Расчет рупорно-линзовой антены

 

- для  плоскости H                           (2.12)

Затем получим КНД антенны равный

                                      

                                (2.13)

Далее найденный КНД сравниваем с заданным.

На конечном этапе  расчета необходимо проследить за изменением параметров антенны, при изменении средней частоты рабочего диапазона в соответствии с заданным относительным диапазоном частот . Для этого геометрические размеры антенны фиксируются,  а затем изменяется частота и делаются соответствующие выводы..

 

Также в курсовой работе нужно рассчитать линзу для рупора:

 

1) Требуется выбрать материал для изготовления линзы с определенной относительной диэлектрической проницаемостью в соответствии с нужными условиями.

 

2. Найти:

А) фазовую скорость электромагнитной волны в материале

 

                                                        

;                                           (2.14)

где –скорость света в вакууме, –относительная диэлектрическая проницаемость материала линзы;

 

Б) показатель преломления

 

                                                      

;                                       (2.15)

 

В) толщину замедляющей линзы (рис.5)

 

                                                     ,                                  (2.16)

где –диаметр линзы.

 

Рис.5 Замедляющая линза.

 

Диаметр линзы D на 10 больше диагонали t прямоугольного раскрыва рупора. Она находится по формуле:

 

                                                                                  (2.17)

 

Угол  зависит от фокусного расстояния линзы, а оно в свою очередь равно глубине рупора R. Параметр R задается из условия .

Полученная линза (предварительно сделав её по форме раскрыва) вставляется в раскрыв рупора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Предварительный  расчет геометрических параметров.

 

Исходные данные:

 

- средняя частота рабочего  диапазона       ;

- относительный диапазон  частот             

- ширина главного лепестка диаграммы направленности в плоскости Е и Н

  равна

-коэффициент направленного  действия   КНД=30 дБ

 

Для предварительного расчета  геометрических параметров антенны  найдем длину волны :

Найдем площадь раскрыва рупора используя выражение (2.6):

КНД=30дБ=1000; КИП=0.81, так как фазовое распределение поля на раскрыве рупора-линзовой антенны становится равномерным и КИП_ф=1,а КИП_а – так называемый коэффициент использования поверхности раскрыва, обусловленный неравномерностью амплитудного распределения, меньше единицы и для косинусоидального амплитудного распределения КИП_а=0,81.

 

 

Определим соотношение между и , приравняем выражения (2.9) и (2.10), и найдем данные величины, используя площадь раскрыва рупора:

 

Так как  , то следует, что

,

.

Размеры (в миллиметрах) поперечного сечения прямоугольного волновода A и B выберим из неравенств:

     и     .

Но так как желательно использовать размеры типовых волноводов, то

А=23(мм), В=10(мм).

Ширина главного лепестка диаграммы направленности в плоскостях Е и Н равна:

 

    

- для плоскости

 -для плоскости H

Рассчитаем замедляющую линзу:

1. материал для изготовления линзы будем использовать фторопласт с относительной диэлектрической проницаемостью .

2) фазовая скорость электромагнитной волны в материале

 

;

3) показатель преломления

 

;

4) толщина замедляющей линзы

 

Определим диаметр линзы, но сначала найдем диагональ прямоугольного раскрыва рупора:

(м)

 

Увеличим на 10 диагональ t и получим, что диаметр D=0.475(м).

Так как глубина рупора R=0.65(м) (задали произвольно), то следует из расчетной формулы .

Следовательно, толщина  замедляющей линзы равна:

(м)

 

Граничные частоты рабочего диапазона:

 

                     ;

                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Программа для расчета электрических параметров.

 

Расчет КНД рупорно-линзовой антенны и ДН в плоскостях Е и Н будет реализован при помощи программы C++Builder. Интерфейс программы имеет вид:

 

 

 

 

Данная программа строит ДН в плоскостях Е и Н рупорно-линзовой антенны в зависимости от размеров раскрыва рупора и заданной частоты. Параметры вводятся в белые ячейки. Так же она считает КНД антенны по полученной ДН. Расчёт производится при нажатии кнопки ВЫЧИСЛИТЬ.

 

 

 

5.Результаты  численного моделирования антенны

 

В ходе работы получили размеры  рупора и линзы, удовлетворяющие заданным условиям. Теперь, оставляя их постоянными ( и ), проверим как изменится КНД и ДН антенны с изменением частоты.

 

1) На средней частоте 

 

- ДН антенны в плоскости 

 

 

- ДН антенны в плоскости

 

 

КНД=30.074 дБ

 

 

 

2) На частоте 

 

- ДН антенны в плоскости 

 

 

- ДН антенны в плоскости 

 

 

 

КНД=26.749 дБ

 

 

 

 

 

 

 

3) На частоте 

 

- ДН антенны в плоскости 

 

 

- ДН антенны в плоскости 

 

 

 

КНД=33.299 дБ

 

 

 

 

 

Заключение

 

 В ходе курсового  проекта был произведен расчет рупорно-линзовой антенны. В качестве облучателя был выбран и оптимизирован рупорный облучатель. На конечном этапе расчета были рассчитаны ДН и КНД антенны  на средней частоте рабочего диапазона, а также на граничных частотах.

Можно сделать вывод, что увеличение частоты от до приводит к увеличению КНД, которое обусловлено уменьшением ширины главного лепестка и снижением уровня боковых лепестков ДН антенны.

С целью  улучшения  параметров антенны, в качестве обычных  рупорных облучателей, можно использовать рупорные облучатели с гофрированной поверхностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

1. О.А.Юрцев,  Методическое пособие по курсу «Антенны и устройства СВЧ» для студентов специальности «Радиотехника» в 3-х частях “ часть 2. Минск, БГУИР 2001г.

