Расчет параболической антенны

Размещено на http://www.allbest.ru/

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

ТЕМА: «РАСЧЕТ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ»

Проверил:

Чмырев Николай Алексеевич

Минск, 2008г.

Содержание

Исходные данные

Введение

1. Принцип действия параболических зеркальных антенн

2. Конструктивный расчет оптимальной зеркальной антенны

2.1 Расчет геометрических размеров и профиля зеркала

2.2 Расчет допусков на изготовление антенны

2.3 Выбор типа облучателя и расчет его геометрических размеров

2.4 Расчет диаграммы направленности облучателя

3. Расчет диаграммы направленности параболической антенны

4. Конструктивный чертеж антенны

Выводы

Литература

Исходные данные

Произвести конструктивный и электрический расчет параболической антенны.

Средняя длина волны - 0=12 см.

Максимальное значение коэффициента направленного действия (КНД) - Dmax=30 дБ.

Ширина основного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности - 20,5=12.

Введение

В настоящее время зеркальные антенны (ЗА) являются самым распространенным типом остронаправленных антенн в диапазоне СВЧ. Высокая направленность, простота и малый вес конструкции, возможность построения зеркальных антенн с равносигнальными зонами и электромеханическими сканерами для достаточно быстрого качания ДН обусловили из широкое применение в качестве антенн различных РЛС, как наземных, так и бортовых. Возможность построения на основе таких антенн устройств с очень высокой направленностью и малой шумовой температурой определила широкое их распространение в качестве радиотелескопов и антенн для космической связи.

Существующие типы зеркальных антенн по количеству зеркал в антенне делятся на однозеркальные и много- (двух-, трех-) зеркальные.

Применяемые в настоящее время в РЛС диапазона СВЧ однозеркальные антенны по профилю и форме зеркала можно разделить на следующие типы:

- осесимметричный параболоид вращения (ПВ);

- симметрично и несимметрично усеченные ПВ, в том числе внеосевые несимметричные вырезки из ПВ;

- симметричные и несимметричные параболоцилиндрические антенны (ПЦА);

- сферические и кругоцилиндрические зеркальные антенны.

Осесимметричные ПВ и квадратные или круглые внеосевые вырезки из них применяются для формирования осесимметричных игольчатых диаграмм направленности (ДН). Симметрично и несимметрично усеченные ПВ и прямоугольные или овальные внеосевые вырезки из них применяются для формирования веерных ДН с небольшой (в два-пять раз) разницей в ширине ДН в главных плоскостях. Основные преимущества ЗА в форме внеосевых вырезок из параболоида вращения заключаются в отсутствии затенения зеркала облучателем и реакции зеркала на облучатель, что уменьшает уровень боковых лепестков антенны и улучшает согласование облучателя в диапазоне.

Антенны с зеркалами в виде различных форм ПВ позволяют: образовывать равносигнальную зону с последовательным (путем вращения или смещения облучателя) и одновременным (с помощью нескольких облучателей) сравнением сигналов; производить линейное и двумерное сканирование в секторах, в несколько раз превышающих ширину главного лепестка путем выноса точечного облучателя из фокуса.

Общими недостатками однозеркальных антенн являются: неудобство подвода высокочастотной энергии к облучателю, относительно большие продольные размеры (фокусное расстояние примерно равно раскрыву) и малые возможности по сканированию при смещении облучателя из фокуса. Длинный фидерный тракт и система крепления облучателя увеличивают вес антенны, затенение раскрыва и рассеяние энергии. В случае применения сложных облучателей (моноимпульсные и сканирующие ЗА) этот недостаток проявляется еще сильнее. При выборе размеров антенны для обеспечения необходимых характеристик и параметров у однозеркальной антенны мало степеней свободы, их возможности ограничены изменением соотношения диаметра зеркала DА=2a к фокусному расстоянию f и изменением в небольших пределах ДН облучателя.

1. Принцип действия параболических зеркальных антенн

Принцип действия параболических зеркальных антенн основан на известном из оптики свойстве таких зеркал преобразовывать сферический или цилиндрический фронт падающей на них волны в плоский. При этом создается синфазное поле на большом излучающем раскрыве и достигается высокая направленность антенны. ЗА состоят из облучателя и рефлектора (зеркала).

