Разработка зеркальной параболической антенны с рупорным облучателем

Содержание

Введение

. Выбор геометрических размеров рупорного облучателя

. Расчет ДН облучателя в плоскостях Е и Н

. Определение геометрических размеров зеркала

. Построение ДН зеркальной антенны

. Расчет фидерного тракта, вращающихся сочленений и узлов

. Расчет КПД, КУ, КНД антенны

Выводы

Список используемой литературы

Введение

Зеркальные параболические антенны широко применяются в радиостанциях различного назначения - радиолокационных, навигационных, радиорелейных и других системах СВЧ диапазона.

Зеркальная параболическая антенна состоит из облучателя и отражающего металлического или металлизированного зеркала. Облучатель располагается в центре зеркала и представляет собой слабонаправленный излучатель. Отражающее зеркало выполняется в виде параболоида вращения, параболического цилиндра, сферы или может иметь специальный профиль, обеспечивающий необходимую ДН.

Они нашли широкое применение благодаря следующим свойствам: сравнительной простоте конструкции, надежности работы, хорошим диапазонным свойствам, способности формировать различные ДН, возможности многофункциональной работы при выборе соответствующего облучателя и ряде других полезных свойств.

Однако, у зеркальных антенн есть несколько существенных недостатков: громоздкие и тяжелые механизмы вращения, ограниченная скорость управления ДН, трудно поддающийся ослаблению УБЛ, обратная реакция зеркала на облучатель и затенение облучателем поля.

В современных конструкциях принимаются меры для ослабления указанных недостатков: используются более легкие материалы конструкции, зеркала специальных форм.

В своей курсовой работе я рассчитывал пирамидальный рупорный облучатель. Такой рупор на конце волновода позволяет получить пространственную ДН, сравнительно симметричную относительно оси зеркала. Такой облучатель имеет более узкую ДН, чем волноводный, и поэтому может применяться в случаях более длиннофокусных параболоидов. Рупорный облучатель имеет значительно меньшее излучение в обратном направлении, чем волноводный.

1. Выбор геометрических размеров рупорного облучателя

Геометрические размеры волновода и облучателя выберем из условия электродинамического подобия.

Размеры поперечного сечения прямоугольного волновода a и b:

Размеры раскрыва рупора в плоскостях Е и Н:

Длина волновода от возбуждающего устройства до горловины рупора выбирается из условия фильтрации высших типов волн.

Полная длина облучателя:

. Расчет ДН облучателя в плоскостях Е и Н

В плоскости Н:

В плоскости Е:

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.

Проведем аппроксимацию ДН в этой плоскости, функцией :

Из построенных графиков видно, что наилучшая аппроксимация главного лепестка наблюдается при n=8. Найдем оптимальный угол раскрыва зеркала, соответствующий максимальному коэффициенту использования поверхности для найденного значения n.

Из графиков получим, при n=8 .

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

Где  - диаграмма направленности облучателя

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

Аппроксимирующая функция:

, где

 - принято для удобства расчета.

Построим реальное амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала и наложим на него аппроксимирующую функцию.

3. Определение геометрических размеров зеркала

Для определения геометрических размеров и ДН зеркала будем пользоваться аппроксимирующей функцией и табличными данными.

Радиус параболоида:

Фокусное расстояние:

Глубина зеркала:

. Построение ДН зеркальной антенны

Формула для расчета диаграммы направленности:

, где

(U), J1(U) - функции Бесселя нулевого и первого порядка.

После подстановки получаем:

Рис. Диаграмма направленности зеркальной антенны для λ0

Рис. Диаграмма направленности зеркальной антенны для λ0+14%

Рис. Диаграмма направленности зеркальной антенны для λ0-14%

дБ

Ширина диаграммы направленности в заданной полосе частот изменяется 2,9+-0.5°:

. Расчет фидерного тракта, вращающихся сочленений и узлов

зеркальный антенна рупорный облучатель

По заданию требуется обеспечить сектор механического сканирования луча в горизонтальной плоскости: +-180 градусов. Поэтому выбираем электрическую схему с одномерным сканированием в горизонтальной плоскости:

Рис. Электрическая схема с одномерным сканированием в горизонтальной плоскости

В качестве фидерного тракта выберем прямоугольный металлический волновод.

Выберем стандартный волновод: a=23мм, b=10мм.

Длина линии передачи: L=1.5 м.

Рассчитаем предельную мощность, пропускаемую волноводом с волной H10:

Что больше значительно меньшей заданной мощности передатчика (в импульсном режиме 0.7 кВт, соответственно в непрерывном 0.07 кВт)

Осевая симметрия поля, необходимая для сохранения постоянства передачи электромагнитной энергии при вращении подвижной части волноводного тракта относительно неподвижного, имеется в круглых волноводах с симметричными волнами типа Е01 и Н01.

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.

Диаметр основного круглого волновода сочленения D определяется из условия распространения волны Е01 (D>0,76λ) и затухания высших типов волн (D<0,97λ), т.е.

