Двухзеркальная приемная антенна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Общие сведения

Список использованной литературы

1. Общие сведения

Двухзеркальная антенна состоит из слабонаправленного излучателя (облучателя) и двух металлических отражателей (зеркал). Одно из зеркал большое и имеет (как у однозеркалъных антенн) форму параболоида. Второе зеркало значительно меньше параболического и имеет форму гиперболоида (антенна Кассегрена) или эллипсоида (антенна Грегори). В данной работе рассматривается антенна Кассергена.

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, и отразить их по закону геометрической оптики, - отраженные лучи будут казаться расходящимися из второго фокуса гиперболы.

Двухзеркальная антенна действует следующим образом (рис. 3). Энергия излучения облучателя падает на малое зеркало. После отражения от малого зеркала она направляется на большое зеркало. После отражения большим зеркалом электромагнитная энергия направляется в свободное пространство. Так как фазовый центр облучателя совмещен с внешним фокусом малого (гиперболического) зеркала, на последнее падает пучок лучей, расходящийся из его фокуса. В соответствии с только что названным свойством гиперболы отраженный от малого зеркала пучок лучей будет расходиться из второго фокуса малого зеркала, который совмещен с фокусом большого зеркала. Поэтому 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 характеристику направленности (ХН) излучения. На большом расстоянии от антенны в силу дифракционных явлений лучи в некоторой степени расходятся. Однако если размеры большого зеркала достаточно велики в сравнении с длиной волны колебаний л, расходимость их невелика и ХН получается узкой. Поверхность S называют излучающей поверхностью антенны.

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.

Большое зеркало антенны обычно имеет форму симметричной вырезки из параболоида вращения. У такого зеркала (рис. 4) два геометрических размера, которые можно выбирать независимо друг от друга - диаметр а и угол раскрыва Ш (угол, под которым зеркало видно из его фокуса F).

Профиль зеркала (парабола) описывается формулой: фокусное расстояние f выражается через диаметр зеркала и угол его раскрыва формулой:

Малое зеркало системы обычно имеет форму симметричной вырезки из гиперболоида вращения. У него три геометрических размера, которые можно выбирать независимо друг от друга - диаметр а_т, внешний угол раскрыва (угол, под которым зеркало видно из внешнего фокуса) Ш_m и расстояние между фокусами f₀.

Профиль зеркала (гипербола) описывается формулой:

Фокусное расстояние малого зеркала можно выразить через его диаметр, внешний угол раскрыва и расстояние между фокусами, решив следующее уравнение.

В качестве облучателя двухзеркальных антенн чаще всего используют "синфазные" (почти синфазные) пирамидальные или расфазированные конические рупоры. Последние могут быть с гладкими внутренними стенками (гладкостенные) или ребристые. Важнейшими характеристиками облучателя, существенно влияющими на свойства зеркальной антенны, являются форма и ширина его ХН. Форма ХН облучателя определяется его типом, а ширина - размерами излучающей поверхности облучателя. Чем больше размеры, тем уже ХН облучателя.

В данной работе будем считать ХН облучателя осесимметричной. При осесимметричной ХН облучателя распределение амплитуды поля на излучающей поверхности осесимметричного зеркала тоже получается осесимметричным.

2. Расчет параметров и характеристик антенны

Этап 1. Приближенный расчет размеров антенны

1. Выбор формы излучающей поверхности и профиля зеркала

При выборе типа облучателя следует иметь в виду, что рупорные облучатели обеспечивают максимальную мощность излучения, большую полосу рабочих частот, позволяют в широких пределах подбирать ширину ХН облучателя. Однако эти облучатели создают значительную тень на излучающей поверхности. Щелевые облучатели создают гораздо меньшую тень, но они не могут работать при очень большой мощности излучения, имеют узкую полосу рабочих частот. Так как в задании задана приемная антенна которая работает с небольшой мощностью принимаемого сигнала и дана фиксированная частота, то мы будем использовать щелевой облучатель Катлера состоящий из 2-х щелей вырезанных в стенке волновода (синфазная решётка).

3. Выбор желаемого распределения амплитуды поля на излучающей поверхности проектируемой антенны

Основные электрические характеристики антенны определяются ее размерами и распределением амплитуды поля на ее излучающей поверхности. Поэтому размеры антенны по заданным электрическим характеристикам невозможно определить, пока неизвестно распределение амплитуды поля на излучающей поверхности. Но распределение амплитуды поля нельзя рассчитать, пока неизвестны размеры антенны.

Чтобы разорвать этот замкнутый круг, поступают следующим образом. Сначала определяют желаемое распределение амплитуды поля на излучающей поверхности проектируемой антенны, исходя из ее назначения. Затем рассчитывают размеры антенны, полагая, что реальное распределение амплитуды поля будет отличаться от желаемого не очень сильно. Достаточно хорошего совпадения реального распределения с желаемым добиваются при расчете размеров антенны выбором размеров облучателя, т.к. реальное распределение амплитуды поля в первую очередь определяется характеристикой направленности облучателя, а она, в свою очередь, - размерами облучателя.

Установлено, что реальное распределение амплитуды поля на излучающих поверхностях зеркальных антенн хорошо аппроксимируется следующей функцией:

где 1\х) -- нормированное к единице распределение амплитуды поля на излучающей поверхности антенны (распределение фиктивного поверхностного тока); Д - относительный уровень амплитуды поля на краю излучающей поверхности.

У представленной функции есть два параметра - Д и n. Параметр Д - относительный уровень амплитуды поля на краю излучающей поверхности, параметр п - целое число, определяющее скорость уменьшения амплитуды поля от центра к краям излучающей поверхности. В центре эта функция всегда равна единице. Чем меньше Д и больше п, тем сильнее амплитудные искажения. Желаемые величины Д= 0.15 и n = 2.

