Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

РГРТУ

Кафедра РУС

Курсовой проект по дисциплине

«Антенны и устройства СВЧ»

на тему

Зеркальная антенна для работы на двух частотах

Выполнил:

ст.гр.816

Старцев Д.В.

Проверила:

Рендакова В.Я.

Рязань 2011

Введение

Зеркальные антенны являются наиболее широко распространенным типом антенн в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазонах волн. Такое широкое применение зеркальных антенн объясняется относительной простотой их конструкции, возможностью получения диаграммы направленности (ДН) почти любого типа из применяемых на практике, высоким КПД, малой шумовой температурой и т. д. Зеркальные антенны легко позволяют получить равносигнальную зону, а некоторые их типы могут применяться для быстрого перемещения (качания) ДН в пространстве без заметных искажений её формы в значительном секторе углов.

Зеркальные антенны являются наиболее распространённым типом антенн, используемых для радиотелескопов и антенн с очень большой направленностью, применяемых для целей космической связи.

Двухзеркальная антенна является более компактной, чем однозеркальная, позволяет укоротить тракт СВЧ и разместить основную часть конструкции облучателя за зеркалом.

Недостаток системы - затенение раскрыва малым зеркалом.

Двухзеркальная антенна состоит из слабонаправленного излучателя (облучателя) и двух металлических отражателей (зеркал). Одно из зеркал большое и имеет (как у однозеркальных антенн) форму параболоида. Второе зеркало меньше параболического и имеет форму гиперболоида (антенна Кассегрена) или эллипсоида (антенна Грегори). [1]

В данной работе рассматривается антенна Кассегрена , совмещенная с однозеркальной антенной.

Этап 1(расчет антенны Кассегрена)

Общие сведения:

Схема антенны Кассегрена представлена на рис. 1. Малое зеркало расположено так, что внутренний его фокус совмещен с фокусом большого зеркала. Облучатель расположен так, что его фазовый центр совмещен с внешним фокусом малого зеркала. Облучатель направлен на малое зеркало.

Принцип действия этой антенны основан на хорошо известном свойстве гиперболы: если на гиперболу выпустить пучок лучей, расходящихся из одного из ее фокусов, то отраженные лучи будут казаться расходящимися из второго фокуса гиперболы (рис. 2).

На большое (параболическое) зеркало (как и в однозеркальной антенне) падает пучок лучей, расходящийся из фокуса параболы. После отражения большим зеркалом такой пучок в силу известного свойства параболы становится параллельным, а следовательно, антенна формирует узкую диаграмму направленности (ДН) излучения.

Можно считать, что эта антенна является однозеркальной, но ее облучатель представляет собой совокупность слабонаправленного излучателя (истинного облучателя) и малого зеркала. В связи с этим становится понятным, что основные свойства однозеркальной антенны присущи и двухзеркальным.

На рис. 3 представлена схема двухзеркальной антенны. 1 -- большое параболическое зеркало; 2 -- малое (вспомогательное) зеркало; 3 -- фокус большого зеркала и один из фокусов малого зеркала; 4 -- второй фокус малого зеркала, с которым совмещен фазовый центр облучателя, - фокус большого зеркала; - диаметр большого зеркала; - диаметр малого зеркала; - угол раскрыва большого зеркала; - угол раскрыва малого зеркала.

Можно найти такое параболическое зеркало, имеющее диаметр, равный диаметру большого зеркала, которое при облучении реальным источником, используемым в двухзеркальной антенне, имеет в раскрыве такое же распределение амплитуды и фазы поля, что и двухзеркальная система (рис. 4). Такое зеркало называют эквивалентным параболическим зеркалом. На рис.4 1 -- реальное параболическое зеркало; 2 -- эквивалентное параболическое зеркало.

1. Определим фокусное расстояние главного зеркала:

Рассчитаем угол раскрыва:

Из конструктивных соображений выбираем параметры:

Расстояние между фокусами малого гиперболического зеркала:

Угол раскрыва малого зеркала:

2. Рассчитаем основные геометрические параметры двухзеркальной антенны

Эксцентриситет малого зеркала:

Фокусное расстояние эквивалентного зеркала:

Диаметр малого зеркала:

Фокусное расстояние малого зеркала:

Форма гиперболоида:

Профиль главного зеркала:

Глубина главного зеркала:

3. В качестве облучателя возьмем пирамидальный рупор

По известным угловым размерам ширины ДН найдем размеры раскрыва рупора:

Продольные размеры оптимального пирамидального рупора:

Нормированная ДН такого рупора определяется по формуле:

Диаграмма направленности достаточно хорошо аппроксимируется функцией:

4. Рассчитаем и построим график распределения амплитуды поля в раскрыве двухзеркальной антенны:

5. Рассчитывается множитель направленности и ДН двухзеркальной антенны

ДН:

Ширина ДН по уровню 0.5 =0.88 гр.

