Расчёт и проектирование зеркальной антенны

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по теме

Расчёт и проектирование зеркальной антенны

Выполнил: Иванов А.В.

Проверил: Терёхин О.В.

 

 

 

 

 

Москва 2010 г.

Содержание

Введение

. Исходные данные

. Анализ задания

3. Расчёт геометрических размеров антенны и её основных характеристик

3.1 Геометрические размеры зеркала

.2 Диаграмма направленности рупорного облучателя

.3 Амплитудное распределение поля вдоль зеркала

.4 Диаграмма направленности зеркальной антенны

.5. Коэффициент полезного действия (КПД)

.6 Коэффициент усиления антенны (КУ)

.7 Коэффициент направленного действия (КНД) антенны

. Точность изготовления антенны

.1 Источники фазовых ошибок и их влияние

.2 Коэффициент усиления антенны с учетом неточности изготовления зеркала

. Расчет фидерного тракта антенны

.1 Расчет прямоугольного волновода

.2 Расчет круглого волновода

5.3 Расчет вращающегося сочленения

5.4 Дроссельно-фланцевые соединения

5.5 Переход от прямоугольного волновода к круглому

5.6 Переход от коаксиального кабеля к круглому волноводу

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Зеркальной антенной называют совокупность слабонаправленного облучателя и металлического отражателя (зеркала). Форма поверхности зеркала выбирается такой, чтобы сферический фронт волны, падающей от облучателя на зеркало, после отражения преобразовывался в плоский фронт волны. С позиций геометрической оптики лучи, расходящиеся от облучателя, после отражения от зеркала образуют параллельный пучок, формируя остронаправленную диаграмму направленности. По форме зеркала зеркальные антенны разделяются на параболоид вращения, параболический цилиндр, а также антенны со специальным профилем зеркала.

Зеркальные антенны могут формировать игольчатые диаграммы направленности, веерные, косекансные или диаграммы другого специального вида. Ширина игольчатой диаграммы направленности может составлять от десятка до долей градуса.

Широкоугольное сканирование в однозеркальных антеннах осуществляется механическим вращением всей антенной системы в заданной плоскости, а сканирование в пределах нескольких ширин диаграмм направленности осуществляется электромеханическим способом - вращением облучателя, вынесенного за фокус параболоида.

В настоящее время зеркальные антенны широко применяются в радиостанциях различного назначения - радиолокационных, навигационных, радиорелейных и в ряде других радиосистем СВЧ диапазона.

Зеркальные антенны нашли широкое применение благодаря следующим свойствам:

·    сравнительной простоте конструкции;

·    надежности работы;

·        хорошим диапазонным свойствам (диапазонность однозеркальных антенн определяется диапазонностью излучателя);

·        способности формировать диаграммы направленности различной формы;

·        возможности многофункциональной работы при выборе соответствующей конструкции облучателя и ряда других положительных особенностей.

Однако зеркальные антенны обладают рядом существенных недостатков:

·    механический способ сканирования, который является единственно возможным в однозеркальных антеннах;

·        уровень боковых и задних лепестков в диаграмме направленности однозеркальных антенн трудно поддается ослаблению;

·        большой объем по сравнению с объемом всей системы (до 50%);

·    затенение облучателем поля зеркальной антенны.

зеркальная параболическая антенна облучатель

1. Исходные данные

Рабочий диапазон волн: λ = 6 см

Требуемая полоса частот ±10%

Ширина диаграммы направленности по уровню 0.707 поля в горизонтальной плоскости 4,9^о    в вертикальной плоскости 4,9^о

Мощность на выходе передатчика в импульсе: P = 1 кВт

Допустимый уровень боковых лепестков - 28 дБ

Сектор электрического (механического) сканирования луча:

в горизонтальной плоскости ± 360^о Длина линии передачи 1,1 м

Минимальная допустимая величина КБВ в линии передачи 0,86

Антенна устанавливается на летательном аппарате.  