Основные типы зеркальных антенн представлены на рис. 1.

Рис. 1. Типы зеркальных антенн:

а) - параболоид вращения; б) - параболический цилиндр; в) - сферическое зеркало;

г) - сферопараболическое зеркало; д)- косекансная зеркальная антенна;

е) - двухзеркальная антенна

Зеркальные антенны специального профиля служат для создания характеристик направленности заданной формы (чаще всего косекансной). Профиль зеркала рассчитывается таким образом, чтобы получить требуемое фазовое распределение на раскрыве, обеспечивающее необходимую форму главного лепестка.

Основные геометрические соотношения и параметры параболических зеркал. Профиль параболического зеркала показан на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 . К выводу геометрических соотношений для параболического зеркала

Введя две системы координат (прямоугольную ХOZ и полярную r, ), запишем уравнения параболы

,

,

где - параметр параболы; f - фокусное расстояние.

Выразим координату х через f и .

.

Определения основных геометрическим параметрам параболических зеркал следующие.

Точка О называется вершиной параболоида, а расстояние от нее до фокуса F _ фокусным расстоянием.

Прямая, проходящая через вершину и фокус зеркала. называется оптической или фокальной осью.

Угол 20 под которым из фокуса F видны края параболоида, называется углом раскрыва зеркала.

Поверхность, ограниченная кромкой (краем) параболоида и плоскостью , называется раскрывом (апертурой) зеркала; расстояние АВ = 2а= DА называется диаметром раскрыва. Расстояние z0 от вершины зеркала до раскрыва называется глубиной зеркала. Если z0 < f, то параболоид называют мелким или длиннофокусным, если же z0 > f -- глубоким или короткофокусным.

Установим связь между глубиной зеркала, диаметром раскрыва и фокусным расстоянием. Подставив в формулу (1) и , получим

.

Форму зеркала часто характеризуют отношением радиуса раскрыва а к параметру р=2f :

.

У длиннофокусных параболоидов и ,у короткофокусных и .



2. Конструктивный расчет оптимальной зеркальной антенны

Конструктивный расчет оптимальной зеркальной антенны в виде осесимметричного параболоида вращения включает расчет геометрических размеров зеркала, а также выбор и определение размеров облучателя.

2.1 Расчет геометрических размеров и профиля зеркала

Коэффициент направленного действия оптимальной зеркальной антенны определяется выражением (11.40, [2]):

,

где - коэффициент использования площади антенны, примем ;

S - площадь раскрыва антенны.

КНД антенны составляет

.

Выразив из выражения (1) площадь раскрыва антенны получим:

м2.

Площадь круга и его диаметр связаны выражением:

,



откуда м = 1708 мм.

Ширину главного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности можно ориентировочно оценить по формуле (4-45, [3]):

,

Произведем расчет геометрии профиля зеркала.

Угол раскрыва оптимальных осесимметричных зеркальных антенн в виде параболоидов вращения составляет 20=(140180) . Примем 20=140.

В этом случае фокусное расстояние можно определить из выражения 8.3. [2]:

м = 610 мм.

Глубина профиля параболического зеркала составляет:

м = 299 мм.

Уравнение параболы описывается выражением:

.

Результаты расчетов профиля зеркала показаны на рис. 3. Буквой F обозначен фокус зеркала (положение фазового центра облучателя).

Рис. 3. Профиль зеркала в плоскости X

С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность зеркала может быть выполнена перфорированной, или сетчатой.

При такой конструкции зеркала часть энергии просачивается сквозь него, образуя обратное, нежелательное излучение. Допустимым является значение коэффициента прохождения в обратном направлении:

Т = 0,01…0,02,

где - мощность излучения в обратном направлении и падающего на зеркало, соответственно.

Для перфорированного отражателя диаметр отверстий должен быть меньше 0,2 при суммарной площади отверстий не более 0,5…0,6 всей площади зеркала.

Двухлинейная сетка работает удовлетворительно при расстоянии между проводниками меньше 0,1 и диаметре проводов не менее 0,01.

