Проектирование зеркальной антенны

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования «Белорусский государственный университет  
информатики и радиоэлектроники»

 

Факультет радиотехники и электроники

 

Кафедра антенн и устройств СВЧ

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

на тему

РАСЧЕТ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ

 

 

 

 

 

 

Студент:  гр. 140102 Муращенко Е.О.

 

 

Руководитель: Кирильчук В.Б.

 

 

 

Минск 2013

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

“Утверждаю”

зав. кафедрой А и УСВЧ

профессор                А.А. Кураев

“      “___________2013 г

 

 

ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование

студенту гр. 140102 Муращенко Евгению Олеговичу

1. Тема проекта: “Расчет зеркальной антенны”.

2. Срок сдачи готового проекта руководителю: “15” декабря 2013 г.

3. Исходные данные для проектирования:

средняя частота рабочего диапазона 10 ГГц;

коэффициент направленного действия 20 дБ;

полоса частот 15%;

ширина главного лепестка в плоскости Е в 2 раза больше, чем в плоскости Н.

4. Содержание расчетно-пояснительной  записки(перечень подлежащих раз-работки вопросов)

Введение.

1. Обоснование и выбор  типа антенны для расчета, основные  свойства,

принцип работы.

2. Предварительный расчет геометрических параметров.

3. Результаты численного моделирования антенны.

Заключение.

Список использованных источников научно-технической информации.

Содержание пояснительной записки.

5. Перечень графического  материала.

5.1 Конструктивный чертеж  антенны и ее элементов- 1 лист  формата А3.

6. Дата выдачи темы проекта 29 сентября 2013 г.

 

7. Календарный график работы над проектом.

Изучение литературы по теме проекта......................... 10.10-20.10

Обоснование и выбор типа антенны для расчета,

описание основных свойств и принципа работы................. 21.10

Методика конструктивного и электрического расчета

антенны.................................................................................. 2.11

Предварительный расчет геометрических параметров.. 16.11

Написание текста пояснительной записки..................... 12.12

Подготовка графического материала............................. 14.12

Защита курсового проекта.....................................26.12

 

Руководитель курсового проекта      Кирильчук В.Б.

Задание принял для исполнения

«29» сентября 2013 г.

1. Муращенко Е.О.  
   Введение.

 

Теория и техника антенных устройств в значительной мере определяют прогресс в таких областях науки, как радиолокация, космическая связь и радионавигация. Антенны многих радиосистем часто полностью определяют их предельно достижимые характеристики, такие, как дальность действия, широкополосность, точность определения координат, разрешающую способность и т.д. В ряде случаев антенна может сочетать в себе также функции приёмника и передатчика – это так называемые активные антенны. Разнообразие типов антенн в настоящее время чрезвычайно велико, однако одним из основных типов антенн являются зеркальные антенны.

Среди различных типов остронаправленных антенн зеркальные антенны наиболее часто используются в различных радиосистемах – в линиях радиосвязи, радиолокационных станциях, радиоастрономии. Это связано с относительной простотой их конструкции, малым весом, возможностью обеспечения низкого уровня боковых лепестков диаграммы направленности, высоким коэффициентом полезного действия, сохранением направленных свойств в широкой полосе частот, малыми активными потерями, простотой конструкции и т. д. Зеркальные антенны позволяют удобно формировать диаграммы направленности различной формы и управлять ими. Простейшие однозеркальные антенны выполняются в виде параболоида вращения (вырезки из параболоида) или параболического цилиндра. Основными элементами зеркальной антенны являются слабонаправленная антенна – облучатель и отражающее зеркало – рефлектор. Облучатель находится в фокусе параболического зеркала, которое преобразует сферический фронт волны, создаваемой облучателем, в плоскую волну. Параболический цилиндр трансформирует цилиндрическую волну, формируемую линейным источником, расположенным вдоль фокальной линии, также в плоскую волну. В тех случаях, когда требуется создать диаграмму направленности специальной формы (например, типа «косеканс» в вертикальной плоскости при обзоре РЛС местности), применяются зеркальные антенны с зеркалами, отличными от параболических.

