Двухзеркальная антенна по схеме Кассегрена

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО “Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина”

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕННЫХ СИСТЕМ СВЧ

Вариант 14

Двухзеркальная антенна по схеме Кассегрена

Тип облучателя: диэлектрическая антенна.

Екатеринбург 2011г.

Задание на курсовую работу

Для двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена:

Выбрать и рассчитать

1.      Параметры и характеристики облучателя.

2.      Основные геометрические размеры зеркал.

.        Распределение поля в раскрыве.

.        Диаграмма направленности антенны в главных плоскостях.

.        Линия передачи и устройства СВЧ, применяемые для получения необходимого типа волны в линии.

.        Коэффициент усиления и КИП антенны.

.        Профили сечения зеркал.

Вычертить

1. Конструкция облучателя с вспомогательными устройствами.

2. Профили сечения зеркал с облучателем.

Исходные данные (вариант 14)

1. Частота f_р, ГГц14

2. Ширина ДН DQ по уровню -3 дБ2°

3. Уровень боковых лепестков d дБ17

4. Мощность передатчика в импульсе Р, кВт5

5. Коэффициент усиления G, дБ ---

6. Тип облучателя диэлектрическая антенна

Используемые обозначения, символы и сокращения

ВВЕДЕНИЕ

Зеркальные антенны применяют в различных диапазонах волн: от оптического до коротковолнового, особенно широко в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Эти антенны отличаются конструктивной простотой, возможностью получения различных ДН, хорошими диапазонными свойствами и др.

Существуют различные типы зеркальных антенн: параболические зеркала (параболоид, усеченный параболоид и параболический цилиндр), сферические зеркала, плоские и уголковые зеркала, а также зеркальные антенны специальной формы, двух- и многозеркальные антенны, зеркально-рупорные антенны.

Зеркальная параболическая антенна состоит из металлической поверхности, выполненной в виде параболоида вращения и небольшой слабонаправленной антенны - облучателя, установленной в фокусе параболоида и облучающий внутреннюю поверхность последнего.

В двухзеркальной антенне используются две отражающие поверхности: основная - большое параболическое зеркало и вспомогательная - малое зеркало в виде гиперболоида (антенна Кассегрена) или эллипсоида вращения (антенна Грегори).

В антенне Кассегрена роль малого зеркала состоит в переотражении падающей на него сферической волны облучателя на большое зеркало. При этом вследствие геометрических свойств гиперболы отражаемая малым зеркалом сферическая волна как бы исходит из первого фокуса, совмещаемого с фокусом большого зеркала. Эта волна трансформируется большим зеркалом в плоскую. Параболическое зеркало излучает так, как будто в его фокусе находится мнимый облучатель, создающий сферическую волну. Второй фокус малого зеркала совмещается с фазовым центром облучателя.

К достоинствам двухзеркальной системы можно отнести то, что она является более компактной, чем однозеркальная, и обеспечивает более равномерное распределение возбуждения по раскрыву, а также является более помехозащищенной. А недостатки - затенение раскрыва малым зеркалом и элементами его крепления, переливание энергии облучателя через края этого зеркала (это, тем не менее, не так опасно как для однозеркальной антенны, так как вызывает только рост УБЛ), а также реакция малого зеркала на облучатель и связанное с этим ухудшение диапазонных свойств.

Геометрия двухзеркальной антенны определяется следующими параметрами:

D и d - диаметры раскрывов большого и малого зеркал;

y₀ - угол раскрыва большого параболоида;

j₀ - угол облучения облучателем краёв малого зеркала;

F - фокусное расстояние большого зеркала;- фокусное расстояние малого зеркала;

с - расстояние между фокусами малого зеркала;

е - эксцентриситет малого зеркала.