 

2. Анализ задания

В процессе проектирования необходимо выбрать оптимальную схему и тип облучающей системы, определить геометрические размеры зеркала, амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала, рассчитать диаграмму направленности антенны, её коэффициент усиления, коэффициент полезного действия и разработать конструкцию в целом.

Рупорный облучатель является наиболее распространенным облучателем зеркальных антенн сантиметрового диапазона. Объясняется это возможностью получения диаграммы направленности заданной ширины в обеих плоскостях, большой диапазонностью и простотой их конструкции. Однако применение данного облучателя осложняется тем, что волновод, питающий рупор, вызывает заметное затенение зеркала и искажает диаграмму направленности антенны. Облучатель зеркальной антенны имеет фазовый центр, который располагается в фокусе параболоида вращения.

3. Расчёт геометрических размеров антенны и её основных характеристик

 

.1 Геометрические размеры зеркала

R - радиус раскрыва зеркала

f - фокусное расстояние

h - глубина параболоида

ψ₀ - угол раскрыва

Используя таблицу аппроксимирующих функций [Таблица 2] из пособия по расчёту антенн СВЧ Воскресенского, по заданному допустимому уровню боковых лепестков выбираем закон изменения поля в раскрыве зеркала:

[1]                                                                                                              

D=0,3 - нормированное значение поля на краю раскрыва зеркала.

При выбранном распределении, ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности составляет: 67,6*l/2R

Отсюда R=15,6 см

S=pR²=764,53 см²

Для определения эффективности реальных облучателей их диаграмма направленности в передней полусфере аппроксимируется функцией вида F(y) = cosⁿ(y), где n = 1, 2, 3, … - целые числа.

q - коэффициент использования поверхности антенны.

Максимальная эффективность зеркальной антенны достигается при n = 1.Тогда y_=65, где 2y_ - угол раскрыва зеркала.

Фокусное расстояние зеркальной антенны:

[2]

f = 12,244 см.

Глубина зеркала:

[3]

h = 4,969 см.

3.2 Диаграмма направленности рупорного облучателя

Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркальной антенны пропорционально диаграмме направленности облучателя.

 

[4]

Где F(Ψ) - нормированная диаграмма направленности излучателя в исследуемой плоскости.

Координата раскрыва зеркала, соответствующая углу y, рассчитывается так:

[5]

Воспользовавшись формулами [1], [4] и [5], получаем формулу для расчета диаграммы направленности облучателя:

 [6]

Диаграмма направленности рупорного облучателя, построенная по известному закону изменения поля в раскрыве зеркала:

Ширина диаграммы направленности рупорного облучателя: 2Q_0.7=70.

Найдём размеры раскрыва рупорного облучателя с оптимальной длинной, для этого воспользуемся таблицей 3 из учебного пособия по апертурным антеннам СВЧ Пономарёва:

Выбираем пирамидальный тип рупора:

в плоскости Н: в плоскости Е:

  

a = 6.857 см b = 4.543 см

Продольное сечение рупорного облучателя:

 

Рис. 3

Оптимальная длинна рупорного облучателя:

.71 £ R_опт £ 2.61

R_опт=2 см.

Зная размеры раскрыва рупорного облучателя, построим амплитудную диаграмму направленности рупора в плоскостях Е и Н:

Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Н:

[7]

Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Е:

[8]

Диаграммы направленности теоретическая (F(y)) и в плоскостях Е(F2(b)) и Н(F1(a)) представлены на следующем графике:

Рис. 4

Диаграммы направленности рупорного облучателя в плоскостях Е и Н практически совпадают, но так как в плоскости Е диаграмма направленности рупора шире, чем в плоскости Н, то расчет амплитудного распределения поля вдоль раскрыва антенны будем производить, используя формулу для диаграммы направленности облучателя в плоскости Е.