2.2 Расчет допусков на изготовление антенны

Неизбежные неточности при выполнении любой антенны, в частности, зеркальной (неточное выполнение поверхности зеркала, неточная установка облучателя и др.) вызывают отклонение распределения поля на излучающей поверхности от расчетного и соответствующие искажения диаграммы направленности. При этом на направленные свойства зеркальной антенны в основном влияют фазовые искажения.

Ошибки в распределении поля по раскрыву могут быть систематическими и случайными. Причинами систематических ошибок бывают смещение облучателя из фокуса, затенение раскрыва зеркала облучателем и элементами его крепления и др. Причинами случайных ошибок являются: недостаточная точность обработки профиля зеркала, случайные деформации поверхности антенны вследствие изменения температуры или ветровых нагрузок и др. Систематические ошибки одинаковы в различных экземплярах антенны данной конструкции (при одинаковом методе изготовления). Их можно учесть заранее. Случайные ошибки могут быть различными в отдельных экземплярах антенн, несмотря на их одинаковую конструкцию и методы изготовления. Заранее их учесть невозможно и влияние их можно оценить только статистическими методами, позволяющими находить средние (для данного семейства антенн) характеристики направленности или средние значения некоторых параметров (например, КНД).

Неточность изготовления зеркала вызывает несинфазность поля в раскрыве. Допустимыми являются фазовые искажения поля в раскрыве зеркала не более . При этом уменьшение коэффициента усиления антенны не превышает нескольких процентов.

Пусть поверхность параболоида имеет некоторые неровности (выступы и углубления). Наибольшее отклонение от идеальной поверхности в направлении обозначим через (рис. 4).

Рис. 4. К расчету точности изготовления профиля зеркала

Путь луча, отражённого от неровности в месте наибольшего отклонения от изменяется при этом на величину , а соответствующий сдвиг фаз составит величину , и он не должен превышать величину , отсюда получаем:

.

Анализ полученного выражения для показывает, что вблизи центра параболоида необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной поверхности не должно превосходить величины , у кромки параболоида требования к точности получаются наименьшими.

Для центра параболоида:

м = 7,5 мм.

У кромки параболоида:

м = 11,2 мм.

Точность установки облучателя также определяется нормами на наибольшие допустимые фазовые искажения поля в раскрыве. Пусть фазовый центр облучателя смещён на .

Тогда длины путей лучей от фазового центра до раскрыва увеличиваются. Это удлинение путей при малых смещениях можно приблизительно определить как . Тогда изменение фазы составит величину:

,

где: _ фазовые искажения, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать ,отсюда получаем, что:

м = 11,2 мм.

Правильная оценка влияния случайных ошибок на направленные свойства антенны позволяет установить допуски на необходимую точность изготовления антенны. Это особенно важно при проектировании больших зеркальных антенн для космической радиосвязи и радиоастрономии, так как от величины допусков существенно зависит стоимость антенны. Необходимо также иметь в виду следующее. Минимально возможная абсолютная ошибка в выполнении профиля зеркала при данном состоянии технологии изготовления зеркал растет примерно пропорционально диаметру зеркала. Поэтому относительная точность изготовления зеркала _ есть величина постоянная. Увеличение диаметра зеркала при заданной длине волны приводит к росту фазовых искажений в раскрыве зеркала.

При некоторой величине D фазовая ошибка превысит допустимую величину и дальнейшее увеличение диаметра зеркала (или уменьшение при заданном D) ухудшает диаграмму направленности и уменьшает КНД. Другими словами, при данной величине относительной ошибки _ имеется некоторое предельное значение КНД антенны, которое нельзя превзойти ни увеличением диаметра зеркала, ни уменьшением длины волны. Правильный учет влияния случайных ошибок на направленные свойства антенны позволяют выбирать максимальный диаметр раскрыва антенны при заданной или выбирать мин при заданном диаметре зеркала.

2.3 Выбор типа облучателя и расчет его геометрических размеров

В качестве облучателей ПВ могут применяться различные слабонаправленные антенны: вибраторы с плоским или линейным пассивным рефлектором, двухщелевые и волноводные облучатели, пирамидальные и конические рупоры, спиральные и логопериодические антенны. Наиболее часто применяемые виды облучателей зеркальных антенн представлены на рис. 5.

