Антенна аэродромная

Антенна аэродромная

Любая радиотехническая установка, предназначенная для излучения или приёма радиоволн, содержит антенну. Антенные устройства играют важнейшую роль в радиотехнике, так как основным отличительным признаком радио является наличие излучения или приёма радиоволн. Само слово «Радио» происходит от греческого слова «излучать».

Требования, предъявляемые к антенне, различны в зависимости от назначения радиостанции. Все антенны чаще всего принято классифицировать по диапазонам волн.

Зеркальные антенны представляют собой совокупность зеркала и облучателя. Облучателем может быть любой однонаправленный излучатель. Важно, чтобы возможно большая часть энергии попадала на зеркало, а не рассеивалась в других направлениях. Зеркалом называется радионепрозрачное тело с определённой формой поверхности, имеющее коэффициент отражения, близкий к единице.

Для зеркальных антенн характерно то, что в них цилиндрический или сферический фронт волны преобразуется в плоский. Это позволяет получить очень узкую диаграмму направленности антенны с углом раствора всего лишь в несколько угловых минут.

Есть два основных типа линзовых антенн: замедляющие и ускоряющие.

В замедляющих линзах фазовая скорость распространения электромагнитной волны меньше скорости света, а в ускоряющих — больше. В курсовой работе рассматривается параболическое зеркало, облучаемое волноводно-щелевой антенной.

1. Описание установки

Антенная система представляет собой линейку полуволновых излучателей (волноводно-щелевая антенна, с щелями прорезанными в шахматном порядке, вдоль широкой стенки волновода), с игольчатой диаграммой направленности в Н-плоскости (ц=1°) и широкой в Е-плоскости (?=20°), облучающих диэлектрическое зеркало (параболический цилиндр). Также конструктивно сюда входит устройство крепления и питающие волноводы.

Волновод выбирается исходя из передаваемой мощности, диапазона частот, типа волны и т. д. Размеры параболического зеркала вычисляются по результатам расчета диаграммы направленности целевой антенны.

2. Расчет диаграммы направленности волноводно-щелевой антенны

1) Зная длину волны в свободном пространстве л, вычисляем длину волны в волноводе прямоугольного сечения ?:

2)

? = ,

где, а — размер широкой стенки волновода.

Для длины волны в свободном пространстве л = 2 см, размер широкой стенки волновода, а ? 15.799 мм.

Для расчета необходимо перевести это значение в сантиметры: а? 1.58 см. подставив имеющиеся значения в формулу 1.1, получим ?=2.9 см

3) Вычислив длину волны в волноводе ?, можем найти расстояние между щелями по формуле:

d = ,

где? — длина волны в волноводе.

Подставив в 1.2, значение ?, получим расстояние между излучателями d = 1.45 см

4) Зная расстояние между щелями, можем рассчитать число излучателей:

A° = 1° — диаграмма направленности одной щели. (1.3)

57° = 1°, отсюда выражаем n, (1.31)

n =, формула для расчета кол-ва излучателей. (1.32)

Подставив в 1.32 значения л и d, получим число излучателей

n = 75.

5) Рассчитаем диаграмму направленности линейки излучателей:

f₁ (ц)=, функция направленности одного излучателя.

f_H(ц) = f₁ (ц)• f_n (ц), функция направленности всей системы.

f_n (ц) =, функция направленности линейки из

n излучателей.

f_H(ц)=•,

но поскольку диаграмма направленности одиночного излучателя в Н-плоскости равна единице, т. е.

= 1, то первым сомножителем можно пренебречь.

f_H(ц)=, после упрощения и подстановки известных констант, получаем:

f_H(ц)=, итоговая формула для диаграммы направленности линейки из n излучателей в Н-плоскости.

6) Изменяя значения ц в интервале от 0 до ц₀, составим таблицу значений диаграммы направленности в Н-плоскости:

7) По получившимся значениям построим график функции направленности:

Для диаграммы направленности в Е-плоскости, формула будет иметь аналогичный вид:

f_Е(?)=•,

Однако, принимая во внимание тот факт, что в Е-плоскости диаграмма направленности одиночного излучателя отлична от единицы, мы не можем пренебречь первым сомножителем, как пренебрегли им для Н-плоскости.

В итоге, после упрощения и подстановки известных констант, конечная формула будет иметь вид:

f_E(?)=.

8) Изменяя значения? в интервале от 0 до ?₀, составим таблицу значений диаграммы направленности в Е-плоскости:

9) По получившимся значениям построим график функции направленности:

3. Расчет геометрических размеров и характеристик параболического отражателя

Где f — фокусное расстояние, D — Ширина раскрыва на краях,? — угол раскрыва, R — радиус, с — текущая координата раскрыва.

1) Вычислим раскрыв зеркала для значения ?, по уровню половинной мощности по формуле:

20° = A°,

где D — линейные размеры антенны.

Выразим значение D = .

A° = 62°

Подставив имеющиеся значения в формулу 2.1, получим значение

D = 0,62 м = 62 см

2) Далее, зная размеры раскрыва параболического отражателя, можем найти его фокусное расстояние:

F = = = 0,9023 м? 90 см.