3.3 Амплитудное распределение поля вдоль зеркала

Е(х)-амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала в зависимости от диаграммы направленности рупорного облучателя имеет вид:

 [9]

где F(y)-диаграмма направленности облучателя:

 [10]

Значение угла y, соответствующее координате раскрыва зеркала x, рассчитывается так:

[11]

После подстановки, амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала принимает вид:

[12]

A(x) - аппроксимирующая функция (см. выше).

Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала, построенное в зависимости от диаграммы направленности рупорного облучателя, практически совпадает с аппроксимирующей функцией, что свидетельствует о правильном выборе самой аппроксимирующей функции и геометрических размеров зеркальной антенны.

3.4 Диаграмма направленности зеркальной антенны

Диаграмма направленности зависит от от угла направления через функции Бесселя J1 и J0 по следующим формулам:

[13]

[14]

 [15]

[16]

q= -28дБ = 0,04

 

.5 Коэффициент полезного действия (КПД)

Важным параметром линии с потерями является её коэффициент полезного действия (КПД). КПД определяется как отношение мощности , выделившейся в нагрузке, к мощности , подведённой к линии:

 [17]

 - общая длина линии передачи ; l = 1,1 , м

 - суммарный коэффициент отражения в тракте

 - погонное затухание

Для коаксиальной линии

В конструкции питающей линии присутствуют неоднородности, вызывающие отражение электромагнитной волны: вращающийся переход, изгиб фидера, согласующий трансформатор и разъёмы.

Приведём значения этих коэффициентов отражения:

вращающийся переход 0.05

изгиб фидера 0.015

Найдем суммарный коэффициент отражения в тракте:

Таким образом, можно вычислить КПД линии: η = 81,4

 

.6 Коэффициент усиления антенны (КУ)

КУ (G) антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить подводимую к антенне мощность при переходе от направленной антенны к абсолютно ненаправленной антенне, чтобы получить то же значение напряженности поля в точке приема.

Коэффициент усиления зеркальной антенны равен:

[18]

S = pR² - площадь раскрыва.

n - коэффициент использования поверхности (КИП) зеркальной антенны, определяется характером амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала n=0.882.

h - коэффициент полезного действия антенны.

g = n*hэффективность зеркальной антенны.

Угол раскрыва зеркала был выбран из условия максимальной эффективности антенны g=0.82. Коэффициент усиления при этом равен:

 [19]

G = 218.837 = 23,5дБ

 

.7 Коэффициент направленного действия (КНД) антенны

КНД показывает, во сколько раз мощность излучения в направлении максимума излучения больше мощности излучения в том же направлении абсолютно ненаправленной антенны с такой же подводимой к ней мощностью.

КНД рассчитывается по формуле:

D = 4pSn/l² [20]

D = 236.704 = 24 дБ

 

4. Точность изготовления антенны

 

.1 Источники фазовых ошибок и их влияние

Технические допуски на точность изготовления зеркальных антенн определяются допустимой величиной отклонения фазового фронта в раскрыве зеркала от синфазного. Источниками фазовых ошибок в раскрыве антенны могут быть:

1.   отклонение формы зеркала от расчетной;

2.       смещение фазового центра облучателя из фокуса параболоида;

3.   отклонение волнового фронта поля облучателя от сферического;

При отклонении формы зеркала от расчетной на величину  фазовая ошибка  в раскрыве зеркала равна:

[21]

Максимально допустимыми искажения диаграммы направленности будут при Dy<p/4, отсюда получаем величину допуска на точность изготовления зеркала:

[22]

Максимальная точность выполнения профиля зеркала должна быть у вершины:

[23]

Dr< 0.375 см

При смещении из фокуса зеркала фазового центра облучателя вдоль оси параболоида, в раскрыве появляется ошибка:

[24]

При Dy<p/4 допуск на смещение облучателя из фокуса равен:

 [25]

где y₀ = 65º - угол раскрыва зеркала.

Dr< 1.299 см

При смещении облучателя вдоль оси параболоида в раскрыве зеркала возникает квадратичная фазовая ошибка. Направление основного лепестка диаграммы направленности остается неизменным, увеличивается лишь его ширина и уровень бокового излучения.

