Практическое занятие по теме « Апертурные антенны сверхвысоких частот»

Цель занятия: приобретение навыков в решении практическох задач.

Занятие проводится в форме семинара.

Рупорные антенны

5.1. Дать определение и классификацию апертурных антенн СВЧ, отметив их общие особенности.

5.2. Описать элемент Гюйгенса. Дать вывод уравнения нормированной ДН элемента Гюйгенса.

5.3. Определить ширину в Е- и Н- плоскостях ДН синфазного и равномерного прямоугольного раскрыва сечением a b = 23 10 мм при длине волны λ = 3,2 см.

Ответ. Ширина диаграммы 2 θ_0,5Р = 71° в плоскости с размером а и 2 θ_0,5Р = 163,2° в плоскости с размером b.

5.4. Описать направленные свойства прямоугольного волноводного излучателя. Как влияет на коэффициент использования площади излучателя неравномерность поля на его раскрыве?

5.5. Поля в раскрыве прямоугольного волноводного излучателя с волной Н₁₀ синфазные, а амплитуда их Е _m распределятся равномерно по стороне b и по закону косинуса по стороне а (рис. 5.1). Определить исходя из этого ширину ДН (град), уровни первого бокового лепестка УБЛ (дБ) и коэффициенты использования поверхности (КИП) раскрыва.

Рис.5.1

 

5.6. Обосновать целесообразность перехода от волноводного излучателя к рупору.

5.7. Начертить эскизы основных видов рупорных антенн. Описать различия структуры полей в рупоре и волноводе.

5.8. Перечислить и обосновать достоинства и недостатки рупорных антенн. Каковы области применения этих антенн?

5.9. Определить коэффициент усиления G и ширину ДН в Е- и Н- плоскостях 2 θ_Е0,5Р, 2 θ_Н0,5Р Н-плоскостного секториального рупора оптимальных размеров, который при раскрыве а ' = 60 см, b' = 6,4 см(рис. 5.2, а) принимает волны длиной λ = 20 см.

В данном случае

; ; .

Ответ. G ₀ = 7,6; 2 θ_{Е 0,5 Р} = 160°; 2 θ_{Н 0,5 Р} = 26,7°.

Рис. 5.2

5.10. Определить оптимальные значения размера b' раскрыва и длины l Е- плоскостного секториального рупора (рис. 5.2, б), который при длине волны λ = 5 см и размере а' = 3,55 см имеет коэффициент усиления G ₀ = 25.

В данном случае

; ; ; .

Ответ:   b' = 22 см; l = 46 см.

5.11. Определить ширину ДН антенны в плоскостях Е и Н по данным задачи 5.9.

Ответ. 2 θ_{Е 0,5Р} = 12°; 2 θ_{Н 0,5Р} = 95,8°.

5.12. Рассчитать пирамидальный рупор (рис. 5.2, в), который при возбуждении прямоугольным волноводом R100 (МЭК-100) с размерами a b = 23 10 мм имеет на волне λ = 3 см коэффициент усиления G 40 (G 16 дБ).

Решение.

1. Размеры рупора в горловине определяются внутренними размерами волновода: а = 23 мм, 6 = 10 мм.

Определяем площадь раскрыва рупора S_A из формулы

;  см.

Определяем размеры сторон раскрыва рупора а' и b' исходя из оптимального соотношения между ними:

,

откуда

 см;  см.

3. Определяем радиальную длину рупора (расстояние от фазового центра до ближайшей точки раскрыва) в Н- плоскости

 см.

4. Определяем боковую длину рупора из соотношения

 см.

5. Определяем расстояние от фазового центра до ближайшей точки раскрыва в плоскости

 см.

6. Определяем максимальный сдвиг по фазе на краях раскрыва рупора

.

7. Рассчитываем ДН, полагая, что поле в раскрыве рупора синфазно. В плоскости Е уравнение диаграммы

,

а в плоскости Н

,

где θ – углы между данным направлением и нормалью к раскрыву рупора соответственно в Е- и Н- плоскостях.

8. Ширину ДН можно определить по построенным диаграммам или по формулам

; .

5.13. Пирамидальный рупор оптимальных размеров (рис. 5.3, в ) рассчитан на работу при длине волны λ = 9 см и имеет длину рупора l = 36 см. Определить размеры раскрыва а', b' и коэффициент усиления антенны.

Ответ. b'= 26,3 см; а'= 32,9 см; G ₀ = 64,1.

5.14. Определить ширину ДН антенны в плоскостях Еи Нпо данным задачи 5.13.

Ответ: 2 θ_{Е 0,5Р} = 18,1^о ; 2 θ_{Н 0,5 Р} = 22,2°.

5.15. Определить угол расширения υ и диаметр d конического рупора оптимальных размеров (рис. 5.3, г), который имеет длину l = 40 см при длине волны λ = 8 см