Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В курсовой работе мы рассчитаем зеркальную параболическую антенну. Зеркальная антенна -- антенна, у которой электромагнитное поле в раскрыве образуется за счет отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального зеркала (рефлектора). В качестве источника волны обычно выступает небольшой излучатель, располагаемый в фокусе зеркала. В его роли может быть любая другая антенна с фазовым центром, излучающая сферическую волну. Основная цель зеркальных антенн сводится к преобразованию сферического или цилиндрического фронта волны в плоский.

Зеркало обычно изготовляется из алюминиевых сплавов. Иногда для уменьшения парусности зеркало делается не сплошным, а решетчатым. Поверхности зеркала придается форма, обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболее распространенными являются зеркала в виде параболоида вращения, усеченного 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. Наряду с однозеркальными антеннами применяются и двухзеркальные.

Принцип действия зеркальной антенны заключается в том, что 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 называют однонаправленными.

В раскрыве антенны отраженная волна обычно имеет плоский фронт для получения острой диаграммы направленности либо фронт, обеспечивающий получение диаграммы специальной формы. На больших (по сравнению с длиной волны и диаметром зеркала) расстояниях от антенны эта волна в соответствии с законами излучения становится сферической.

1. Теоретические сведения

Параболические антенны являются одним из наиболее распространенных типов антенн, используемых в современных радиотехнических системах различного назначения (радиорелейные системы связи, радиолокация, спутниковые системы связи и вещания и т.д.). Они применяются в различных диапазонах волн, от метровых до миллиметровых. Наибольшее распространение получили антенны с зеркалами в виде параболоида вращения, усеченного параболоида и параболического цилиндра. Такие антенны обладают высоким КПД, возможностью формирования разнообразных ДН при относительной простоте конструкции, малой шумовой температурой.

Параболическая антенна состоит из двух элементов: металлического параболического профиля и облучателя, помещенного в фокусе зеркала. Схема антенны с параболическим зеркалом представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Схема параболической антенны

Принцип работы антенны основан на том, что сумма расстояний от фокуса F до зеркала и от зеркала до апертуры является величиной постоянной. Следовательно, если в фокусе расположен источник сферической волны, то после отражения от зеркала волна преобразуется в плоскую, и излучающий раскрыв антенны возбуждается синфазно. При равномерном облучении зеркала ДН параболической антенны является иглообразной. При облучении только части зеркала можно получить плоскую ДН.

Параболический профиль зеркала описывается в прямоугольной системе координат уравнением:

, (1)

где f - фокусное расстояние.

Параболическая антенна характеризуется геометрическими размерами R - радиусом раскрыва (апертуры), f - фокусным расстоянием и - углом раскрыва, которые связаны соотношением:

. (2)

С точки зрения формирования поля излучения и диаграммы направленности антенну с зеркалом в виде параболоида вращения можно рассматривать как синфазно возбужденный круглый раскрыв, амплитудное распределение возбуждающего поля на котором описывается некоторой функцией. Вид этой функции определяет форму и параметры ДН антенны при заданном размере раскрыва.

Облучатели зеркальных антенн.

Облучатель является важнейшим элементом параболической антенны, определяющий её характеристики. В качестве облучателей используются слабонаправленные антенны, удовлетворяющие следующим основным требованиям:

ДН должна обеспечивать необходимое амплитудное распределение поля на излучающем раскрыве зеркала;

облучатель должен иметь фазовый центр, совмещенный с фокусом зеркала;

рабочая полоса частот должна соответствовать заданной;

поперечные размеры облучателя должны быть минимальны для уменьшения затенения зеркала.

Наиболее применимы на практике облучатели следующих типов: вибраторные, волноводно-рупорные, щелевые.

Волноводно-рупорные облучатели находят широкое применение в связи с простотой конструкции, возможностью формирования ДН требуемой ширины в обеих плоскостях и хорошими диапазонными свойствами.

Простейшим облучателем данного типа является открытый конец волновода. Однако такая антенна обладает тем недостатком, что из-за резкого изменения условий распространения при переходе волновода к свободному пространству значительная часть электромагнитной волны отражается от открытого конца. Волновод оказывается плохо согласованным с окружающим пространством. Избежать этого можно плавным увеличением размеров поперечного сечения волновода, т.е. придания ему формы рупора.

Существуют различные типы рупоров. Рупор, образованный плавным увеличением поперечного сечения круглого волновода, называется коническим. При плавном переходе от волновода к рупору структура поля в нем напоминает структуру поля в волноводе. Облучатель в виде конического рупора был выбран в данной курсовой работе.

