такой слой вполне удовлетворительно обеспечивает согласование до углов падения до 40 градусов, при этом .
Определим коэффициенты полезного действия рупорно-линзового излучателя и волноводной фазирующей секции. КПД излучателя определяется в основном линзой, так как КПД рупора примерно равен единице. КПД линзы определяется по формуле: , где -средняя длина пути луча в теле линзы, в нашем случае и . Итак, учитывая, что линза состоит из двух слоев диэлектрика:
.
КПД поляризационной секции найдем по той же формуле. Он будет определяться диэлектриком.
Таким образом, можно сделать вывод, что КПД рупорно-линзового излучателя, вместе с поляризационной вставкой в основном определяется КПД линзы, и он равен 0.69.
Зная КПД одного излучателя решетки, и предполагая, что все элементы схемы питания и фидерного тракта имеют КПД близкие к единице, можно рассчитать КПД всей антенной решетки.
Мощность, поступающая в антенну равна 5 кВт, она делится системой запитки между всеми излучателями поровну, количество излучателей 64. То есть, мощность, приходящаяся на один излучатель равна:
Выходная мощность одного излучателя определяется КПД его элементов и потерями на отражение. Так как применены специальные меры, то отражением от линзы можно пренебречь. Потери в рупоре, и фазирующей секции малы, поэтому ими тоже пренебрегаем. Тогда выходная мощность будет определяться отражениями от горла рупора и КПД линзы. Как показано выше, КПД линзы равен 0.64. Коэффициент отражения от горла рупора равен 0.112, тогда коэффициент прохождения по мощности будет равен . Итак,
Общая выходная мощность решетки является суммой выходных мощностей всех излучателей, т. е.:
КПД антенной решетки:
Очевидно, что КПД антенны слишком низок, поэтому необходимо принять меры по его повышению. КПД решетки получился таким потому, что низок КПД линз излучателей, который в свою очередь определяется потерями в диэлектрике линзы. Текстолит, который выбран в качестве материала линзы, имеет значительные потери (). Вместо текстолита можно взять плавленый кварц, который имеет коэффициент преломления близкий к коэффициенту преломления текстолита, но потери у него намного меньше (). Тогда КПД будет примерно равен 95%.
Диапазонность рассчитываемой антенны определяется диапазонностью рупора, и фидерного тракта, так как коэффициент преломления применяемых диэлектриков, практически не зависит от частоты. Таким образом, рабочая полоса ограничивается выбираемым в качестве фидера волноводом.
Выберем волновод. Исходя из заданной в техническом задании длины волны, применим волновод ВП-40х20х1.5-А7 (волновод прямоугольный из алюминия марки А7, со сторонами a=40мм, b=20мм и толщиной стенки 1.5 мм). Диапазон рабочих частот 4.64…7.05 ГГц. Максимально допустимая мощность 806 кВт.
Таким образом, рабочая полоса частот антенны: 4.64…7.05 ГГц.
Определим коэффициент направленного действия, коэффициент усиления, коэффициент использования площади, а также уровень боковых лепестков в диаграмме направленности антенны. Коэффициент направленного действия антенны определяется формулой:
Страницы: 1, 2, 3