При небольшом смещении облучателя в направлении, перпендикулярном оси параболоида, в раскрыве зеркала возникает линейная фазовая ошибка. В результате диаграмма направленности зеркальной антенны отклоняется от оси параболоида в сторону, противоположную стороне, в которую смещается облучатель, на угол

a =arc sin (Dr/R) [26]

a= 4.776.

Форма диаграммы направленности не меняется, так как a<2Q_0.7, где 2Q_0.7  =4.9 - ширина диаграммы направленности антенны при несмещенном облучателе.

4.2 Коэффициент усиления антенны с учетом неточности изготовления зеркала

На практике зеркало антенны всегда выполняется с некоторыми погрешностями. Отклонение Dr профиля реального зеркала от идеального при правильно организованном технологическом процессе носит случайный характер. Максимальная величина случайной ошибки определяется уровнем технологии и для зеркальных антенн с вероятностью 99% может быть определена следующим образом:

[27]

где n = 3 для обычного серийного производства; n = 4…5 - при специальной технологии.

Можно считать, что отклонение профиля Dr подчиняется нормальному закону распределения с нулевым средним значением и дисперсией (Dr)². При этом с вероятностью 99% максимальное отклонение профиля не превышает:

[28]

Дисперсия фазовой ошибки в раскрыве - результат случайного характера Dr и равна:

При n = 3 - s² =0.0006. [29]

[30]

где S = pR² - площадь раскрыва; g = 0.82 - эффективность зеркальной антенны.

G = 218.698 = 23,5 дБ

 

5. Расчет фидерного тракта антенны

 

.1 Расчет прямоугольного волновода

Так как антенна рассчитана на сантиметровые длины волн, в качестве основного фидерного тракта используем прямоугольный волновод с волной H₁₀.

Схематическое изображение его части представлено на след. рисунке:

Рис. 7

Размеры поперечного сечения волновода выбираются так, чтобы волна H₁₀ находилась в докритическом режиме, а волны высших типов, в частности H₂₀ и H_01, в закритическом режиме.

Размер широкой стенки: 0.6l < a <0.9l, 3.6 см. < a < 5.4 см. Выбираем a = 4.0 см.

Размер узкой стенки: b < l/2, b < 3 см. Выбираем b = 3.0 см.

Материал - латунь.

Толщина стенки - 1.5 мм.

Предельная мощность, пропускаемая волноводом:

 [31]

Е_пред=30 кВ/см - напряженность электрического поля пробоя.

Р_пред  5.5 кВт.

Допустимая мощность - это предельная мощность пропускания, умноженная на коэффициент запаса электрической прочности. Она учитывает неоднородности, вызывающие местные концентрации электрического поля, климатические факторы и наличие стоячей волны. Допустимая мощность Р_доп равняется:

Р_доп = (1/3…1/5) * Р_пред. [32]

Р_доп = 1.1 кВт.

5.2 Расчет круглого волновода

При вращении одной части волновода относительно другой должна сохраняться осевая симметрия поля. Это обеспечивается в круглых волноводах с волной типа E₀₁ и H_01.

Из-за сложности возбуждения волны Н₀₁ в круглом волноводе в чистом виде (одновременно возбуждаются волны типа Н₁₁, Е₀₁, Н₂₁,Е₁₁) использование вращающихся сочленений на основе данного типа волны не получило широкого практического применения. В результате во вращающихся сочленениях как правило используется волна E₀₁.

Рис. 8

Радиус основного круглого волновода сочленения R определяется из условия распространения волны Е₀₁ (R>0.38) и затухания высших типов волн (R<0.48l), т.е.

.28 см. < R < 2.88см.

R = 2.5 см.

Проверка круглого волновода на максимальную пропускаемую мощность не производится, так как в прямоугольном волноводе с волной Н₁₀ электрический пробой наступает быстрее, чем пробой в круглом волноводе при любом типе волны.