4. Выбор углов раскрыва зеркал

Угол раскрыва малого зеркала выбирается произвольно. При выборе Ш_т следует учитывать следующее: Если этот угол сделать слишком большим, теряются почти все преимущества двухзеркальной антенны перед однозеркальной: уменьшаются фокусное расстояние и угол раскрыва эквивалентного зеркала, что сводит на нет преимущество в КИП; уменьшается расстояние между фокусами малого зеркала f₀ , что удаляет облучатель от большого зеркала и увеличивает длину фидера. Если угол Ш_т сделать слишком маленьким, размеры облучателя требуются очень большие; условие равенства теней облучателя и малого зеркала становится невыполнимым, а в итоге результирующая тень на излучающей поверхности из-за тени от облучателя становится слишком большой.

Учитывая сказанное, угол раскрыва малого зеркала выбирают в пределах от 50 до 100 °. Выберем угол раскрыва малого зеркала равным Ш_m = 90 °. Угол раскрыва большого зеркала рассчитывается:

градусов

5. Расчет диаметра большого зеркала и его фокусного расстояния.

Диаметр зеркала a выбирается по заданной ширине ХН проектируемой антенны и выбранному желательному распределению амплитуды поля на излучающей поверхности. А фокусное расстояние рассчитывается на основе знания диаметра и угла раскрыва большого зеркала. Расчёт диаметра большого зеркала

Расчёт фокусного расстояния большого зеркала

6. Расчет размеров излучающей поверхности облучателя

Для облучателя Катлера необходимо вычислить расстояние между щелями (оно подбирается так, чтобы на краях зеркала был уровень поля 0.15)

-характеристика направленности облучателя

k-волновое число

d-расстояние между щелями

7. Расчет остальных размеров облучателя.

Необходимо выбрать стандартный волновод для заданной частоты и рассчитать длину этого волновода. Выбираем из справочника стандартный волновод R100 a=22,680(мм)-ширина b=10,160(мм). Длину волновода рассчитываем по формуле

8. Замена двухзеркальной антенны эквивалентной однозеркальной.

Замена двухзеркальной антенны, эквивалентной однозеркальной, осуществляется в соответствии с рис. 6 и формулой:

произведем замену двухзеркальной антенны однозеркальным эквивалентом и определим его фокусное расстояние в соответствие с формулой, приведенной выше:

9. Расчет распределения поля на излучающей поверхности антенны и его аппроксимация

- аппроксимированное распределение поля на излучающей поверхности антенны

- истинное распределение поля на излучающей поверхности антенны

На рис. 7 видно, что желаемое n = 2 позволяет с достаточной точностью аппроксимировать реальное распределение поля на излучающей поверхности антенны, поэтому для дальнейших расчетов было выбрано n = 2.

Расчет размеров малого зеркала

У малого зеркала можно выбирать независимо друг от друга три размера: диаметр а_т, расстояние между фокусами f₀ и внешний угол раскрыва Ш_т. Последний из них мы уже выбрали. Для расчета двух оставшихся размеров необходимы два условия.

1. Условие попадания луча с края малого зеркала на край большого.

Размеры двухзеркальной антенны должны быть подобраны так, чтобы луч с края малого зеркала попадал на край большого (рис. 10). В этом случае поверхность большого зеркала используется полностью и в то же время исключается "переливание" энергии через края большого зеркала ("перелив" энергии может быть только через края малого зеркала). Это условие выполняется, если внутренний угол раскрыва малого зеркала (угол, под которым оно видно из внутреннего фокуса) равен углу раскрыва большого зеркала.

2. Условие минимизации площади тени на излучающей поверхности антенны от облучателя и малого зеркала.

b1- длина волновода b2- ширина волновода

Решив данное уравнение найдём f0:

далее вычисляем по следующей формуле:

и наконец вычисляем fm по формуле:

На этом этап приближённого расчёта размеров антенны заканчивается.

Этап 2. Расчет электрических характеристик антенны и уточнение ее размеров

1. Расчет характеристики направленности антенны

Характеристика направленности антенны рассчитывается по формуле:

антенна излучающий зеркало аппроксимация

J1-функция Бесселя первого порядка

В задании требуется ширина ХН по мощности 1.1? на уровне 0.5. Построенная ХН имеет ширину приблизительно 1.07? что незначительно отличается от заданной, поэтому можно обойтись без уточнения геометрических размеров антенны, что, хоть и незначительно, отразилось бы на электрических характеристиках системы, а также нарушило бы условие равенства теней малого зеркала и облучателя.

2. Расчет коэффициента направленного действия антенны

КНД будем рассчитывать по формуле:

D=35660

где S-площадь раскрыва антенны, н=0,81- коэффициент использования площади поверхности антенны.

3. Расчет коэффициента бегущей волны в волноводе

КБВ будем рассчитывать по формуле:

КБВ будем рассчитывать по формуле:

Г=0,112

КБВ=0,799=79,9%

Мы получили коэффециент бегущей волны 79,9%, это практически соответствует требованиям технического задания.

Заключение

В данной курсовой работе была рассчитана двухзеркальная приёмная антенна Кассегрена. Были определены все необходимые параметры и размеры частей антенны, а также мной был составлен эскиз этой антенны.

Список использованной литературы

1. Сазонов Д. М., Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988.

2. Антенны и устройства СВЧ / Под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1994.

3. Жгутов Е.В., Рубцов А. В. Устройства СВЧ и антенны: учебное пособие по курсовому проектированию на ЭВМ. Часть 2. Рязань: РГРТА, 2004.

Размещено на Allbest.ru