Диаграмма направленности круглого волновода по форме близка к параболоиду вращения, что позволяет получить достаточно равномерное, относительно оси, облучение зеркала, необходимое для создания «игольчатой» диаграммы направленности. Кроме того, при этом значительно уменьшается перекрестная поляризация, поскольку волна Н11, распространяющаяся в круглом волноводе, сама имеет перекрестную составляющую, но направленную противоположно перекрестной составляющей волны, отраженной от зеркала при облучении его линейно-поляризованным полем.

Расчет ДН зеркальных антенн.

Существуют два приближенных метода определения направленных свойств параболической антенны: токовый и апертурный. Токовый метод предлагает расчет ДН параболической антенны по распределению токов на поверхности зеркала. Зная распределение токов на поверхности зеркала можно определить направленные свойства параболической антенны. Для этого необходимо проинтегрировать по всей поверхности зеркала выражение для напряженности поля, создаваемого элементом поверхности зеркала, рассматривая его как элементарный электрический вибратор. Токовый метод обеспечивает достаточно точные результаты в пределах главного бокового лепестка антенны и прилегающих к нему боковых лепестков. Однако недостатком метода является его сложность и громоздкость. В данной работе расчет ведется по апертурному методу. Рассмотрим в качестве излучающей плоскую поверхность раскрыва. Можно определить напряженность поля в любой точке пространства по распределению поля на поверхности раскрыва. Для приближенного определения распределения поля на поверхности раскрыва можно воспользоваться методом геометрической оптики, согласно которому каждому лучу облучателя, падающему на поверхность зеркала, соответствует луч, отраженный от этой поверхности. Если облучатель расположен в фокусе параболоида, все отраженные от поверхности антенны лучи оказываются параллельными (плоская волна), и поэтому плотность энергии на пути от поверхности параболоида до излучающей поверхности не меняется. На пути от облучателя до поверхности параболоида амплитуда лучей убывает обратно пропорционально расстоянию. Таким образом, если в фокусе параболоида размещен облучатель с диаграммой направленности , то распределение поля в раскрыве антенны по методу геометрической оптики определится равенством:

. (3)

ДН вибраторного облучателя с дисковым рефлектором можно найти по следующей формуле:

2. Расчетная часть

1. Определяется площадь и радиус раскрыва апертурной антенны.

При этом используется соотношение:

где - геометрическая площадь раскрыва, - результирующий коэффициент использования площади апертурной антенны, который на первом этапе проектирования может быть принят равным 0.5.

, , =35 дБ (3162 раз) , D=/0.9.

D=3514 раз (35.5 дБ)

м

2. Выбирается тип облучателя.

Антенны вибраторного типа очень широко используются в нижней части СВЧ диапозона и как самостоятельные приемные и передающие антенны, и как составные элементы сложных антенн. Они часто применяются в качестве облучателей сложных антенн, например параболических зеркал.

Антенны вибраторного типа выполняются из металлических проводов, лент или труб и питаются как двухпроводными фидерами, так и коаксиальными кабелями. Существует большое разнообразие симметричных и несимметричных вибраторов и способов их питания. Во всех случаях вибраторы имеют следующие свойства: простота конструкции, высокий кпд, относительно широкая полоса пропускаемых частот, устойчивый режим работы во времени.

В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн часто применяются вибраторные облучатели, питаемые коаксиальной линией. Для придания ДН облучателя однонаправленности используют рефлекторы в виде отражающих дисков. Фазовый центр облучателей такого типа находится между вибратором и рефлектором. Рефлекторы вибраторных антенн целесообразно выполнять в виде дисков диаметром (0,7-0,8)л. При этом ДН близка к осесимметричной. Вибраторные облучатели целесообразно использовать с достаточно глубокими параболическими зеркалами про 2*Ш0=120-180 градусов.

Геометрический расчёт основных размеров облучателя.

Конструкция вибраторного облучателя приведена на рисунке 2. Для определения конструктивных размеров облучателя рассчитаем длину волны по заданной частоте ѓ = 6 ГГц:

Рисунок 2

Определим геометрические размеры облучателя, в соответствии с обозначениями на рисунке:

A=0,47·л=0,0235м=2,35см,

B=0,19·л=0,0095м=0,95см,

C=0,8·л=0,04м=4см,

D=0,24·л=0,012м=1,2см,

E=0,16·л=0,008м=0,8см.

3. Рассчитывается нормированная ДН облучателя.

Для обеспечения небольшого затенения раскрыва облучателем (уменьшение результирующего КИП (5-7%)) диаметр рупорного облучателя выбирается из условия .

ДН вибраторного облучателя с дисковым рефлектором рассчитывается по следующей формуле:

Рисунок 3

4. Находится угол раскрыва апертурной антенны

Построив график по формуле , найдем угол раскрыва графически (=0.31):

Рисунок 4

.

