Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное агентство по образованию
Рязанский государственный радиотехнический университет
Кафедра РТС
Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине
«Антенны и устройства СВЧ»
на тему:
«Зеркальная антенна»
Выполнил: ст. гр. 318
Дударев А. Ю.
Проверил:
Елумеев В.И.
Рязань 2006
Содержание.
1. Введение.
Зеркальные антенны являются наиболее широко распространенным типом антенн в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазонах волн. Такое широкое применение зеркальных антенн объясняется относительной простотой их конструкции, возможностью получения диаграммы направленности (ДН) почти любого типа из применяемых на практике, высоким КПД, малой шумовой температурой и т. д. Зеркальные антенны легко позволяют получить равносигнальную зону, а некоторые их типы могут применяться для быстрого перемещения (качания) ДН в пространстве без заметных искажений её формы в значительном секторе углов.
Зеркальные антенны являются наиболее распространённым типом антенн, используемых для радиотелескопов и антенн с очень большой направленностью, применяемых для целей космической связи.
Широко используются зеркала с параболической формой поверхности (параболоид вращения, усечённый параболоид вращения, параболический цилиндр), также распространены сферические зеркальные антенны, двухзеркальные антенны.
2.Расчёт геометрических параметров зеркала и облучателя.
Форма излучающей поверхности и профиль зеркала выбирается исходя из назначения антенны и требований, предъявляемых к ее электрическим характеристикам.
Так как по заданию ширина диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях различна и составляет 2о в Н плоскости и 4о в Е плоскости. Поэтому излучающую поверхность можно получить из круглой путём вырезки сегмента. Большое зеркало имеет форму параболоида вращения.
2.1. Основные параметры усечённого параболоида.
Горизонтальная («Н») плоскость
Вертикальная («Е») плоскость
– фокус; – фокусное расстояние; – размер раскрыва в горизонтальной (Н) плоскости; – размер раскрыва в вертикальной (Е) плоскости; – угол раскрыва (апертурный угол) в горизонтальной плоскости; – угол раскрыва (апертурный угол) в вертикальной плоскости.
2.2. Основные размеры зеркала.
Излучающая поверхность антенны будет идентична прямоугольному раскрыву, поэтому реальное распределение амплитуды поля хорошо аппроксимируется функцией:
— для Н плоскости;
— для Е плоскости.
Для передающей зеркальной антенны необходимо обеспечить такое облучение, чтобы ослабление поля на краях по всему контуру зеркала было одинаково и составляло 10–14 дБ относительно его центра. С учётом этого условия определяем по таблице [1]:
0,32 – относительный уровень на краю излучающей поверхности.
58 º – уровень половины мощности;
– 20 дБ – уровень первого бокового лепестка;
0,94 – коэффициент использования поверхности (К.И.П.). Введём поправку 25% (5% на тень и 20% на перелив энергии через края зеркала) и получаем .
Основные размеры зеркала определим из выражений:
где , – числовые коэффициенты, определяемые законом распределения поля в соответствующей плоскости (Е или Н) и уровнем, на котором задана ширина диаграммы направленности; , – угол на который отклонён луч в плоскости Е или в плоскости Н соответственно; – рабочая длина волны антенны.
В нашем случае , равны 0, тогда
Угол раскрыва зеркала антенны обычно находится в пределах от 100 до 1600 . При слишком большом угле раскрыва этого зеркала становится маленьким его фокусное расстояние.
При слишком маленьком угле раскрыва становится очень большим фокусное расстояние зеркала и оказывается неприемлемым продольный габаритный размер антенны.
В данной работе никаких рекомендаций по выбору угла раскрыва не задано, поэтому можно выбрать любой угол. Выберем его в Н плоскости равным 120о
По углу определяем фокусное расстояние зеркала: по которому определяем угол раскрыва в вертикальной плоскости
.
Определим глубину зеркала в горизонтальной и вертикальной плоскостях:
Так как на краях зеркала должно быть обеспечено ослабление поля 10 дБ, то ширина нормированной диаграммы направленности облучателя по мощности на уровне 0,1(по напряжённости на уровне 0,3) должна быть равной углу раскрыва зеркала.
В качестве облучателя возьмем пирамидальный рупорный облучатель, возбуждаемый прямоугольным волноводом. Достоинствами таких облучателей является простота и жёсткость конструкции.
3.1. Основные размеры рупора.
Исходными данными являются угол раскрыва антенны в соответствующей плоскости и уровень поля на краю раскрыва. Необходимо также учесть влияние зеркала на поле облучателя:
получим
Тогда в Н плоскости
Отсюда и
в Е плоскости
Отсюда и
Рассчитаем высоты рупора в плоскости Е и в плоскости Н:
,
Выберем стандартный волновод по заданной длине волны см и мощности, чтобы избежать его пробоя, из таблицы приведённой в [?]. Возьмём волновод R-70 с размерами и предельной мощностью .
Пересчитаем по уравнению стыковки высоту рупора в плоскости Е [2].