1. Расчет антенн

.1 Расчет размеров зеркал антенны

В двухзеркальных антеннах Кассегрена углы раскрыва большого и малого зеркал лежат обычно в пределах 70-90° и 15-30° соответственно. Для обеспечения приемлемых характеристик примем y0=90° и j0=15°, при этом в угол 2j0 должна вписываться ДН облучателя по уровню 10-20 дБ. Величина данных углов выбирается исходя из требуемого фокусного расстояния и допустимого уровня боковых лепестков. Длина волны определяется формулой:

Для рабочей частоты длина волны составит λ=0.021m.

Диаметр большого зеркала выбирается на основе заданной ширины диаграммы направленности и уровня боковых лепестков D=0.618

DQ=2⁰

Находим эксцентриситет гиперболического зеркала:

двухзеркальная антенна кассегрен

Подставив выбранные ранее числа, получим e=1,303. Используя это значение, можно определить соотношение между диаметрами большого и малого зеркал:

,

Предварительно вычислив значение диаметра малого зеркала.d=0.081

Рассчитываем d/D=0.131. Требуемое отношение диаметров должно быть не больше 0,2, для обеспечения низкого уровня боковых лепестков

Определим фокусное расстояние основного зеркала:

f=0.155

Вычислим геометрическое расположение второго фокуса малого зеркала относительно фокуса антенны, там будет располагаться фазовый центр облучателя.

Предварительно вычислив первый фокус малого зеркала:

В результате, значение второго фокуса малого зеркала равно , следовательно фазовый центр облучателя относительно фокуса антенны должен располагаться на расстоянии r=0.134

.2 РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ АНТЕННЫ

Коэффициент направленного действия антенны.

Коэффициент использования поверхности.

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОБЛУЧАТЕЛЯ

В качестве облучателей зеркал применяют слабонаправленные антенны, обладающие однонаправленным излучением (в сторону малого зеркала). Фазовый центр облучателя совмещается со вторым фокусом малого зеркала. При этом облучатель должен создавать в пределах угла его раскрыва сферическую или близкую к ней волну.

ДН облучателя должна обеспечивать требуемое амплитудное распределение в раскрыве при малом переливании энергии через края зеркала, по возможности обладать осевой симметрией и минимальным уровнем боковых и задних лепестков. Желательно иметь малые размеры облучателя, чтобы уменьшить его экранирующее действие (теневой эффект). Облучатель и его тракт питания следует рассчитывать и конструировать так, чтобы заданная мощность пропускалась без возможности пробоя диэлектрика.

Диэлектрические стержневые антенны относятся к антеннам поверхностных волн осевого излучения, широко применяются в диапазоне сантиметровых волн. Антенны представляют собой диэлектрический стержень, выполненный из высокочастотного диэлектрика с малыми потерями (полистирол, тефлон и др.).

Отражённая от конца стержня волна приводит к появлению в ДН дополнительных боковых лепестков, соответствующих излучению антенны в обратную сторону. Для уменьшения отражённой волны придадим стержню коническую форму.

Так как рабочая частота достаточно высока fр=14 ГГц (больше 3 ГГц), то целесообразно использовать волноводное возбуждение антенны с плавным переходом от прямоугольного волновода к круглому волноводу.

Для эффективного возбуждения стержня диэлектрической антенны его начальный диаметр должен удовлетворять требованию:

Фазовая скорость волны на конце стержня должна соответствовать фазовой скорости волны в свободном пространстве, что примерно выполняется, если диаметр на конце стержня соответствует

Примем относительную диэлектрическую проницаемость материала стержня ε_r=2 (фторопласт-4). Длина волны определяется формулой:

Для рабочей частоты длина волны составит λ=0.021m. Подставив исходные данные, получим:

,

.

Величина d_мах будет являться диаметром 2a круглого волновода, в который вставляется стержень. Для простоты крепления диэлектрического стержня внутри волновода соответствующий небольшой участок стержня необходимо изготовить цилиндрической формы. В качестве рабочего типа волны выбирается основной тип волны для круглого волновода Н_11. Рабочий диапазон частот в одномодовом режиме определяется условием:

где - критическая частота основной волны,

- критическая частота волны высшего порядка.

