Принцип действия зеркальной антенны

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Техническое задание

Вариант № 12.

Длина волны: X -- 3,8 см.

Требование к ДН.

Р=300кВт

Поляризация: круговая.

Узел для разработки: корабельная, поляризатор.

2. Введение

Параболическая антенна относится к апертурным антеннам. Апертурные антенны - это антенны, излучение у которых происходит через раскрыв, называемой апертурой (от латинского "apertura" - "отверстие").

Апертурные антенны применятся, главным образом, в диапазоне СВЧ. Малая длинна волны позволяет сконструировать антенны, размеры которых много больше длинны волны. Следовательно, возможно создание остронаправленных антенн, имеющих сравнительно небольшие размеры. Кроме того, возможно создание антенн, имеющих диаграмму направленности особой формы, определяемой специальным назначением антенны.

Апертурные антенны являются основным типом радиолокационных антенн. Они также находят широкое применение в радионавигации, радиоастрономии, в радиотехнических системах управления искусственными спутниками Земли и космическими кораблями, в тропосферных и радиорелейных линиях и т.п.

Характерной особенностью антенн такого типа является то, что в излучении участвуют сравнительно большие проводящие поверхности, по которым протекают токи высокой частоты (внутренняя поверхность рупора у рупорных антенн, металлопластинчатой линзы у линзовых, и облучаемая поверхность зеркала у зеркальных). По принципу действия, конструкции и методам изучения они существенно отличаются от проволочных антенн. Последние являются антеннами с линейными токами, т.к. в них токи протекают только в осевом направлении проводов, образующих антенну, хотя и текут по поверхности проводов.

Рассмотрим зеркальные антенны более подробно. Зеркальными антеннами называются антенны, у которых поле в раскрыве формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала). Источником электромагнитной волны обычно служит какая-нибудь электромагнитная антенна, называемая в этом случае облучателем зеркала или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны. Поверхности зеркала придаётся форма, обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболее распространёнными являются зеркала в виде параболоида вращения, усечённого параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля. Облучатель помещается в фокусе параболоида или вдоль фокальной линии цилиндрического зеркала. Соответственно для параболоида облучатель должен быть точечным, для цилиндра - линейным.

Рассмотрим принцип действия зеркальной антенны.

Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, возбуждает на ней токи, которые создают вторичное поле, обычно называемое полем отраженной волны. Для того, чтобы на зеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу в направлении зеркала и не излучать в другую полусферу. Такие излучатели называются однонаправленными.

Рис. 1 принцип действия зеркальной антенны. 1- зеркало; 2 - облучатель; 3 - сферический фронт волны облучателя; 4- плоский фронт волны, отраженной от зеркала; 5- диаграмма направленности облучателя; 6 - ДН зеркала.

Принцип действия простейшей зеркальной антенны иллюстрируется рис.1. Точечный облучатель (например, маленький рупор), расположенный в фокусе параболоида, создает у поверхности зеркала сферическую волну. Зеркало преобразует ее в плоскую, то есть расходящийся пучок лучей преобразуется в параллельный, чем и достигается формирование острой диаграммы направленности.

3 Анализ технического задания

антенна зеркало облучатель волновод

Тип зеркала - параболоид вращения, т.к. ширина ДН в обеих плоскостях одинаковая.

Облучатель - рупорная антенна.

Выберем размеры рупора таким образом, что бы его ДН в двух плоскостях была практически одинакова. Выберем угол засветки и рассчитаем основные геометрические размеры антенны.

Зная размеры антенны и ДН облучателя найдем АР, аппроксимируем его и найдем ДН антенны.

Затем учтем влияние затенения на ДН.

В заключение рассчитаем значение КИПа и КНД антенны.

4. Выбор волновода

Для того чтобы выбрать волновод, рассчитаем частоту.

/=c/>i=3*10⁸/0.038=7,9 ГТц.