5.3 Расчет вращающегося сочленения

Чтобы выполнить дроссельное соединение диаметр внутреннего проводника d должен быть не менее 6мм, возьмём d = 0,5 см. Диаметр наружного проводника выбирается из следующих условий: D/d = 2,72.

D  1,4 см.

Рис.9

Проверим коаксиальную линию на невозможность распространения высших типов волн, которые ухудшают в сочленение условия передачи энергии. Чтобы в линии распространялась только основная волна и не распространялись волны высших типов, необходимо выполнить условие: λmin > π*((D+d)/2).

Условие выполняется: 5,4 см > 3 см.

Проверка сочленения на максимальную пропускаемую мощность производить нецелесообразно, так как в прямоугольном волноводе с волной Н₁₀ электрический пробой наступает быстрее, чем пробой в круглом волноводе при любом типе волны.

 

.4 Дроссельно-фланцевые соединения

Для соединения отрезков волноводных линий передачи используются дроссельные соединения в круглых, вращающихся друг относительно друга волноводах и контактные фланцевые соединения в прямоугольных волноводах.

В качестве дроссельной секции в круглом волноводе применяется полуволновая замкнутая линия, состоящая из двух параллельных четвертьволновых участков. Использование притертого фланца при тщательной обработке и соблюдении параллельности фланцевых поверхностей позволяет получить в месте соединения двух неподвижных друг относительно друга отрезков волноводных линий хороший электрический контакт.

5.5 Переход от прямоугольного волновода к круглому

Для согласования волнового сопротивления прямоугольного волновода с круглым волноводом используются индуктивные диафрагмы, которые впаиваются с двух сторон в прорези в узких стенках прямоугольного волновода, емкостные диафрагмы в виде кольцевого выступа в круглом волноводе, индуктивные штыри, впаиваемые в прорези в широкой стенке прямоугольного волновода. Их положение и размеры подбираются экспериментально.

5.6 Переход от коаксиального кабеля к круглому волноводу

Переход от коаксиального кабеля к волноводу круг-лого сечения можно представить себе как удаление из кабеля центральной жилы. Однако известно, что силовые линии электрического поля должны быть нормальны поверхности проводника. При наличии двух проводников в линии выполнение этого условия достигается тем, что силовые линии начинаются на поверхности одного проводника и заканчиваются на поверхности второго

Заключение

В данной курсовой работе был произведен расчет зеркальной параболической антенны сантиметрового диапазона с облучателем в виде пирамидального рупора. Подвод энергии осуществляется по волноводному тракту. Конструкцией обеспечивается угол сканирования в горизонтальной плоскости 360°.

После ознакомления с методиками расчета и соответствующей литературой в процессе выполнения курсовой работы можно сделать вывод, что существующие методики дают результат, несколько отличающийся от реального, что требует обязательного макетирования антенны и доводки рассчитанной конструкции. Это потребует наименьших временных и трудовых затрат по сравнению с учетом в математической модели всех факторов, влияющих на конструкцию. Исключение составляют антенны больших габаритов, макетирование и испытание которых по понятным причинам затруднено.

Рассчитанная конструкция будет обладать как минимум одним недостатком - несимметричностью ДН относительно горизонтальной оси вследствие затенения части зеркала питающим волноводом. При необходимости сохранения симметричности ДН следует дополнить конструкцию дополнительным симметрирующим волноводом, энергия по которому подводится не будет. Также это повысит жесткость конструкции.

Список использованной литературы

1.   «Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию по антенно-фидерным устройствам. Часть I».Под ред. Д.И. Воскресенского. МАИ,1973 г.

2.       «Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию по антенно-фидерным устройствам. Часть II».Под ред. Д.И. Воскресенского. МАИ,1973 г.

.        «Справочник по элементам волноводной техники». Фельдштейн, Явич. Сов.радио, 1967 г.

4.       «Антенны и устройства СВЧ». Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин, Л.И. Пономарев, В.М. Максимов. МАИ, 1999 г.

5. Лекции по предмету «Антенны и устройства СВЧ».