Можно получить диапазон допустимых значений радиуса круглого волновода: . Рассчитанный диаметр не соответствует стандартному (рекомендации МЭК) волноводу С140.Поэтому выберем допустимый размер диаметра 15мм.

Если учесть изменившееся значение d_max, то конечный диаметр стержневой антенны составит d_min»9.4 мм (прежним остается отношение большого и малого диаметра антенны).

Определим величину коэффициента замедления фазовой скорости волны в стержне. Величина коэффициента замедления определяется средним значением диаметра стержня:

получим: d_ср=12 мм.

Для определения величины коэффициента замедления воспользуемся графиком зависимости величины x от d/l (рис. 1) . Для рабочей длины волны l=21 мм отношение d/l (в качестве d используется значение d_ср) составит 0.47. По графику при e_r=2 и d/l=0,57 находим величину коэффициента замедления: x≈0,91.

рис. 1 Фазовая скорость в диэлектрическом стержне.

Зная оптимальный коэффициент замедления фазовой скорости волны в стержне

и длину волны можно найти длину диэлектрического стержня:

.

получаем: L=106 мм.

Для того, чтобы в стержне не возбуждались высшие типы волн, искажающие диаграмму направленности антенны, необходимо выполнение соотношения:

При d_ср=12 мм, l=21 мм и e_r=2 условие выполняется.

У стержневой диэлектрической антенны фазовый центр находится примерно на ее середине, т.е. на расстоянии 53 мм от края волновода. Конец стержня, вставленный в волновод, заканчивается конусом, длина которого должна быть около 1,5l_В, l_В=37мм.

l_В=

Примем эту величину равной 55.5 мм.

3. ВЫБОР ТИПА ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ И РАСЧЕТ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ

Для возбуждения облучателя (диэлектрической антенны) используется круглый волновод типа С140. Основные характеристики волновода приведены в следующей таблице:

Предельная мощность, переносимая волной Н₁₁ в круглом волноводе, рассчитывается по формуле:

,

где Е0=3*10⁶ В/м - пробивная напряжённость электрического поля при заполнении волновода воздухом;

Z_c=120p Ом - волновое сопротивление заполняющей волновод среды (воздух).

Таким образом, из (3.1) видно, что предельная мощность для круглого волновода составляет P_пр=180.4 кВт. Данная мощность превышает заданную мощность передатчика в импульсе (Р=5 кВт) с большим запасом, значит, круглый волновод способен подводить к диэлектрической антенне необходимую мощность от передатчика без электрического пробоя.

Волна Н₁₁ в круглом волноводе сходна с волной основного типа Н₁₀ в прямоугольном волноводе. Однако под влиянием различных случайных или преднамеренных деформаций волновода положение плоскости поляризации волны Н₁₁ становится неустойчивым - наблюдается поляризационная неустойчивость основной волны. Поэтому необходимо подбирать волновод с достаточно малыми допусками по форме. По этой же причине основная линия передачи должна быть в виде прямоугольного волновода с волной типа Н₁₀.

Для преобразования волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе в волну Н₁₁ в круглом волноводе используются плавные и ступенчатые переходы. Выберем в качестве перехода плавный, длину которого следует выбирать не менее (2…3)l_В.

,

Так как диаметр круглого волновода должен быть больше диагонали сечения прямоугольного волновода, то в качестве прямоугольного волновода выберем стандартный волновод типа R140 в соответствие с рекомендациями МЭК с размерами 15.799 ´ 7.899 мм.

Характеристики прямоугольного волновода типа R140

4. РАСЧЕТ ПРОФИЛЯ СЕЧЕНИЯ ЗЕРКАЛ

Для главного зеркала профиль сечения z(x,y) можно найти, используя формулу:

  ,

Преобразуем к виду:

.

Уравнение описывает параболоид вращения. Данная фигура будет симметричной в плоскостях XОZ и YОZ.