,128 см <D< 2.716 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.

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, длиной l_E01/4=1,47см, с разными волновыми сопротивлениями. Использование притертого фланца при тщательной обработке и строгой параллельности фланцевых поверхностей позволяет получить в месте соединения двух отрезков волноводных линий хороший электрический контакт.

Расчет вращающегося сочленения:

При переходе от прямоугольного волновода с волной Н10 к круглому волноводу в последнем возникают волны: рабочая - Е01 и более низкая паразитная - Н11. Волна Н11 имеет несимметричную структуру поля и её энергия в круглом волноводе равна 1%, поэтому необходимы специальные устройства для гашения этой волны (допустимое содержание паразитных волн составляет 0,1%). В конструкциях таких сочленений для подавления паразитных волн широко применяют «гасящие объемы» и резонансные кольца.

Схема сочленения с «гасящими объемами» и резонансными кольцами имеет вид:

Выберем волноводное сочленение с резонансными кольцами, без гасящего объема. Оно имеет компактные размеры и широкую полосу пропускания частот.

Определим радиус круглого волновода сочленения:

Отсюда R=1.34 cм.

Определим отношение:

Определим эквивалентный радиус провода кольца:

см

см

Выберем кольцо эллиптической формы сечения и его толщину d’=1.5 см.

Толщина кольца:

Рассчитаем дроссельную секцию в круглом волноводе:

Она состоит из двух параллельных четвертьволновых участков, длиной:

 и

Где: см

см

Отсюда:

Определим полную длину сочленения:

см

где n=2.

Определим длину от кольца до стенки сочленения:

см

6. Расчет КПД, КУ, КНД антенны

Коэффициент полезного действия антенны (КПД):

Так как диаграмма направленности рупорного облучателя симметрична относительно оси антенны и может быть аппроксимирована функцией cosⁿ(y), при n=1, то коэффициент полезного действия антенны равен:

=cos²ⁿ⁺¹(y₀)

h = 0,939

Коэффициент усиления антенны (КУ):

КУ (G) антенны показывает во сколько раз необходимо увеличить подводимую 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:

= pR² - площадь раскрыва.

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

h - коэффициент полезного действия антенны.= n*hэффективность зеркальной антенны.

Так как угол раскрыва зеркала был выбран из условия максимальной эффективности антенны, то при g=0,82 КУ будет равен:

КИП антенны: n = 0,873.

Коэффициент направленного действия антенны (КНД):

Коэффициент направленного действия зеркальной антенны равен:

= 4225.7

Коэффициент бегущей волны (КБВ):

Определим величину КБВ тракта как:

Если принять, что реальный  окажется не выше рассчитанного с вероятностью P(x)=0.9, то параметр, зависящий от этой вероятности будет . Из неоднородностей имеем 3 фланца, 1 вращающийся переход, 2 изгиба.

Вращающееся сочленение - =0,05

.

Выводы

В курсовом проекте разрабатывается зеркальная параболическая антенна с рупорным облучателем.

Рассчитанная антенна конструктивно выполняется в виде металлического зеркала с установленным в фокусе рупорным облучателем. Питание антенны осуществляется прямоугольным волноводом, который также служит элементом крепления облучателя в фокусе. Так как антенна должна обеспечивать сектор механического сканирования от -1800 до 1800 в горизонтальной плоскости, то в фидерном тракте, питающем антенну, предусмотрено вращающееся сочленение.

Чтобы защитить антенну от влажности, коррозии, снега, обледенения и сильного ветра предлагается покрасить антенну в серый цвет лакокрасочным покрытием ОСТ4Г00114.202, ГОСТ 9.104-79. Метод нанесения - распыление. Крепление антенны предлагается выполнить из стали и покрасить в серый цвет. Облучатель закрывается тонким диэлектрическим колпаком, прозрачным для волны, но предохраняющим от вредного воздействия окружающей среды.

Местом установки такой антенны является самолет.

Список используемой литературы

1) «Расчет антенн СВЧ». Пособие по курсовому проектированию по антенно-фидерным устройствам. Часть 2. Под редакцией Д.И. Воскресенского, 1973 г.-126с., ил.

) «Антенны и устройства СВЧ». Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин, В.М. Максимов, Л.И. Пономарев. М.: Изд-во МАИ, 1999 г.-528с., ил.

) «Расчет и конструирование вращающихся сочленений». Пособие для курсового проектирования по курсу «Антенно-фидерные устройства» под ред. Б.Я. Мякишева М.: Изд-во МАИ, 1962 г.-48с., ил.

) «Антенны и устройства СВЧ». Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Изд-во Советское радио, 1972 г.-320с., ил.

) «Расчет антенн СВЧ». Пособие по курсовому проектированию по антенно-фидерным устройствам. Часть 1. Под редакцией Д.И. Воскресенского, 1970 г. - 207с., ил.