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 РФ
Рязанский государственный радиотехнический университет
Кафедра РУС
Курсовая работа
По дисциплине «Устройства СВЧ и антенны»
на тему
«Двухзеркальная передающая антенна»
Выполнил ст. гр. 410
Коновалов Ю. Е.
Руководитель
Рубцов А. В.
1. Общие сведения
Двухзеркальная антенна состоит из слабонаправленного излуча теля (облучателя) и двух металлических отражателей (зеркал). Одно из зеркал большое и имеет (как у однозеркалъных антенн) форму парабо лоида. Второе зеркало значительно меньше параболического и имеет форму гиперболоида (антенна Кассегрена) или эллипсоида (антенна Грегори). В данной работе рассматривается антенна Кассергена.
Схема антенны Кассегрена представлена на рис. 1. Малое зеркало расположено так, что внутренний его фокус совмещен с фокусом большого зеркала. Облу чатель расположен так, что его фа зовый центр совмещен с внешним фокусом малого зеркала. Облуча тель направлен на малое зеркало.
Принцип действия этой ан тенны основан на хорошо извест ном свойстве гиперболы: если на гиперболу выпустить пучок лучей, расходящихся из одного из ее фо кусов, и отразить их по закону гео метрической оптики, - отраженные лучи будут казаться расходящимися из второго фокуса гиперболы (рис. 2).
Рис. 1 Рис. 2
Двухзеркальная антенна дей ствует следующим образом (рис. 3). Энергия излучения облучателя падает на малое зеркало. После от ражения от малого зеркала она на правляется на большое зеркало. После отражения большим зерка лом электромагнитная энергия направляется в свободное про странство. Так как фазовый центр облучателя совмещен с внешним фокусом малого (гиперболическо го) зеркала, на последнее падает пучок лучей, расходящийся из его фокуса. В соответствии с только что названным свойством гипербо лы отраженный от малого зеркала пучок лучей будет расходиться из второго фокуса малого зеркала, который совмещен с фокусом большого зеркала. Поэтому на большое (параболическое) зеркало (как и в однозеркальной антенне) падает пучок лучей, расходящийся из фокуса параболы. После отражения большим зеркалом такой пучок в силу известного свойства параболы становится параллельным, а сле довательно, антенна формирует узкую характеристику направленности (ХН) излучения. На большом расстоянии от антенны в силу дифрак ционных явлений лучи в некоторой степени расходятся. Однако если размеры большого зеркала достаточно велики в сравнении с длиной волны колебаний λ, расходимость их невелика и ХН получается уз кой. Поверхность S называют излучающей поверхностью антенны.
Рис. 3
Можно считать, что эта антенна является однозеркальной, но ее облучатель представляет собой совокупность слабонаправленного из лучателя (истинного облучателя) и малого зеркала. В связи с этим ста новится понятным, что основные свойства однозеркальной антенны присущи и двухзеркальным.
Большое зеркало антенны обычно имеет форму симметричной вырезки из параболоида вращения. У такого зеркала (рис. 4) два гео метрических размера, которые можно выбирать независимо друг от друга - диаметр а и угол раскрыва Ψ (угол, под которым зеркало видно из его фокуса F).
Рис. 4
Профиль зеркала (парабола) описывается формулой:
Фокусное расстояние f выражается через диаметр зеркала и угол его раскрыва формулой:
Малое зеркало системы обычно имеет форму симметричной вы резки из гиперболоида вращения. У него три геометрических размера, которые можно выбирать независимо друг от друга - диаметр ат, внешний угол раскрыва (угол, под которым зеркало видно из внешнего фокуса) Ψm и расстояние между фокусами f0 (рис 5).
Рис. 5
Профиль зеркала (гипербола) описывается формулой:
Фокусное расстояние малого зеркала можно выразить через его диаметр, внешний угол раскрыва и расстояние между фокусами, решив следующее уравнение (см. рис. 5):
В качестве облучателя двухзеркальных антенн чаще всего ис пользуют «синфазные» (почти синфазные) пирамидальные или расфазированные конические рупоры. Последние могут быть с гладкими внутренними стенками (гладкостенные) или ребристые. Важнейшими характеристиками облучателя, существенно влияющими на свойства зеркальной антенны, являются форма и ширина его ХН. Форма ХН облучателя определяется его типом, а ширина - размерами излучающей поверхности облучателя. Чем больше размеры, тем уже ХН облучателя.
В данной работе будем считать ХН облучателя осесимметричной. При осесимметричной ХН облучателя распределение амплитуды поля на излучающей поверхности осесимметричного зеркала тоже по лучается осесимметричным.