Для малого зеркала профиль сечения z(x,y) можно найти, используя формулу:

  ,

где:,

,

.

Уравнение описывает гиперболоида вращения. Данная фигура также симметрична относительно плоскости XOZ и YOZ..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы по техническому заданию был произведен расчет двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена.

В соответствие с техническим заданием в качестве облучателя антенны использовалась диэлектрическая стержневая антенна. Был произведен расчет ее геометрических размеров, в качестве диэлектрического материала был взят фторопласт-4. Форма диэлектрической антенны для обеспечения более качественных характеристик (уменьшения отражения от конца диэлектрической антенны и снижения уровня боковых лепестков) была выбрана конической. Высшие типы волн, искажающие диаграмму направленности, в антенне не возникают. В ходе расчётов также была проведена коррекция размеров диэлектрической антенны для обеспечения более точного выполнения технического задания. Таким образом, облучатель имеет следующие параметры:

Больший диаметр стержня d_max, мм15

Меньший диаметр стержня d_min, мм9.4

Длина стержня L, мм106

Диэлектрическая проницаемость диэлектрика e_r 2

Коэффициент замедления x0.91

Для возбуждения диэлектрической антенны был выбран круглый волновод (типа С140 в соответствии с рекомендациями МЭК) диаметром d=15.1мм, работающий на основном типе волны H₁₁, который плавно переходит к прямоугольному волноводу (тип R140 в соответствии с рекомендациями МЭК) с размерами 15.799´ 7.899. Диэлектрический стержень крепится в круглом волноводе без клея, плотным вставлением в него.

Конструкция облучателя приведена в Приложении 4. ДН диэлектрической антенны - в Приложении 2

Расчет антенны Кассегрена был произведен с помощью программы "Расчет двухзеркальной антенны Кассегрена". Программа позволила рассчитать основные параметры антенны: ДН облучателя, распределение поля в раскрыве, ДН антенны; коэффициент использования поверхности КИП. В ходе расчётов были внесены некоторые коррективы в параметры антенны для более точного соответствия техническому заданию. Получены следующие параметры и характеристики двухзеркальной антенны Кассегрена с диэлектрическим облучателем:

Диаметр основного зеркала D, мм618

Диаметр малого зеркала d, мм81

Эквивалентный фокус F_э, мм1.174

Уровень боковых лепестков d, дБ17

Ширина главного лепестка ДН DQ_-3дБ2

КИП0.607

Полученное значение затенения d/D=0.131 удовлетворяет требованию d/D<0.2, что необходимо для уменьшения уровня боковых лепестков. В соответствие с техническим заданием удалось реализовать узкий луч ДН 2Дб. Общая эффективность антенны получилась равной 0.607, что является достаточно неплохим результатом. Общий вид антенны приведён в Приложении 3.

Также проводился расчёт линии питания. Расчёты показали, что волноводы, использующиеся в качестве линии питания, имеют следующие основные эксплуатационные характеристики:

Круглый волновод

Размер d, мм15.1

Толщина стенок ,мм1.015

Затухание (медь) ,дБ/м0.1893

Прямоугольный волновод

Размер a´b, мм15.799 ´ 7.899

Толщина стенок ,мм1.015

Затухание (медь) ,дБ/м0.176

Круглый волновод соединен с прямоугольным через плавный переход.

Список использованной литературы

1.      Фельдштейн_Явич_Смирнов, Справочник по элементам волноводной техники.

.        Файл программы Mathcad Расчет профиля сечения зеркал, Двузеркальная антенна по схеме Кассегрена (2000) диэлектрическая антенна

.        Методические указания по проектированию и задания к курсовому проекту для студентов всех форм обучения радиотехнических специальностей.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Диаграммы направленности облучателя (расчетные)

ДН облучателя в плоскости Е

ДН облучателя в плоскости Н

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Распределение поля в раскрывt в плоскостях Н и Е.

Диаграмма направленности антенны

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Общий вид антенны и профили сечения зеркал антенны.