6. Апертурный коэффициент использования:

Коэффициент перехвата:

Результирующий коэффициент использования площади:

Определим КНД:

Этап 2(расчет зеркальной антенны)

1. В качестве облучателя возьмем пирамидальный рупор

По известным угловым размерам ширины ДН найдем размеры раскрыва рупора:

Продольные размеры оптимального пирамидального рупора:

Нормированная ДН такого рупора определяется по формуле:

Диаграмма направленности достаточно хорошо аппроксимируется функцией:

2. Рассчитаем и построим график распределения амплитуды поля в раскрыве двухзеркальной антенны:

3. Рассчитывается множитель направленности и ДН двухзеркальной антенны:

ДН:

Нормированная диаграмм направленности

Ширина ДН по уровню 0.5 =2 гр.

4. Апертурный коэффициент использования:

Коэффициент перехвата:

Результирующий коэффициент использования площади:

Определим КНД:

Влияние тени от облучателя на коэффициент усиления антенны.

Влияние затенения раскрыва облучателем можно приближенно учесть, сравнивая наибольший из размеров облучателя с размером рефлектора. a/Dб=68/2000=0.034

Тень от облучателя будет влиять на коэффициент использования поверхности, уменьшая его, но это влияние очень незначительно и им можно пренебречь.

Конструктивный расчёт.

Обеспечение минимальной тени облучателя

1 - луч волны с вертикальной поляризацией; 2 - луч

волны с горизонтальной поляриза цией; 3 - поверхность, пропускающая волну с вертикальной поляризацией (система горизонтальных проводов). Такая антенна является двухзеркальной для волны длиной л1 и однозеркальной для волны длиной л2. Если л2 выбрана такой, чтобы большое зеркало не поворачивало поляризацию этой волны (т.е. расстояние между пластинами твистрефлектора такое, что пропускает обе составляющие вектора E волны длиной л2), то антенна будет работать с одной поляризацией для обеих волн. В этом случае затенения раскрыва малым зеркалом не будет ни для волны длиной л1, ни для волны длиной л2

Конструктивно зеркало, прозрачное для волны одной поляризации и отражающее волну, у которой поляризация повернута на 90°, выполняется в виде тонких металлических пластин, запрессованных в диэлектрическую пластину (фторопласт-4 , лд= л/(e^2)=0.014) Если расстояние между пластинами много меньше длины волны, то такая структура является хорошим отражателем волны, поляризация которой параллельна проволокам, и прозрачна для волны с поляризацией, перпендикулярной им. Очень малое расстояние между проводами также нежелательно, так как из-за конечной толщины проволок в этом случае будет возрастать отражение волны, для которой зеркало прозрачно. При больших же расстояниях волна, которая должна отражаться, будет все же частично проходить через решетчатое зеркало.

Коэффициент прохождения можно рассчитать по следующей приближённой формуле:

где - размер раскрыва; - фокусное расстояние; - коэффициент прохождения для плоской поверхности той же конструкции, что и рассматриваемое зеркало; - коэффициент неравномерности поля.

Рассчитаем основные параметры для решётки, выполненной из металлических пластин. Зависимость коэффициента от геометрических размеров пластин для бесконечной плоской решётки приведена в (Жук М.С., Молочков Ю.Б). Зададимся значением и значением . По этим значениям получим .

