Зеркальная антенна (параболоид вращения)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра радиоуправления и связи

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Антенны и устройства СВЧ»

на тему: «Зеркальная антенна (параболоид вращения)»

Рязань 2005

Введение и краткие теоретические данные

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.

Широко используются зеркала с параболической формой поверхности (параболоид вращения, усечённый параболоид вращения, параболический цилиндр), также распространены сферические зеркальные антенны, двухзеркальные антенны.

Рис. 1

Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, возбуждает на ней токи, которые создают вторичное поле, поле отраженной волны. Для того чтобы на зеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать быть однонаправленным.

Точечный облучатель (например, маленький рупор), расположенный в фокусе параболоида, создает у поверхности зеркала сферическую волну. Зеркало преобразует ее в плоскую, т. е. расходящийся пучок лучей преобразуется в параллельный, чем и достигается формирование острой ДН.

Рис. 2 — Основные параметры параболоида

F — фокус, f — фокусное расстояние, а=- радиус раскрыва

=2- угол раскрыва или апертурный угол

уравнение параболоида в полярных координатах, где — текущий угол между осью Z и прямой соединяющей точку параболоида с фокусом.

Зависимости от величины апертурного угла различают зеркала различной глубины:

Рис. 3

а) мелкое (длиннофокусное) зеркало <

б) среднее по глубине зеркало

в) глубокое (короткофокусное) зеркало

Расчет параметров зеркала

Так как антенна передает сигнал большой мощности, то для ее нормальной работы нужен высокий КПД. Зададимся

Так как проектируемая антенна передающая то выберем закон распределения в раскрывании зеркала у которого нормированное значение поля по краям спадает до уровня 0.3 т. е. параметры:

— уровень поля на краю раскрывая линзы для выбранного аппроксимирующего распределения; град. — коэффициент из таблицы для данного распределения поля; м — длина волны.

— коэффициент усиления

— коэффициент использования поверхности

Дб. — уровень Боковых лепестков

Используя формулу (1) рассчитаем размер раскрывании антенны и коэффициент направленного действия

(1) где

м

м

Выберем фокусное расстояние равное, т. е. тогда решая уравнение, найдем

рад. или град

График поля для выбранного закона распределения с указанием уровня поля на краю раскрывания (рис. 4).

Рис. 4

Построим зависимость распределения поля от угла раскрытия, для этого вместо координаты подставим выражение, где уравнение профиля зеркала в полярных координатах (рис. 5):

Рис. 5

Расчет облучателя

В качестве облучателя выберем остроконечный пирамидальный рупор с диаграммой направленности, обеспечивающей допустимое «переливание» энергии через края зеркала. Также достоинством этого облучателя являются хорошие диапазонные свойства, простота и надежность конструкции (рис. 6).

Рис. 6

Если пренебречь фазовыми искажениями в раскрыве рупора диаграмма направленности в Е — плоскости находится по формуле:

Множитель зеркала

Найдём размер рупора в Е плоскости исходя из обеспечения требуемого уровня поля на краю линзы. Для этого в ДН рупора подставим угол раскрывая и приравняем к 0.3.

Отсюда находим b1=3.9 см

Построим реальное распределение поля в раскрывании и сравним с выбранным. Для этого диаграмму направленности рупора умножим на множитель зеркала (рис. 7).

Рис. 7

Из графика распределения видно, что графики заметно отличаются, поэтому произведём коррекцию размера рупора для более точной аппроксимации.

Для этого возьмём b1=3.5. Тогда распределение поля будет выглядеть так (рис. 8):

Рис. 8

Аналогично находим размер рупора в Н-плоскости.

ДН рупора в Н-плоскости

из уравнения находим a1=5.4 см

График распределения поля в Н-плоскости

Рис. 9

Из графика (рис. 9) распределения видно, что графики заметно отличаются, поэтому произведём коррекцию размера рупора для более точной аппроксимации.

