Проектирование двухзеркальных антен

Проектирование двухзеркальных антен

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра технической электродинамики и антенн

Курсовая работа

по дисциплине

РР и АФУ

По теме: “Проектирование двухзеркальных антенн”

Выполнил студент

Группы: ЗС0901

Цыденжапов Александр

Преподаватель: Смирнов Е.В.

Москва 2012

Оглавление

1.   Задание

2.   Выбор облучателя

3.   Определение геометрических параметров двухзеркальной антенны

3.1       Определим диаметр раскрыва основного зеркала

3.2       Выберем фокусное расстояние из соотношения

3.3       Воспользовавшись понятием об эквивалентном параболоиде найдем его фокус

3.4       Для уменьшения теневого эффекта лиаметр малого зеркала обычно выбирается в пределах

3.5       Рассчитаем фокусное расстояние малого зеркала

3.6       Рассчитаем профили зеркал

4.   Расчет облучателя

5.   Расчет Диаграммы направленности антенны

Список литературы

1.Задание

Исходные данные:

2. Выбор облучателя

В качестве облучателей двухзеркальных антенн можно использовать диэлектрические стержни. Они имеют малые геометрические размеры, волна излучаемая ими имеет туже поляризацию, что и в возбуждающей системе. В отличие от рупоров не дают затенения в силу своих малых геометрических размеров.

Возможно создание смешанных (гибридных) систем облучателей, состоящих из облучателей разных типов. Обычно такой вариант используется в тех случаях, когда предусматривается работа на нескольких частотах и облучатель одного типа не обеспечивает работу в необходимой широкой полосе частот. Чаще других используются комбинации рупорного и дипольного облучателей.

В качестве облучателя в данной работе будем использовать диэлектрический стержень, возбуждаемый волной Н₁₀, которая подводится к нему с помощью прямоугольного волновода.

3. Определение геометрических параметров двухзеркальной антенны

3.1    Определим диаметр раскрыва основного зеркала

Зная, что , где D - КНД антенны, а S - площадь раскрыва, определяющаяся по формуле , а коэффициент использования поверхности двухзеркальной антенны возьмем равным

Тогда получается , а следовательно

Переведем данный в условии КНД из дБ в разы: D_дБ = 31 дБ, тогда

D =

Тогда получим

3.2    Выберем фокусное расстояние из соотношения

Пусть F = 0.5 = 0.2025 м

3.3    Воспользовавшись понятием об эквивалентном параболоиде найдем его фокус

В приближении геометрической оптики двухзеркальная антенна может быть сведена к эквивалентной ей по распределению поля в раскрыве однозеркальной антенны того же диаметра

Определим фокусное расстояние эквивалентного параболоида по формуле F_э = , где e - эксцентриситет образующего эллипса малого зеркала.

Зная, что  получим F_э = 0,3778 м

3.4    Для уменьшения теневого эффекта диаметр малого зеркала обычно выбирается в пределах

Пусть

3.5    Рассчитаем фокусное расстояние малого зеркала

Для чего нужно определить углы φ₂ и ψ₀. (угол облучения источником краев малого зеркала и угол раскрыва параболического зеркала соответственно)

Определим ψ₀ из формулы: радиан

А угол φ₂ возьмем равным 30⁰

По формуле  получим f = 0.021 м

 - расстояние между фокусами малого зеркала

- расстояние до фазового центра облучателя

3.6 Рассчитаем профили зеркал

Основное зеркало является параболой и описывается функцией

Малое зеркало по схеме Грегори является эллипсом и описывается функцией

Рассчитанные профили зеркал имеют вид:

облучатель антенна зеркало фокусный

4. Расчет облучателя

В качестве облучателя будем применять диэлектрический стержень. Диаграмму направленности диэлектрического стержня можно рассчитать при помощи следующих приближенных соотношений:

где  - длинна стержня в метрах,  - коэффициент замедления. выбираемый по графикам рис. 5.2 ч.1 в зависимости от поперечного сечения стержня и длинный волны,  - диаметр стрежня.

k - волновое число и считается по формуле: k = 2π/λ = 209.4395 м^-1

 диэлектрическая проницаемость выбирается вкупе с таким параметром как: длинна волны, по следующим зависимостям:

Для обеспечения необходимой ширины ДН диэлектрического стержня, то есть выбрав необходимые параметры антенны, мы в программе ANT-4 меняя степень аппроксимирующего полинома, добиваемся необходимых показателей эффективности антенны, подобрав необходимый полном, мы выбрав удовлетворяющую нас длину стержня, меняя параметр k1, коэффициент замедления, получаем необходимую ширину ДН, а затем подбираем по этим графикам материал стержня.

 - максимальный диаметр стержня

 - диаметр стержня выбранный для данной антенны, от этого параметра зависит диэлектрическая проницаемость и ширина ДН.

 - радиус стержня

 - длина стержня от этого параметра, так же зависит ширина ДН и выбор диэлектрика.

 - коэффициент замедления выбирается в соответствии с графиками приведенными выше.

 - коэффициент затухания

- коэффициент полезного действия

Для получения максимального значения КНД зеркальной антенны главный лепесток ДН диэлектрического облучателя в пределах сектора облучения малого зеркала должен быть симметричным. Для этого в пределах угла облучения ДН в плоскостях Е и Н должна быть симметрична:

- коэффициент перехвата энергии малым зеркалом.

Фазовый центр: для цилиндрического стержня он приближённо берется в середине стрежня.