Коэффициент можно приближённо считать равным коэффициенту использования поверхности зеркала 0.683, тогда или процентов. Толщина пластины

t=0,7мм, S=2.1мм, d=0.84мм

Конструкция поверхности, поворачивающей поляризацию

На поверхности зеркала перпендикулярно ей устанавливаются пластины (наклеивают зубцы), причем так, чтобы плоскости пластин были наклонены на 45° по отношению к вектору Е падающей на зеркало волны (рис. 8,б). Расстояние между пластинами берут S=/8=2,5 мм, ширина (глубина) пластин d=/4=5 мм. Между пластинами при этом может распространяться только волна типа ТЕМ, вектор Е которой перпендикулярен пластинам. Составляющая вектора Е падающей волны, перпендикулярная пластинам, -- Е'пад отражается от поверхности зеркала, в то время как составляющая, параллельная пластинам,-- Е"_пад отражается от поверхности, проходящей примерно по вершинам пластин (ребер). В обоих случаях отражение будет происходить с потерей полуволны. Через половину периода вектор Е'пад вновь будет у поверхности ребер, причем он будет повернут на 180° за счет отражения от металлического зеркала и ориентирован так, как показано на рис. 8,в, где этот вектор обозначен через Е'_отр. За это время вектор Е"_пад изменит фазу времени на 180°, да еще потеряет столько же при отражении и будет ориентирован, как вектор Е"_отр на том же рисунке. Таким образом, результирующий вектор Е отраженной волны Е_отр будет повернут на 90° относительно вектора Е падающей волны.

Расчёт допуска на точность установки облучателей в фокусе

Первый облучатель

Для получения в раскрыве параболической антенны волны с плоским фазовым фронтом необходимо фазовый центр облучателя помещать по возможности точнее в фокусе параболической поверхности. Определим, с какой точностью необходимо выполнять это условие. Допустимый сдвиг облучателя из фокуса определяется неравенством

Второй облучатель:

Расчет допусков на точность изготовления зеркала:

При определении допуска на точность изготовления зеркала исходят из допустимой фазовой ошибки в раскрыве, равной . Это даёт:

где -допустимое отклонение радиуса вектора поверхности зеркала. Допуск в центральной части зеркала равен, таким образом, , а на периферии зеркала может быть менее жёстким.

Допуск в центральной части зеркала:

;

Допуск на периферии зеркала:

Расчет допустимой мощности в волноводах

-широкая стенка рупора,-узкая стенка рупора,-продольные размеры рупора в Е и Н плоскостях соответственно, -угол раскрыва рупора в Н-плоскости, - угол раскрыва рупора в -Еплоскости.

Требования, предъявляемые к облучателю:

1. Облучатель должен излучать энергию лишь в сторону зеркала, т.к. излучение в обратном направлении искажает диаграмму направленности антенны.

2. Облучатель не должен экранировать раскрыв зеркала, в противном случае это приведет к снижению КНД.

Для облучателя1: ap=68мм

bp=51мм

R=77мм

Для облучателя2: ap=49мм

bp=36мм

R=26мм

Описание конструкции:

1) Рефлектор (большое зеркало), представляющий собой усечённый параболоид вращения, с перпендикулярно наклеенными на нем пластинами;

2) Рефлектор (малое зеркало), представляющий собой усечённый гиперболоид вращения, выполненный из тонких горизонтальных металлических пластин, запрессованных в диэлектрическую пластину (фторопласт-4);

3) Облучатель1 - пирамидальный рупор, обеспечивающий горизонтальную поляризацию;

4) Облучатель2- пирамидальный рупор, обеспечивающий вертикальную поляризацию

5) Опоры рефлектора (большого зеркала);

6) Опоры малого зеркала;

7) Питающий волновод1 R140;

8) Питающий волновод1 R58;

9) Механизм вращения по азимуту;

10) Платформа антенны;

11) Вращающееся сочленение.

Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы была разработана двухзеркальная антенна, удовлетворяющая заданным техническим требованиям: осуществляется работа на длинах волн 2см, 5см; обеспечена минимальная тень облучателя. Обеспечена допустимая мощность в антенне 5кВт.

Список литературы

1. Жук М.С., Молочков Ю.Б. «Проектирование антенно-фидерных устройств». М.-Л., издательство «Энергия», 1966.

2. Власов В.И., Берман Я.И. «Проектирование высокочастотных устройств радиолокационных станций». Л., издательство «Судостроение», 1961.

3. Драбкин А.Л. и др. «Антенно-фидерные устройства». Изд. 2-е, дополненное и переработанное. М., «Сов. радио», 1974.

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

5. Маторин А.В., Рубцов А.В., учебное пособие «Устройства СВЧ и антенны». Р.,2003.

6. Маторин А.В., учебное пособие «Устройства СВЧ и антенны». Р.,2010.

7. Рендакова В.Я. и др., учебное пособие «Устройства СВЧ и антенны». Р.,2008.

Размещено на Allbest