Для этого возьмём a1=5 см. Тогда распределение поля будет выглядеть так:

Рис. 10

После корректировки графики (рис. 10) находятся ближе к выбранному распределению, но при этом изменился уровень на краю раскрывания зеркала.

Рис. 11

ДН в плоскости Е (рис. 11)

Рис. 12

ДН в плоскости Е (рис. 12)

Рассчитаем длину и угол раскрывания рупора исходя из требований к допустимым фазовым искажениям.

Максимальные фазовые искажения в плоскости Е:

Максимальные фазовые искажения в плоскости Н:

Длина рупора в Е и Н плоскостях отличается всего на 0,8 мм, поэтому для большей простоты конструкции возьмём Rp=0.033. При этом величина фазовых искажений в Е плоскости составит Femax=66,818

Угол раскрывания рупора в градусах:

Расчёт диаграммы направленности антенны

Диаграмма направленности антенны находится как произведение множителя площадки (раскрыва) на диаграмму направленности элементарного излучателя (элемента Гюйгенса).

ДН элементарной площадки

Возьмём новый уровень Д=0.4, который находим из графика реального распределения поля после корректировки.

Множитель ДН зеркала

Диаграмма направленности в вертикальной плоскости (рис. 13):

Пронормируем данную диаграмму направленности и возведём в квадрат для сравнения с заданной ДН по мощности.

Рис. 13

Из графика следует, что ширина ДН по уровню 0.5 мощности равна 6,4

рассчитаем ширину ДН рад.(5.6 град)

Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости строится аналогично. В данном случае.

Рис. 14

Ширина ДН в горизонтальной плоскости равна 6,4. т. е. ДН соответствует заданной и ширина ДН практически соответствует рассчитанной (рис. 14).

Конструкция антенны

зеркальный антенна параболоид конструкция

Антенна представляет собой соединение зеркала в виде параболоида вращения (1) и рупорного облучателя (2) запитываемого, прямоугольным волноводом (3). Также конструктивно сюда входит устройство крепления (4). Облучатель пирамидальный остроконечный рупор, вершина которого лежит в фокусе линзы. Волновод выбирается исходя из передаваемой мощности, диапазона частот, типа волны и т. д. На основании всего этого можно выбрать прямоугольный волновод 22.86Ч10.16.(R=100)

Его основные параметры:

— размер 22.86Ч10.16 мм;

— толщина стенок 1.27, 0.8 мм;

— диапазон частот 8.2−12.5 ГГц

— затухание 0.143дБ/метр;

Именно эти параметры во многом будут определяющими для всей конструкции антенны. Так, например, диапазон частот будет целиком зависеть от волноводного тракта, так как это место является самым узкополосным во всей антенне. Перекрытие частоты 12.5/8.2=1.52 раза; уровень боковых лепестков (исходя из выбранного распределения поля) -22.4 дБ.

Масса и габариты антенны сравнительно невелики, если учитывать мощность в антенне — 3 кВт.

Заключение

Рассчитанная в курсовой работе антенна может быть значительно модернизирована за счёт использования схем механического (ограничен размером и массой антенны) и электромеханического качания луча. Для уменьшения парусности антенны ее можно изготовить из металлической решетки. Для избавления от эффекта затенения можно использовать способ выноса облучателя из поля отраженной от зеркала волны, при этом будет использоваться только половина зеркала антенны. Также при этом улучшаются диапазонные свойства антенны, так как в такой антенне практически отсутствует реакция зеркала на облучатель.

Список используемой литературы

1. Устройства СВЧ и антенны. Методические указания к курсовому проектированию. Сост.: В. И. Елумеев, А. Д. Касаткин, В. Я. Рендакова. Рязань, 1998. № 2693.

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

3. Д. М. Сазонов. Антенны и устройства СВЧ. Учебник для радиотехнических специальных вузов. — М.: Высшая школа, 1988 г.

4. М. С. Жук, Ю. Б. Молочков. Проектирование антенно-фидерных фидерных устройств. М.: Энергия, 1973.