К облучателям параболоидов вращения предъявляются следующие требования:

- ДН облучателя для увеличения коэффициента эффективности антенны должна быть широкой и близкой к осесимметричной, а уровень бокового и заднего излучения - минимальным;

- фронт волны облучателя в пределах угла раскрыва зеркала 20 должен быть по возможности ближе к сферическому, т. е облучатель для уменьшения фазовых ошибок на раскрыве зеркала должен иметь точечный фазовый центр;

- облучатель должен иметь минимальные поперечные размеры, чтобы возможно меньше затенять раскрыв зеркала.

Для получения круговой поляризации наиболее целесообразным представляется использование волноводных или рупорных антенн.

Рис. 5. Типы первичных облучателей параболоида вращения:

а)- вибратор с линейным рефлектором; б) - вибратор с плоским рефлектором;

в) - вибратор с двумя линейными рефлекторами; г) - двухщелевой облучатель; д) - открытый конец прямоугольного волновода, е) - открытый конец круглого волновода;

ж) - пирамидальный рупор; з) - конический рупор; и)- спиральная антенна

В качестве облучателя может использоваться открытый конец прямоугольного волновода стандартных размеров с основной волной Н10, но он имеет очень широкие диаграммы направленности и, кроме того, разной ширины - (20,1)Е180, а (20,1)Н180. Что приводит к неравномерному облучению краев осесимметричных антенн. Удобнее в качестве облучателя использовать круглый волновод с основной волной Н11, так как ДН при этом почти одинаковая во всех плоскостях. Для получения узкой диаграммы направленности эллиптической поляризации можно использовать конический рупор. Кроме того он обеспечивает минимальный уровень паразитной поляризации параболоида вращения. Это объясняется тем, что структура поля излучения конических рупоров и открытых концов круглых волноводов с волной Н11 также имеет паразитную поляризацию, но противоположного по сравнению с ПВ характера, что и способствует снижению уровня паразитной поляризации антенны в целом по сравнению с вибраторными излучателями.

Определим основные геометрические размеры конического рупора (рис. 6.)



Рис. 6. Геометрия конического рупора

f - фазовый центр

Радиус сечения круглого волновода, который используется в конический рупорных антеннах выбирается из условия распространения только одного типа волны Н11 (6.2, [1]):

.

Подставив исходные данные получим:

,

.

Для обеспечения максимальной широкополосности выбираем среднее значение:

м.



Диаметр питающего волновода равен:

м = 82 мм.

При обычной форме ДН облучателя с максимумом излучения, направленного на вершину параболоида и необходимости обеспечить максимальный коэффициент эффективности антенны следует так согласовать ширину ДН облучателя и угол раскрыва зеркала чтобы край зеркала облучался уровнем (-8,5-14) дБ. Примем уровень ДН облучателя на краю зеркала равным =_12 дБ, или .

Определим значение ДН облучателя, соответствующее краю антенны по формуле (4.5.[3]):

,

где

м .

Значение ДН облучателя, соответствующее краю антенны равно:

.

Диаграмма направленности конического рупора, наиболее полно соответствующая полученному значению представлена на рис. 7 ([3]).

Данная диаграмма получена экспериментальным путем для конического рупора с параметрами:

Dэ=0,035 м;

dэ=0,022 м;

Lэ=0,030 м.

Рис. 7. ДН конического рупора при D=0,035 м, d=0,022 м, L=0,030 м.

Для определения требуемых значений D и L рассчитываемого конического рупора определим отношение рассчитанного диаметра волновода d к диаметру волновода рупора dэ:

.

Требуемые значения D и L будут равны:

м=12,9 см.

м=11,1 см.