Зеркальные антенны относятся к антеннам оптического типа, чем подчёркивается общность принципа работы зеркальной антенны и оптического рефлектора.

В данном курсовом проекте будет разработана конструкция параболической антенны с волноводно-рупорным облучателем.

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор и обоснование конструкции.

 

В качестве антенн, обладающих узкими диаграммами направленности и высокими коэффициентами усиления, наибольшее распространение получили параболические зеркала различного типа.

На практике применяют в основном четыре типа параболических зеркал – отражателей.

 

 

 

 

 

 

 

 

      

 

 

 

 

На рис.1 изображены: а) параболический цилиндр; б) параболоид вращения; в) усечённый параболоид вращения; г)параболоид ограниченный элипсоиднообразным контуром.

 

Первый тип отражателя представляют собой параболический цилиндр, вдоль фокальной линии которого располагаются линейные излучатели. Вследствие этого направленность антенной системы в плоскости фокальной линии (плоскость X0Z) зависят от числа облучающих элементов, как в плоскостных антеннах. Направленность же этой антенны в перпендикулярной плоскости Y0Z определяется в основном размерами параболического цилиндра, отнесёнными к длине волны.

Другой разновидностью являются антенны в виде параболоидов вращения. Антенны этого типа применяются в тех случаях, когда необходимо получить узкую диаграмму направленности, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

 Антенны изображенные на рис. 1в и г применяются для создания веерных и секторных диаграмм направленности с малым углом раствора в одной плоскости и широким в перпендикулярной к ней плоскости.

Все из рассмотренных выше антенн представляют собой сложные системы, состоящие из источника излучения, направленного облучателя и преломляющих или отражающих поверхностей той или иной формы.

От облучателей антенны в таких случаях требуют, чтобы они обеспечивали излучение подведенной к ним энергии в определённых направлениях, и практически не излучала в других направлениях. В зависимости от рабочего диапазона волн для возбуждения параболических зеркал применяют облучатели, питаемые концентрическими линиями или волноводами. Сама энергия может подводиться к облучателю как спереди, так и сзади (относительно зеркала).

Принципиально в качестве облучателя может быть применена любая антенна, обладающая однонаправленными свойствами и обеспечивающая требуемое «освещение» поверхности зеркала. Не менее важными являются и диапазонные свойства облучаемой антенны.

Очень удобны для применения в качестве облучателей рупорные антенны, поскольку они позволяют независимо формировать диаграмму направленности во взаимно перпендикулярных плоскостях Е и Н.

Рупоры, применяемые в качестве облучателей, обычно бывают небольших размеров и имеют углы раскрыва, не превышающие 20-30°.

Выбор и обоснование конструкции будет производиться исходя из технического задания.

Т. к. по условию задано:

1) средняя  частота рабочего диапазона 10 ГГц;

2) коэффициент  направленного действия 20 дБ;

3) полоса  частот 15%;

4) ширина главного лепестка в  плоскости Е в 2 раза больше, чем  в    плоскости Н,

то для удовлетворения этих требований может быть применён Е – секторальный рупорный облучатель, питающийся от стандартного прямоугольного волновода. В качестве зеркала возьмем параболоид вращения.

 

 

 

3. Конструктивный расчёт параметров рупорного облучателя

Для получения оптимальной диаграммы направленности зеркальной антенны, амплитудное распределение на раскрыве зеркала должно быть комбинированным, спадающим к краям, с уровнем подставки . Такое АР задаётся ДН облучателя. Пересчитав АР в ДН облучателя получаем:

 

где – АР на раскрыве зеркала.

В качестве облучателя выбираем оптимальный пирамидальный рупор. Определим длину волны, соответствующую заданной частоте:

 

Геометрические размеры питающего волновода выбираются из условия распространения только основной волны Н10.