3) Зная фокусное расстояние, можем рассчитать профиль отражателя по формуле:

r(?) = ; (2.3)

где значение? меняется от 0 до ?_0.

4) Зная линейные размеры зеркала, и фокусное расстояние можем рассчитать распределение амплитуды поля в раскрыве по формуле:

= A(?)•f_обл(?),

где А (?) — множитель, учитывающий амплитудное распределение в раскрыве зеркала.

Для параболического зеркала расчет амплитудного распределения должен производиться только в Е-плоскости.

5) Необходимо учитывать, что каждому значению угловой координаты соответствует значение профиля, которое связано с координатой раскрыва соотношением:

с = r•

где угол и меняется в пределах от 0⁰ до и₀.

По итогам расчета необходимо построить распределение амплитуды поля в раскрыве зеркальной антенны в зависимости от нормированной координаты на раскрыве с/с₀.

6) Для упрощения дальнейших расчетов полученную функцию нужно аппроксимировать интерполяционным полиномом:

где с = 1,2,3…степень аппроксимирующей функции;

? — уровень поля на краю зеркала.

Для аппроксимации реального распределения амплитуды поля в раскрыве целесообразно выбрать полином 2-й степени.

6. Расчет диаграммы направленности зеркальной антенны

Зная распределение амплитуды поля в раскрыве отражателя, можем рассчитать диаграммы направленности по формуле:

(6.1)

где и — угол, отсчитываемый от нормали к излучающему раскрыву D зеркала;

? — уровень поля на краю раскрыва; k — волновое число;

р — степень выбранной аппроксимирующей функции;

Л_р+1(U) — лямбда — функция (р+1) порядка от аргумента:

(6.2)

Лямбда — функция первого порядка Л₁ (U) от аргумента U представлена в табл. 9; Л_р+1(U) — лямбда — функция (р+1) порядка от аргумента U представлена в табл. 10

7. Расчет элементов фидерного тракта

В диапазоне сантиметровых и дециметровых волн фидерные линии выполняются из волноводов круглого или прямоугольного сечения.

К фидеру предъявляются следующие требования: потери энергии должны быть минимальны и он должен быть хорошо согласован с антенной, т. е. работать в режиме бегущей волны.

Размеры волновода должны быть выбраны так, чтобы обеспечивалось распространение энергии с минимальным затуханием. Условием существования волны Н₁₀ является л < 2а, но чтобы не возникала волна Н₂₀, необходимо выполнить неравенство л > а

Объединив оба неравенства получим,

откуда, а = 1.58 см

а для того чтобы не возникала волна типа Н₀₁, необходимо

b <, откуда b = 0.99 см

Для того чтобы обеспечить вращение антенны в азимутальной и вертикальной плоскостях на заданные углы, необходимо использовать вращающиеся сочленения. Типичным примером волновода обеспечивающего передачу энергии от генератора непосредственно к антенне, через вращающееся сочленение является волновод типа Н₁₀ — Н₁₁ — Н₁₀. Иными словами два волновода прямоугольного сечения соединяются посредствам круглого, который и обеспечивает вращение:

Также следует учитывать возможность возникновение стоячей волны непосредственно в волноводно-щелевой антенне, чтобы этого избежать на противоположный конец волновода помещается так называемая согласованная нагрузка или же поршень. На рисунке представлена ступенчатая согласованная нагрузка, наиболее часто применяемая для волноводов данного типа:

8. Расчет погрешностей

Определим относительную погрешность ширины рассчитанной ДН:

(7.1)

где 2и_0.5р — ширина рассчитанной ДН зеркальной антенны; 2и_0.5 — заданное в техническом задании на курсовое проектирование значение ширины ДН щелевой антенны.

По формуле (7.1) д? =? 5%

д? = 0,05 = 5%.

Заключение

антенна фидерный аэродромный отражатель

Зеркальная антенна, рассчитанная в данной работе, обладает достаточно хорошими характеристиками. Применение щелевых антенн, в качестве облучателя более оправдано, когда требуется получить игольчатую диаграмму направленности шириной в несколько градусов и меньше, так как большинство других типов антенн с такой задачей справиться не в состоянии. При этом необходимо учитывать резко возрастающие размеры и массу отражателя, а также сложность его изготовления.

При сравнительно широкой диаграмме направленности, как в этой работе, целесообразность применения зеркальных антенн будет определяться сравнительным соотношением характеристик антенны и затрат на её изготовление. Но следует учитывать, что при решении специальных задач, связанных с обеспечением игольчатой диаграммы направленности при малом уровне боковых лепестков, зеркальная антенна становится одной из самых востребованных.

1. А. Л. Драбкин, В. Л. Зузенко, А. Г. Кислов. Антенно-фидерные устройства. — М.: Советское радио, 1974.

2. Антенны и устройства СВЧ. Учебное пособие. Сост.: Б. Т. Никитин, Л. А. Федорова, Ю. Н. Данилов. Ленинград, 1986.

3. Расчет и проектирование зеркальных антенн. Методические указания к курсовому проектированию. Сост.: Л. А. Федорова, А. Ю. Мельникова. Санкт — Петербург, 2002.