2.4 Расчет диаграммы направленности облучателя

Направленные свойства рупорной антенны приближенно анализируют методом Гюйгнеса_Кирхгофа. При определенных допущениях в качестве излучающей поверхности рассматривают поверхность раскрыва рупора. Поскольку в рупоре в основном сохраняется тот же характер поля, что и в волноводе, то полагают, что на излучающей поверхности рупора действуют две взаимно-перпендикулярные тангенциальные составляющие поля Еy и Нх, амплитуды которых не зависят от координаты у, а вдоль координаты х изменяются по закону косинуса. Однако в отличии от поверхности открытого конца волновода плоская излучающая поверхность рупора не может быть синфазной, так как в рупоре распространяется цилиндрическая или близкая к сферической волна и амплитудное распределение носит квадратичный характер.

Диаграмма направленности оптимального облучателя должна иметь кардиоидную форму, приближенно описываемую выражением:

,

где _ угол наклона облучателя, _ полуширина диаграммы направленности облучателя. Для обеспечения необходимого спадания амплитудного распределения на краях зеркала полуширина диаграммы направленности облучателя должна составлять .

Результаты расчета диаграммы направленности облучателя в плоскости Х показаны на рис. 8.

Рис. 8. ДН облучателя в полярной системе координат в плоскости Х

3. Расчет диаграммы направленности параболической антенны

Диаграмма направленности апертурной антенны определяется характером амплитудного и фазового распределения на поверхности раскрыва.

Фазовое распределение на раскрыве антенны принимаем постоянным:

.

Антенны с таким видом фазового распределения называются синфазными. Для них главный максимум диаграммы совпадает с направлением нормали к антенне. Такое распределение обеспечивается при размещении облучателя в фокусе параболоида.

Ширина главного лепестка и уровень боковых лепестков определяется видом амплитудного распределения А(z).

Амплитудное распределение на раскрыве определяется выражением

.

Для обеспечения требуемого значения КНД величина подставки должна составлять , значение степени функции косинуса р=2. График амплитудного распределения на поверхности раскрыва для заданных значений и р показан на рис. 9.



Рис. 9. Амплитудное распределение на поверхности раскрыва в плоскости Х

Диаграмма направленности зеркальной антенны может быть рассчитана как диаграмма направленности круглого плоского раскрыва. Диаграмма направленности такого раскрыва в любой плоскости, проходящей через ось z может быть рассчитана по формуле 4.43 [4]:

,

где _ лямбда функция первого порядка, равная ,

_ функция Бесселя первого порядка,

u - аргумент функции Бесселя, равный ,

_ волновое число,

_ лямбда функция второго порядка, равная .

Таким образом, формула расчета диаграммы направленности параболической зеркальной антенны имеет вид:

.

Результаты расчета диаграммы направленности в прямоугольной и полярной системах координат представлены на рис. 10 и 11 соответственно.

Рис. 10. Диаграмма направленности зеркальной антенны в прямоугольной системе координат



Рис. 11. Диаграмма направленности зеркальной антенны в полярной системе координат

Ширина диаграммы направленности в плоскости Е и Н по уровню половинной мощности составляет 20,56.

Приближенное значение КНД составляет:

,

или

дБ,

что соответствует заданному значению КНД.

4. Конструктивный чертеж антенны

Конструктивный чертеж облучателя антенны представлен на рис. 12. Питание облучателя возможно по круглому волноводу, или по коаксиальному кабелю через коаксиально-волноводный переход.

Конструктивный чертеж антенны представлен на рис. 13.

Рис. 12. Конструкция облучателя

Рис. 13. Конструкция зеркальной параболической антенны



Выводы

В курсовой работе осуществлено проектирование оптимальной зеркальной антенны в виде осесимметричного параболоида вращения, удовлетворяющего исходным данным по требуемому коэффициенту направленного действия, широкополосности и требуемой поляризации излучения. После конструктивного расчета может быть произведен расчет электрических параметров спроектированной антенны и, конструктивный расчет может быть повторен в случае, если параметры не удовлетворяют заданным требованиям.



Литература

параболический зеркальный антенна конструктивный

1. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов./Под ред. проф. Воскресенского Д.И./ М.: «Советское радио», - 1972г.

2. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. М.: «Связь», -1972г.

3. Лавров А.С., Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов. М., "Сов. радио", 1972г.

4. Чернышев В.П., Шейнман Д.И. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Учебник для техникумов связи. М., "Связь", 1972г.

Размещено на Allbest.ru