Исходя, из полученного значения частоты и известной длинны волны, используя стандартный советский волновод R84 со следующими параметрами: f=6,57~ 9,99 ГГц Внутренние размеры: а-28,499мм Ь=12,624мм t=l. 625мм г1=0.8мм

Внешние размеры: а 1=31,75мм Ы=15,88мм г2=0.8-1,3 Затухание на 7,89 ГГц: 0,0794Б/м-теоретическая; ОДОЗДб/м max.

Рассчитаем значение критической мощности для данного волновода:

-1,2МВт/см [8]

Допустимая мощность в линии обычно принимается равной 25 - 30 % от критической мощности. [8]

Тогда Р_Кр--400кВт, что удовлетворяет условию задания.

5. Расчет облучателя

При выборе типа облучателя к нему предъявляются следующие требования:

Желательно, чтобы диаграмма облучателя была однонаправленная, имела осевую симметрию и минимальный уровень побочных лепестков.

Фазовый центр облучателя не должен быть "размытым". В идеальном случае фазовый центр излучателя должен быть точечным и положение его не должно зависеть от направления. Нарушение этого условия приводит к нарушению синфазности поля в раскрыве зеркала и, следовательно, к искажению диаграммы направленности и снижению коэффициента усиления.

Облучатель должен быть расположен так, чтобы его фазовый центр находился в фокусе зеркала.

Облучатель должен в минимальной степени заслонять зеркало, т.к. затенение приводит к искажению диаграммы направленности зеркальной антенны, в частности, к увеличению уровня боковых лепестков.

Облучатель должен быть достаточно диапазонным и выдерживать заданную мощность электромагнитных волн без пробоя. Заметим, что диапазонность зеркальной антенны в целом полностью определяется диапазонностью облучателя. [7]

Рис. 3 ДН рупора Е (синие), Н (черная).

На основании вышеуказанного в качестве облучателя предлагается использовать пирамидальный рупор. Выбран рупор из книги М.С. Жук, Ю.Б. Молочкова «Проектирование антенно-фидерных устройств», ДН представлена на рис. 3, с размерами: а-- 5см Ь = 3,7см

ДН получена для Х=3,2см, поэтому рассчитаем коэффициент, который равен X ₃У ^ з.2 ⁼ 1,2 и умножим приведенные размеры на полученный коэффициент. Следовательно пирамидальный рупорный облучатель для А,=8 см будет иметь следующие геометрические размеры:

а = 5,9см

b = 4,4см

L -- 8,3см

Рис. 4 Геометрические размеры рупора.

6. Основные геометрические размеры антенны

Пусть А0_Н= 1. Рассчитаем значение КНД:

Найдем общую площадь антенны:

Эффективная площадь антенны будет равна:

Л^ 34000 *38>

где КИП, это коэффициент использования поверхности (КИП=0.68).

Определим радиус антенны. Так как площадь антенны есть площадь круга, то:

плоскости вектора Н выберем угол засветки (р-37° Найдем фокус антенны:

В декартовой системе координат параболоид вращения определяется уравнением (начало координат совпадает с вершиной параболоида) x²=4fz

Найдем глубину зеркала:

Рис. 5 Геометрические размеры антенны.

Pиc. 6 раскрыв зеркала

7. Расчет амплитудного распределения (АР) в раскрыве зеркала

Для полученных размеров антенны и ДН облучателя рассчитываем в программе Mathcad по следующей формуле:

g(9)-F^(0)cos²(9/2).

Чтобы представить АР как функцию координаты плоского раскрыва, воспользуемся уравнением параболы x=2f tg(9/2), откуда 0=2arctg(x/2f).

