Порядок расчета размеров и параметров рупорной

ПРИЛОЖЕНИЕ 7
_____________________________________________________________________________________________
ПРИЛОЖЕНИЕ 7.
РУПОРНАЯ АНТЕННА
Исходными данными для расчета рупорной антенны (рис. П7.1) являются:
- длина волны  или диапазон рабочих длин волн λмин… λмакс;
- мощность излучения P ;
- ширина
диаграммы направленности по уровню половинной мощности
( 2 00,5 ,
) или коэффициент направленного действия D.
200,5
z1
z2
bP
a
h
a
P
b
R
RE
RH
Рис. П7.1
Порядок расчета размеров и параметров рупорной антенны.
1. Выбирается тип волновода (его геометрические размеры).
Выбор размеров рупорной антенны начинают с выбора размера стандартного волновода, питающего рупор. Выбор размеров прямоугольного волновода производится исходя из условия режима работы с волной основного
типа Н10
0,6 макс  a  0,9 мин , b  a / 2 .
(П7.1)
Обычно выбирают стандартный волновод.
2. Определяется тип возбуждающего устройства, рассчитываются его
размеры.
Рупорная антенна может возбуждаться волноводной линией передачи
или коаксиальным кабелем. В первом случае никаких переходных устройств
44 ________________________________________________________________
Рупорная антенна
_____________________________________________________________________________________________
не требуется. При возбуждении рупора от передатчика с коаксиальным выходом необходимо осуществить согласованный переход от коаксиального кабеля
к волноводу. Обычно применяют возбудитель электрического типа в виде
штыря (рис. П7.1). Для обеспечения режима бегущей волны подбирают: расстояние до стенки волновода Z1 , высоту штыревого возбудителя h. Эти две
степени свободы нужны для того, чтобы входное сопротивление в месте перехода было чисто активным и равным волновому сопротивлению фидера (WФ).
Если штырь расположен в середине широкой стенки волновода, то Z1
принимают равным λВ/4, а высота штыря h находится из соотношения
h
1
arccos(1  WФ  a  b  k /(120  B ) ) ,
k
(П7.2)
где  В - длина волны в волноводе, равная
B 

1  ( / 2 a ) 2
.
(П7.3)
В реальных конструкциях Z1 и h допускают подстройку: Z1 - путем перемещения короткозамыкающего поршня, а высота штыря обычно подбирается в
процессе настройки его заменой.
3. Определяется длина волновода от возбуждающего штыря до горловины рупора Z2 по формуле
Z 2  4,6 / k ( / a) 2  1 .
(П7.4)
4. Определяются размеры раскрыва рупора.
При заданном коэффициенте направленного действия площадь раскрыва
равна
S  D2 /( 4 ) ,
(П7.5)
здесь  - коэффициент использования площади раскрыва. Для пирамидального
рупора  принимается равным 0,5.
Соотношения между сторонами раскрыва аР /bР, если нет дополнительных требований, выбирается так, чтобы главные лепестки диаграммы направленности в обеих плоскостях имели одинаковую ширину, т.е.
  aP / bP  1,33...1,5 .
При этих условиях размеры сторон определяются так
и aP  bP  .
(П7.6)
Если задана ширина диаграммы направленности в градусах по уровню
половинной мощности, то выбор размеров для пирамидального рупора производится по следующим формулам:
bP  S /
________________________________________________________________
45
ПРИЛОЖЕНИЕ 7
_____________________________________________________________________________________________
- в плоскости вектора Е: 200,5  510  / bP ,
(П7.7)
- в плоскости вектора Н: 2 00,5  68,50  / aP .
(П7.8)
5. Определяется длина рупора.
Для секториальных рупоров длина может быть определена из выражения:
(П7.9)
R  L2 / 8R  R / 2 ,
здесь L - значение стороны раскрыва; R - допустимая разность хода лучей, в
Е-плоскости можно принять R   / 4 , в Н–плоскости - 3 / 8 .
Для пирамидальных рупоров, кроме того, при выборе длины следует
обеспечить правильное сопряжение рупора с питающим волноводом. Размеры
рупора при этом находятся с учетом следующего соотношения
RH / RE  a P / bP
bP  b
.
aP  a
(7.10)
Таким образом, для пирамидальных рупоров длина должна выбираться с
учётом двух соотношений (П7.9) и (П7.10). Поэтому при допустимой фазовой
ошибке длина рупора должна удовлетворять одновременно двум неравенствам
(П7.11)
R  (bP  b)bP / 2 и R  (aP  a)aP / 3 .
Выбирается большее из этих двух значений.
6. Рассчитываются характеристики направленности рупорной антенны.
Если полагать, что поле в раскрыве рупора синфазно, а амплитудное
распределение такое же, как и у поля в поперечном сечении питающего волновода, то диаграммы направленности (по полю) пирамидального рупора могут быть рассчитаны по формулам:
kaP
sin  )
2
2
FH ( )  (cos   1  ( / 2a P ) ) 
,
2a P sin  2
1 (
)
(П7.12)
kbP
sin  )
2
,
kbP
sin 
2
(П7.13)
cos(

FE ( )  (1  cos  1  ( / 2a P ) 2 ) 
sin(
или полагая, что ( / 2a P ) 2  1 , формулы (П7.12) и (П7.13) могут быть
упрощены
46 ________________________________________________________________
Рупорная антенна
_____________________________________________________________________________________________
kaP
sin  )
2
,
f H ( )  (1  cos  ) 
2a P sin  2
1 (
)
cos(
(П7.14)

f E ( )  (1  cos  ) 
kbP
sin  )
2
.
kbP
sin 
2
sin(
(П7.15)
Здесь углы  и  отсчитываются от нормали к раскрыву рупора. По результатам расчета строятся нормированные диаграммы направленности рупорной антенны.
Если для получения узких диаграмм направленности применяется антенная решетка, то для расчета диаграммы направленности следует выражения
(П7.12 … П7.15) умножить на множитель решетки.
7. Рассчитывается коэффициент отражения от раскрыва рупорной антенны
1 1 (
ГP 
1 1 (

2a P

2a P
)2
.
)
(П7.16)
2
8. Выбирается схема фидерного тракта и выполняется расчет линии передачи.
После выбора схемы линии передачи определяется суммарное затухание
в регулярной части линии передачи (потери в скрутках, изгибах, вентилях, фазовращателях, распределенные потери в волноводном тракте). Вычисляется
максимальное значение ожидаемого с вероятностью 0,9 суммарного коэффициента отражения на входе линии передачи (с учетом отражения от раскрыва
рупора). Рассчитывается КПД линии передачи.
9. Вычисляется КПД антенно-фидерного тракта и требуемая мощность
передатчика.
(П7.17)
  Ф A .
КПД рупорной антенны  A можно принять равным 0,9 … 0,95.
PПЕР  P /  .
(П7.18)
10. Выполняется конструктивный расчет антенны и ее эскиз.
________________________________________________________________
47