Углы раскрыва рупора в плоскости Е и в плоскости Н:
3. Расчёт основных электрических параметров
и уточнение геометрических.
3.1. Расчёт диаграммы направленности рупора.
Нормированная диаграмма направленности рупора в плоскости Н:
в декартовой системе координат в полярной системе координат
Нормированная диаграмма направленности рупора в плоскости E:
в декартовой системе координат в полярной системе координат
3.2. Аппроксимация диаграммы направленности рупора.
Аппроксимируем диаграмму направленности рупора в плоскости «H» в пределах главного лепестка функцией и для полученного значения определим максимальный коэффициент использования поверхности зеркала и соответствующий ему оптимальный угол раскрыва зеркала в горизонтальной плоскости
Диаграмма направленности достаточно хорошо аппроксимируется функцией т.е. .
Значения и определяем по зависимости при .
Таким образом а .
Пересчитываем фокусное расстояние для оптимального угла раскрыва.
.
3.3. Расчёт распределения амплитуды поля
на излучающей поверхности зеркала.
Нормированное распределение амплитуды поля в горизонтальной плоскости описывается выражением . Для перехода к зависимости , – координата точки по раскрыву зеркала, воспользуемся выражением из геометрической оптики и получим следующее выражение:
, где изменяется от до .
Нормированное распределение амплитуды поля в вертикальной плоскости описывается выражением или в зависимости от координаты по раскрыву зеркала
, где изменяется от до .
3.4. Аппроксимация распределения амплитуды поля на
излучающей поверхности зеркала.
Так как амплитуда поля на краях раскрыва зеркала отлична от нуля, то
В этом случае удобна аппроксимация .[1]
В вертикальной плоскости , где , изменяется от до .
В горизонтальной плоскости , где , изменяется от до .
3.5. Диаграмма направленности зеркальной антенны.
Ненормированная диаграмма направленности зеркальной антенны без учёта тени от облучателя в Н плоскости определяется выражением , где [1].
Нормированная диаграмма направленности: .
Ненормированная диаграмма направленности зеркальной антенны в вертикальной (Е) плоскости: . где
Нормированная диаграмма направленности: .
Нормированная диаграмма направленности с учётом тени от облучателя:
в вертикальной плоскости , где ;
в горизонтальной плоскости , где .
3.6. Расчёт КНД зеркальной антенны.
, – действующая площадь антенны, – максимальный коэффициент использования поверхности зеркала, – геометрическая площадь раскрыва зеркала, – площадь облучателя, закрывающего раскрыв спереди. [4]
4. Конструктивный расчёт.
4.1. Расчёт профиля зеркала.
Зеркало представляет собой усечённый параболоид вращения. Так как нужно обеспечить одинаковое (10-14 дБ) ослабление поля на краях по всему контуру зеркала, то его нужно обрезать не по прямой линии, а по некоторой кривой, являющейся контуром равной интенсивности поля.
Диаграмма прямоугольного рупора на заданном уровне (10 дБ) имеет сечение, близкое к эллиптическому. Такую же эллиптическую форму должен иметь контур зеркала.[3]
Уравнение поверхности зеркала в декартовой системе координат имеет следующий вид:
Сечение зеркала вертикальной плоскостью имеет вид:
Сечение зеркала горизонтальной плоскостью имеет вид:
4.3. Расчёт допуска на точность установки облучателя в фокусе.
Для получения в раскрыве параболической антенны волны с плоским фазовым фронтом необходимо фазовый центр облучателя помещать по возможности точнее в фокусе параболической поверхности. Определим, с какой точностью необходимо выполнять это условие.
Допустимый сдвиг облучателя из фокуса определяется неравенством
.[4]
4.4. Расчет допусков на точность изготовления зеркала.
При определении допуска на точность изготовления зеркала исходят из допустимой фазовой ошибки в раскрыве, равной . Это даёт: , где –допустимое отклонение радиуса вектора поверхности зеркала. Допуск в центральной части зеркала равен, таким образом, , а на периферии зеркала может быть менее жёстким.[2]
Допуск в центральной части зеркала ; допуск для большего угла раскрыва ; допуск для меньшего угла раскрыва .
4.5. Описание конструкции.
Полученная зеркальная антенна состоит из следующих частей (см. приложение):
5. Заключение.
В результате выполнения работы была разработана зеркальная антенна, удовлетворяющая заданным техническим требованиям: обеспечена веерная диаграмма направленности — шириной 2° в горизонтальной («Н») плоскости и 4° в вертикальной («Е») плоскости; работа осуществляется на длине волны ; обеспечена линейная поляризация (вертикальная).
Список литературы.
Молочков Ю.Б. М.-Л., издательство «Энергия», 1966.
EMBED Visio.Drawing.11
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Visio.Drawing.11
180
150
0
0.2
0.4
.6
0.8
330
300
120
270
240
210
90
60
30
0
59.4
0.32
1
0.8
0.6
0.4
0.2
100
50
0
50
100
Q
90
45
0
45
90
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
F
Hр
EMBED Equation.3
×
(
)
cos
EMBED Equation.3
×
(
)
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
2