 

2. О.А.Юрцев,  Методическое пособие по курсу «Антенны и устройства СВЧ» для студентов специальности «Радиотехника» в 3-х частях “ часть 1. Минск, БГУИР 2001г.

 

3. А.Г.Кислов, В.И.Невзоров, Н.Ф.Соколов,  Конспект лекций по курсу «Антенно-фидерных устройств», Ленинград,1972г.

 

4. Д.М.Сазонов, «Антенны и устройства  СВЧ»,М.: «Высшая школа»,1988г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

#include <vcl.h>

#pragma hdrstop

 

#include "Unit1.h"

//---------------------------------------------------------------------------

#pragma package(smart_init)

#pragma resource "*.dfm"

#include <math.h>

#include <stdio.h>

TForm1 *Form1;

//---------------------------------------------------------------------------

__fastcall TForm1::TForm1(TComponent* Owner)

        : TForm(Owner)

{

}

//---------------------------------------------------------------------------

 

void __fastcall TForm1::FormCreate(TObject *Sender)

{

    TLineSeries *Series1;

    TLineSeries *Series2;

 

    Edit1->SetTextBuf("0.345");

    Edit2->SetTextBuf("0.259");

    Edit3->SetTextBuf("10000");

 

 

 

}

//---------------------------------------------------------------------------

 

float a = 1, b = 1, f = 0, A = 0, De,Dh;

 

void DrawE( TLineSeries *Series1 )

{

    Series1->Clear();

    float F = 0, D = 0;

 

    for( float Q = -3.14/2; Q<=3.14/2; Q+=0.0174  )

    {

        D = 3.14*(b/A)*sin(Q);

        if(D != 0)

            F = (1 + cos( Q ))/2*sin( D )/D;

        if(F<0)

            F*=-1;

        Series1->AddXY( Q*180/3.14, F, "", clRed);

    }

}

void DrawH( TLineSeries *Series2 )

{

    float F = 0, D = 0;

    Series2->Clear();

 

    for( float Q = -3.14/2; Q<=3.14/2; Q+=0.0174  )

    {

        D = 3.14*(a/A)*sin(Q);

        F = (1 + cos( Q ))/2*cos( D )/(1-pow((2*D)/3.14,2));

        if(F<0)

            F*=-1;

        Series2->AddXY( Q*180/3.14, F, "", clRed);

    }

}

 

void CountDe( TLabel *Label5 )

{

    float S = 0, D1,D2,F1,F2,Fx1, Fx2 = 0;

 

    for( float Q = 0; Q < 3.146/2; Q+=0.0656)

    {

        D1 = b/A*3.146*sin(Q);

        if( D1!=0 )

            F1 = (1 + cos( Q ))/2*sin( D1 )/D1;

 

        D2 = b/A*3.146*sin(Q+0.0656);

        if( D2!=0 )

            F2 = (1 + cos( Q+0.0656 ))/2*sin( D2 )/D2;

 

        Fx1 = F1*F1*sin(Q);

        Fx2 = F2*F2*sin(Q+0.0656);

 

        S+= ((Fx2-Fx1)/2 + Fx1)* 0.0656;

    }

 

    De = 2/S;

    char d[30];

    sprintf( d, "%0.3f", De );

    Label5->SetTextBuf(d);

 

}

void CountDh( TLabel *Label7 )

{

    float S = 0, D1,D2,F1,F2,Fx1, Fx2 = 0;

 

    for( float Q = 0; Q < 3.146/2; Q+=0.0656 )

    {

 

        D1 = a/A*3.146*sin(Q);

        if( D1!=0 )

            F1 = (1 + cos( Q ))/2*cos( D1 )/(1-pow((2*D1)/3.14,2));

 

        D2 = a/A*3.146*sin(Q+0.0656);

        if( D2!=0 )

            F2 = (1 + cos( Q+0.0656 ))/2*cos( D2 )/(1-pow((2*D2)/3.14,2));

 

        Fx1 = F1*F1*sin(Q);

        Fx2 = F2*F2*sin(Q+0.0656);

 

        S+= ((Fx2-Fx1)/2 + Fx1)* 0.0656;

    }

 

    Dh = 2/S;

    char d[30];

    sprintf( d, "%0.3f", Dh );

    Label7->SetTextBuf(d);

 

}

 

void CountD( TLabel *Label9, TLabel *Label11 )

{

    float D, Ddb;

    if( De*Dh>=0 )

        D = pow( De*Dh, 0.5 );

    Ddb = 10*log10( D );

    char d[30];

    sprintf( d, "%0.3f", D );

    Label9->SetTextBuf(d);

    sprintf( d, "%0.3f", Ddb );

    Label11->SetTextBuf(d);

 

}

 

void __fastcall TForm1::Button1Click(TObject *Sender)

{

    char buff[256];

    Edit1->GetTextBuf( buff, 256 );

    a = atof( buff );

    if( a <= 0 )

    {

        ShowMessage("Íåïðàâèëüíîå çíà÷åíèå a! ");

        return;

    }

    Edit2->GetTextBuf( buff, 256 );

    b = atof( buff );

    if( b <= 0 )

    {

        ShowMessage(" Íåïðàâèëüíîå çíà÷åíèå b! ");

        return;

    }

    Edit3->GetTextBuf( buff, 256 );

    f = atof( buff );

    if( f <= 0 )

    {

        ShowMessage(" Íåïðàâèëüíîå  çíà÷åíèå ÷àñòîòû! ");

        return;

    }

    A = 3*pow(10,8)/(f*pow( 10, 6 ) );

    DrawE(Series1);

    DrawH(Series2);

    CountDe( Label5 );

    CountDh( Label7 );

    CountD( Label9,Label11 );

 

 

}

//---------------------------------------------------------------------------