 

 

Для данной длины волны возьмём стандартный волновод a=23 мм, b=10 мм.  Для нахождения геометрических размеров оптимального облучателя учтём, что ширина главного лепестка в плоскости Е в 2 раза больше, чем ширина главного лепестка в плоскости Н. Т.к. положим, что , тогда

 

 

Определим глубину рупора в плоскостях E и H:

 

 

Для уменьшения фазовой ошибки на краю раскрыва рупора берут большее значение радиуса, в нашем случае .

Т.к. раскрыв имеет прямоугольную форму, то его площадь равна:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчёт ДН облучателя

Т.к. размеры рупора оптимальны, то ДН приближённо можно рассчитывать, полагая фазовую ошибку равной нулю. Тогда выражения для нормированной диаграммы направленности будут следующими.

В плоскости Е:

 

где

Тогда для нашей антенны и

 

 

В плоскости H:

 

где

Тогда для нашей антенны и

 

 

 

 

5. Расчет диаграммы направленности зеркальной антенны

Поле излучения зеркальной антенны представляет собой сумму полей, создаваемых самим зеркалом, его облучатели непосредственно и металлическими конструкциями элементов, на поверхности которых возбуждаются высокочастотные токи. Энергия облучателя, не перехваченная зеркалом, и энергия, рассеянная на элементах конструкции, увеличивает побочное излучение, а это может существенно ухудшить характеристики антенны с точки зрения применения их в радиотехническом устройстве.

Диаграмма направленности зеркальной антенны может быть рассчитана двумя методами: по токам на поверхности зеркала или по распределению поля в его раскрыве.

Первый метод является строгим, если точно известны токи на поверхности зеркала. Однако токи возможно определить только приближенно, и поэтому точность первого метода оказывается того же порядка, что и второго.

Если известно поле в раскрыве антенны, то её можно определить, используя одну из формул:

 

  

Обычно предполагают, что векторы поля в раскрыве связаны соотношением:

где и - касательная составляющая векторов поля в раскрыве

- постоянный коэффициент, называемый  волновым сопротивлением раскрыва.

Для синфазных раскрывовможно считать:

Для плоского раскрыва формула упрощается:

где

В случае определения поля остронаправленной антенны, в плоском раскрыве которой формула для определения поля вблизи поля основного лепестка ДН еще более упрощается:

Определим КНД антенны в разах, соответствующую заданной частоте по формуле:

 

где – скорость света.

  – оптимальный  уровень подставки комбинированного  амплитудного распределения соответствует  оптимальному углу раскрыва зеркала  и максимуму КНД. Уровень подставки можно изменять для заданного зеркала изменяя ДН облучателя. Расчёты показывают, что для отношения . Для расчётов примем , тогда , и .

Зная формулу (3.3) для нахождения КНД зеркальной антенны:

 

Выразим S – площадь раскрыва зеркала:

 

При параболической форме зеркала раскрыв представляет собой круг, значит его радиус можно определить по формуле (3.5):

 

Рассчитаем фокусное расстояние:

Т.к и , то

Тогда глубина зеркала:

 

Диаграмма направленности определяется общим выражением (3.6):

 

где – ДН элементарного излучателя Гюйгенса, – множитель системы.

Для комбинированного амплитудного распределения получена следующая формула, описывающая множитель системы (3.7):

 

где и – лямбда-функции порядка m=1 и m=n+1, выражаемые через функции Бесселя первого рода формулой (3.8):

 

Для большинства слабонаправленных антенн, используемых в качестве облучателей (волноводных, рупорных, антенн бегущей волны), n=1. Тогда определим лямбда-функции , :

 

 

Подставим (3.9 – 3.10) в (3.7):

 

Подставив известные параметры получим окончательную формулу для определения ДН зеркальной антенны с заданными параметрами:

 

Нормированную диаграмму направленности (рис.3.2) построим с помощью пакета Mathcad:

Рис.3.2

 

Ширину главного лепестка можно определить приближённо по формуле (3.12):