Данные по расчету АР сведем в таблицу:

Аппроксимацию произведем с помощью программы AROUND:

Нормированное амплитудное распределение может быть представлено в виде пяти парциальных:

равномерного с весом pi

квадратичной параболы с весом р2

квадратичной параболы в квадрате с весом рЗ

квадратичной параболы в кубе с весом р4

линейно убывающего до нуля на краю с весом р5

При подборе были выбраны следующие веса

pl=0,316

р2=0,25 рЗ-0,434

Сумма весов должна быть единицей:

Параметры введенного (MGj, NGj) и аппроксимирующего (MG_A, NG_A) AP их разности MGi-MG_A,NGi - NG_A и отличие в процентах таковы:

i= 0.5843, MG_A=0.5840, MGi-MG_A=-0.0002% (MGi-MG_A)/MGj=0,04

j= 0.3792, NG_A=0.3811, NG; - NG_A=-0.0019%(NGj - NG_A)/ NGj =-0,5 Коэффициенты использования поверхности введенного АР КИЦ=0.900.

и аппроксимирующего АР КИП_А=0.895

Найденному аппроксимирующему АР без учета тени соответствуют следующие значения коэффициентов: КРЛ=1.12, КИПаЮ.894, KQ=66, УБЛ (дБ) - -24,9, УБЛ_(отн}=0.0570

Рис. 7 АР (черное) и его аппроксимация (синяя).

8. Расчет ДН

Расчет ДН рассчитанной антенны, так же производится с помощью программы AROUND.

Нам нужно построить две ДН: 1. Без учета тени, и 2. С учетом тени. Для этого нам нужно рассчитать диаметр тени.

1 .Без учета тени.

Рис. 11 ДН с учётом тени.

Ширина ДН по уровню 0,707 Д0=О,98₉ с учетом тени А@=0,

9. Узел для разработки. Поляризатор

Для получения круговой поляризации перед рупором установим поляризатор, выполненный на круглом волноводе. Данное устройство связано с преобразованием поляризации электромагнитной волны типа Н_п в круглом волноводе. Характерными базовыми элементами поляризационных устройств являются так называемые секции дифференциального фазового сдвига (ДФС), осуществляющие задержку волны одной линейной поляризации по отношению к волне ортогональной линейной поляризации. Наиболее простая секция ДФС (рис.12) образуется при расположении внутри круглого волновода с малыми потерями, дополненной с двух сторон согласующими скосами. [8]

Рис. 12 секция ДФС.

Т.к. выбранный рупор является пирамидальным, и линия передач - прямоугольный волновод, то необходимо поставить на вход и выход поставить переходы от прямоугольного волновода с волной H_Oi к круглому волноводу с волной Hi 1.

Заключение

В ходе данного курсового проекта была рассчитана антенная система, состоящая из зеркала и облучателя. Зеркало выполнено в виде параболоида вращения с радиусом 1350. Был выбран облучатель в виде конического рупора. Облучатель находится в фокусе, который равен 2017мм. Для данной антенной системы ширина ДН с учетом тени на уровне 0,707 - 0,97 градуса. Данные значения удовлетворяют поставленные задачи (разница между требуемыми и полученными значениями не превосходит 10%). Антенна работает на частоте f = 7,9 ГГц. Тип поляризации - круговая. КНД = 37000.

Список литературы

Методические указания к курсовому проекту по предмету: «Антенны и устройства СВЧ»/Сост.:Б.Д. Ситнянский, Н.В. Садовский В.М. Гаврилов - Владимир 2004 г. - 29 с.

Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справочник по элементам волноводной техники. - М.: Сов.радио, 1967. - 652 с.

Марков Г. Т., Сазонов Д.М. Антенны. - М.: Энергия, 1975. - 528 с.

Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г. Терешин О.Н. Антенны УКВ. T.L - М.: Связь, 1977. - 382 с.

5.Драбкин А. Л. , Зузенко В.Л. Кислов А.Г Антенно-фидерные устройства. Сов.радио, 1974. - 506 с.

Жук М.Е. Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: Энергия, 1973. - 440 с.

Жук М.С., Молочков Ю. Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. - М.: Энергия, 1966. - 648 с.

Д.М. Сазанов Устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988. - 435 с.

Размещено на Allbest.ru