Для возбуждения волновода будем использовать электрический вибратор, который подведем к волноводу с помощью коаксиальной линии с ТЕМ волной. Внешний проводник подсоединяется к волноводу, а внутренний размещается непосредственно в волноводе. Структура поля возбуждаемого в волноводе данным вибратором, будет иметь такое же распределение, как и в линии, следовательно, будут, возбуждается волны, у которых в центре находятся пучности, это волны типа  и т.д. волны с первым не четным индексом, а волны типа  не будут возбуждаться, для одно волнового режима, необходима соответствующим образом подобрать размеры волновода, при котором волны высших типов будут угасать, для работы с волной  необходимое условие: . Для того чтобы наша антенна работала на заданном типе волны и в нее не попадали высшие типы волн расстояние от вибратора до диэлектрического стержня должно быть больше (длинна волны в волноводе). Т.к. вибратор излучает волну  в обе стороны, то для улучшения согласования вибратор будем вводить в волновод на расстоянии , при таком расположении набег фаз у отражённой волны от задней стенки будет равен π и она сложится с волной, бегущей к стержню.

Для получения горизонтальной поляризации в прямоугольном волноводе, есть два способа, либо вводить вибратор в волновод со стороны малой стенки, либо возбудить в прямоугольном волноводе волну , а за тем плавно повернуть волновод на 90 градусов. Воспользуемся вторым способом, т.к. этот метод прост в исполнении, и не требует покупать волновод с дополнительным вводом со стороны малой стенки. Требование к секции поворота, ее длинна, должна быть больше чем длинна волны в волноводе, т.к. там возбуждаются волны высших порядков и они должны успеть затухнуть.

Расчет волновода:

Питание диэлектрического стержня осуществляется с помощью прямоугольного волновода, в котором распространяется волна Н₁₀. Для того, чтобы в волноводе не возбуждались волны высших типов необходимо выбрать его размеры таким образом, чтобы .

Размеры прямоугольного волновода:

 EIA-62

Переход от волновода к стержню осуществим с помощью конусообразной шайбы, которая перейдет от диметра 15.8мм к диаметру стержня 8мм

Структура поля выбранного поля волны в данном волноводе[1][2]:

Рисунки волновода и стержня см. в конце работы.

5. Расчет Диаграммы направленности антенны

Для определения направленных свойств антенны, рассмотрим распределение поля в её раскрыве. Апертурный метод широко используется при проектировании зеркальных антенн. В раскрыве эквивалентного параболоида имеет такое же распределение поля, как в раскрыве двухзеркальной антенны, за исключением участка, затенённого малым зеркалом.

Для приближённого определения распределения поля на поверхности раскрыва можно воспользоваться методом геометрической оптики, согласно которому каждому лучу облучателя, падающему на поверхность зеркала, соответствует луч, отражённый от этой поверхности. Если облучатель расположен в фокусе параболоида, все отражённые от поверхности лучи оказываются параллельными (плоская волна), и поэтому плотность энергии на пути от поверхности параболоида до излучающей поверхности не меняется. На пути от облучателя до поверхности параболоида амплитуда лучей убывает обратно пропорционально расстоянию.

В двухзеркальных антеннах некоторая часть апертуры затеняется малым зеркалом, в результате чего КНД уменьшается, а уровень боковых лепестков увеличивается. ДН антенны, часть которой затенена, рассчитывается по формуле:

f(θ) = f₀(θ) - (

где f₀(θ) - ДН антенны без учета теневого эффекта

 - диаметр раскрыва параболоида,  - диаметр малого зеркала

Форма диаграммы направленности поля, отраженного от малого зеркала, определяется из соотношения

F₁(ψ) = ,

где  - нормированная диаграмма источника, которую для простоты считаем осесимметричной;

 и  - соответственно значения  при φ = ψ = 0

Из этой зависимости видно, что величина q(ψ) = представляет собой коэффициент взаимного преобразования (трансформации) одной диаграммы в другую.

И распределение амплитуд поля в раскрыве эквивалентного параболоида будет:

p(ψ) = , где

Используя следующие параметры

Получим:

Амплитудное распределение поля в раскрыве эквивалентной параболы определяется как:

 , где

 - аппроксимация ДН облучателя.

Амплитудное распределение поля в раскрыве эквивалентной параболы получилось:

Коэффициент использования поверхности антенны:

ν_рез= ν_а ν_о ν_з ν_н ν,

где    ν_а - аппертурный коэффициент использования поверхности раскрыва;

ν_з - коэффициент, учитывающий эффект затенения поверхности раскрыва малым зеркалом;

ν_н - коэффициент, учитывающий неточность выполнения поверхности параболического зеркала;

ν - коэффициент, учитывающий рассеяние мощности облучателя на кромках большого и малого зеркал и на элементах их крепления, переход части излученной мощности в кросс-поляризационную составляющую поля и т.д.

Полученные значения:

ν_а = 0,7739

ν_о = 0,9653

ν_рез = 0.7016*0.8427=0.5912

КНД в осевом направлении:

G = 3169.529; D = 35.010 дБ

Результирующий КНД: 35.010-0.=34.5075

Уровень ближнего бокового лепестка равен -26,7 дБ.

Список литературы

1. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. «Антенны УКВ», ч.1 и 2. - М.; Связь, 1977.

2. Кочержевский Г.Н. «Антенно-фидерные устройства». - М.; Радио и связь, 1996.

3.  Жук М.С., Молочков Ю.Б. «Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств». - М.; Энергия, 1973.

4. Кравцова Г.В., «Методические указания по проектированию двухзеркальных антенн». - М.,1984.