1.2 Расчет размеров рупора

Все расчёты рупора в данной части расчёта относятся к расчёту оптимального рупора, то есть фазовая ошибка в раскрыве рупора не превышает допустимой величины, и фронт волны в раскрыве считается плоским [1]. На рисунке 2 показаны основные размеры рупора в Н и Е плоскостях. Тип рупора возьмём пирамидальный клинообразный.

Из заданного диапазона работы антенны берём минимальную рабочую частоту антенны = 8,85 ГГц, тем самым обеспечим максимально заданную ширину диаграммы направленности рупора в самых плохих условиях.

Тогда максимальная длина волны в свободном пространстве будет равна:

;

где­­­­: с - скорость света;

- минимальная рабочая частота антенны.

Рисунок 2 – Размеры рупора в Н и Е плоскостях

По заданной ширине диаграммы направленности рассчитаем размеры раскрыва рупора a_p иb_p по формулам 1 и 2.

(1)

(2)

где: - максимальная ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по мощности в рабочем диапазоне частот в горизонтальной плоскости;

- максимальная ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по мощности в рабочем диапазоне частот в вертикальной плоскости.

Рассчитав a_p иb_p, по по формулам 3 и 4 находим оптимальные размеры рупораи.

(3)

(4)

Для пирамидального рупора размеры и могут быть различными и несовместимыми. В этом случае берётся наибольшее значение с там, чтобы фазовые искажения в раскрыве рупора не превысили допустимых [1].

Вычислим углы раскрыва рупора по формулам 6 и 7:

(6)

(7)

Коэффициент направленного действия рупора определяется по формуле 8, для оптимального пирамидального рупора коэффициент использования поверхности =0,52.

(8)

Коэффициент усиления рупора определяется по формуле 9, для рупоров коэффициент полезного действия =1.

(9)

Найдём значение волнового числаkпо формуле 10:

(10)

4. Расчёт диаграммы направленности

Для пирамидального рупора с оптимальной фазовой ошибкой в раскрыве рупора диаграмма направленности в плоскостях Е и Н может быть приближенно рассчитана по формулам 11 и 12 [2].

(11)

(12)

Расчёт и построение графиков ДН пирамидального рупора в Н и Е плоскостях по формулам 11 и 12, проведём в программе Mathcad 14. Графики ДН пирамидального рупора в Н и Е плоскостях показаны на Рисунке 3 в декартовой системе координат и на Рисуноке 4 в полярной системе координат.

Рисунок 3 – График ДН рупора в Н и Е плоскостях декартовой системе координат

Рисунок 4 – График ДН рупора в Н и Е плоскостях полярной системе координат

Из графиков Рисунок 3 и Рисунок 4 видно, что ширина диаграммы направленности для Н и Е плоскостей по уровню 0,707 приближённо равна 66 градусов, что соответствует заданной максимальной ширине ДН в Н и Е плоскостях.

Также из графиков мы видим, что боковые лепестки отсутствуют, в следствии заданной оптимальной фазовой ошибки в раскрыве рупора, а значит и не превышают заданного уровня 20 дБ.

1.5 Расчёт фазирующей секции

Для обеспечения круговой поляризации в рупорную антенну помещают фазирующие секции. Поместим в раскрыв рупора фазирующую секцию (рисунок 5).

Рисунок 5-Рупорная антенна с фазирующей секцией

Такая фазирующая секция состоит из наклоненных под углом 45 градусов параллельных металлических пластин, расположенных в раскрыве рупора. Принцип работы таких пластин основан на том, что падающее на пластины линейно поляризованное поле (например, вертикально поляризованное поле) может быть разложено на две взаимно перпендикулярные составляющие поля (EtgиEn) с одинаковыми фазами и амплитудами (рисунок 6). Тонкие металлические пластинки влияют на скорость распространения только той составляющей поля, электрический вектор которой параллелен пластинам т.е.Etg.

Рисунок 6- Разложение поля металлическими пластинами в раскрыве рупора

Выбирая расстояние между пластинами Xи их ширинуl, можно получить необходимый сдвиг фаз между составляющими поля.

Расстояние между пластинами выбирается из следующего неравенства:

.(13)

Возьмём .

Ширина пластин lфазирующей секции, при которой на ее выходе две взаимно перпендикулярные составляющие поляEtgиEnбудут сдвинуты по фазе на 90 градусов, определяется по формуле 14 [3]:

(14)