5. Рассчитываются геометрические параметры зеркальной антенны:

-фокусное расстояние зеркальной антенны,

где - радиус раскрыва зеркала

=0.69 м,

- профиль зеркала

Рисунок 5

- глубина зеркала;

= 0.161 м.

6. Рассчитывается и строится график распределения амплитуды поля в раскрыве антенны.

Рисунок 6

,

где:

,

7. Рассчитывается множитель направленности и ДН зеркальной антенны:

Рисунок 7

Рисунок 8

Рисунок 9

8. С помощью полученного графика определяется ширина ДН по уровню половинной мощности и УБЛ.

=3.5

УБЛ= -24.4 дБ (задано УБЛ= -19 дБ).

9. Рассчитывается результирующий коэффициент использования площади.

,

где:

- апертурной коэффициент использования площади,

- коэффициент перехвата

=0.901

=0.907

=0.818

Определяется расчетный КНД:

дБ (задано дБ)

10. Выбор фидерного тракта

Питание облучателя осуществляется с помощью коаксиальной линии. При непосредственном присоединении коаксиального кабеля к вибратору: одно плечо (правое) присоединено к жиле кабеля, второе (левое) - к оболочке кабеля, то при таком способе питания правое плечо вибратора имеет емкостную связь не только с левым плечом, но и с наружной поверхностью оболочки кабеля, на которой возникают токи. Вследствие этого наружная поверхность оболочки кабеля оказывается включенной параллельно с левым плечом и токи на плечах вибратора будут различны (вибратор получит несимметричное питание).

Таким образом, при питании симметричного вибратора коаксиальным кабелем требуется исключить возможность возникновения токов на наружной поверхности оболочки кабеля. Для решения этой задачи переход от коаксиальной линии к симметричному вибратору осуществлен с помощью симметрирующего устройства в виде четверть волнового стакана. Благодаря емкостной связи с вибратором могут возникнуть токи на наружной поверхности экрана, однако эти токи будут иметь одну фазу при возбуждении их от одного плеча и противоположную - от другого плеча. Поэтому токи, как показано стрелками на рисунке 10, будут замыкаться друг на друга в небольшой области вблизи верхней кромки экрана и не будут затекать вниз. Излучение токов из-за их противофазности при небольшом диаметре экрана будет крайне слабым.

Внутренняя поверхность экрана (рисунок 10) вместе с наружной поверхностью оболочки 3 кабеля образует свою коаксиальную линию. Будучи замкнутой короткозамыкателем 1 при четвертьволновой длине, эта линия имеет бесконечно большое входное сопротивление, а при длине, близкой к л/4, ее входное сопротивление конечно, но достаточно велико. При такой длине экрана (примерно л/4) сказанное выше об изолированности его верхней кромки от обоих плеч справедливо. При значительном отклонении длины экрана от входное сопротивление линии экран- оболочка кабеля может стать небольшим и тогда верхняя кромка экрана будет иметь контакт по высокой частоте с левым плечом вибратора, присоединенным к оболочке кабеля. Это приведёт к возбуждению на экране токов одной фазы и их затеканию вниз на оболочку кабеля.

Рисунок 10 - Эскиз облучателя с симметрирующим устройством в виде четверть волнового стакана

На рисунке 11 изображен эскиз облучателя и присоединительного разъема.

Присоединение радиочастотного кабеля к облучателю производен с помощью соединителя АРС-3,5 мм, который обладает следующими параметрами: волновое сопротивление 50 Ом; диапазон частот 0-32 ГГц; вносимые потери не более 0,18 дБ; количество присоединений/ рассоединений не менее 5000.

Питание облучателя осуществляется с помощью коаксиального кабеля волновым сопротивлением 50 Ом. Соотношение диаметров внутреннего и внешнего проводника выбираем исходя из волнового сопротивления 50 Ом по формуле:

,

где - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; d - радиус внутреннего проводника; D - радиус внешнего проводника.

Соединитель АРС-3,5 имеет воздушное заполнение, тогда волновое сопротивление равно:

антенна радиотехнический облучатель рефлектор

Рисунок 11 - Эскиз облучателя с присоединительным разъемом

Литература

1. “Антенны и устройства СВЧ”, Сазонов Д.М., 1988 г.

2. “Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства средств связи с подвижными объектами ”, часть III, Маторин А.В., 2009 г.

3. “Антенно-фидерные устройства”, Драбкин А.Л. и др., 1974 г.

4. “Антенны УКВ” т 1 и 2, Айзенберг Г.З. и др., 1977 г.

5. “Микроволновые антенны”, Кюн Р., 1967 г.

Размещено на Allbest.ru