2.Приближенный расчет размеров антенны
1. Выбор формы излучающей поверхности антенны и профиля зеркала
Т. к. по заданию ХН должна быть осесимметричной, то большое зеркало должно иметь форму осесимметричной вырезки из параболоида вращения (излучающая поверхность круглая).
2. Выбор типа излучателя
По заданию необходимо спроектировать передающую антенну, следовательно мощность излучения должна быть большой. Поэтому выбираем рупорный облучатель.
3. Выбор углов раскрыва зеркал
Угол раскрыва большого зеркала двухзеркальной антенны обычно находится в пределах от 100 до 160 °.
При слишком большом угле раскрыва этого зеркала становится очень маленьким его фокусное расстояние. Это делает необходимым и внешний угол раскрыва малого зеркала делать большим, что нежела тельно (см. выбор угла раскрыва малого зеркала).
При слишком маленьком угле раскрыва становится очень боль шим фокусное расстояние большого зеркала и оказывается неприемлемым продольный габаритный размер антенны.
Выберем угол раскрыва антенны Ψ = 130˚
При выборе Ψт следует учитывать следующее.
Если этот угол сделать слишком большим, теряются почти все преимущества двухзеркальной антенны перед однозеркальной: уменьшаются фокусное расстояние и угол раскрыва эквивалентного зеркала, что сводит на нет преимущество в КИП; уменьшается расстояние меж ду фокусами малого зеркала f0 , что удаляет облучатель от большого зеркала и увеличивает длину фидера. Если угол Ψт сделать слишком маленьким, размеры облучателя требуются очень большие; условие равенства теней облучателя и малого зеркала становится невыполни мым, а в итоге результирующая тень на излучающей поверхности из-за тени от облучателя становится слишком большой.
Учитывая сказанное, угол раскрыва малого зеркала выбирают в пределах от 50 до 100 °. Выберем угол раскрыва малого зеркала равным Ψm = 90 °.
4. Выбор желаемого распределения амплитуды поля на излучающей поверхности
Основные электрические характеристики антенны определяются ее размерами и распределением амплитуды поля на ее излучающей поверхности. Поэтому размеры антенны по заданным электрическим характеристикам невозможно определить, пока неизвестно распреде ление амплитуды поля на излучающей поверхности. Но распределение амплитуды поля нельзя рассчитать, пока неизвестны размеры антенны.
Чтобы разорвать этот замкнутый круг, поступают следующим образом. Сначала определяют желаемое распределение амплитуды поля на излучающей поверхности проектируемой антенны, исходя из ее назначения. Затем рассчитывают размеры антенны, полагая, что реальное распределение амплитуды поля будет отличаться от желаемо го не очень сильно. Достаточно хорошего совпадения реального рас пределения с желаемым добиваются при расчете размеров антенны выбором размеров облучателя, т.к. реальное распределение амплитуды поля в первую очередь определяется характеристикой направленности облучателя, а она, в свою очередь, - размерами облучателя.
Установлено, что реальное распределение амплитуды поля на излучающих поверхностях зеркальных антенн хорошо аппроксимиру ется следующей функцией:
где 1\х) — нормированное к единице распределение амплитуды поля на излучающей поверхности антенны (распределение фиктивного по верхностного тока); Δ - относительный уровень амплитуды поля на краю излучающей поверхности.
У представленной функции есть два параметра – Δ и n. Параметр Δ – относительный уровень ам плитуды поля на краю излучающей поверхности, параметр п -
целое число, опреде ляющее скорость уменьшения амплитуды поля от центра к краям излучающей поверхности. В центре эта функция всегда равна единице. Чем меньше Δ и больше п, тем сильнее ампли тудные искажения.
Для выбора желаемого распределения поля достаточно задать Δ и n.
Параметр Δ для передающих антенн обычно задается равным 0,25-0,3. Выберем параметр Δ=0,25, а п=2 (т.к. в это случае аппроксимированное распределение поля будет ближе к истинному распределению.
5.Расчет диаметра большого зеркала и его фокусного расстояния
Диаметр зеркала a выбирается по заданной ширине ХН проекти руемой антенны и выбранному желательному распределению амплиту ды поля на излучающей поверхности.
6. Расчет размеров излучающей поверхности облучателя
Размеры необходимо выбрать такими, что бы на краю зеркала был уровень поля Δ=0,25. То есть
Где – линейная функция размера излучающей поверхности
– линейная функция размера излучающей поверхности
– волновое число
Решим эту задачу графическим методом для Е и Н плоскостей и найдем b1 и b2.
Получим следующие результаты:
7. Расчет остальных размеров облучателя
Длины рупора в двух плоскостях определяются из соотношения:
Углы раствора рупора (γ1 и γ2) определяющиеся из соотношения должны быть ≤40º
Необходимо, чтобы найденные значения h1 и h2 удовлетворяли условию стыковки:
Где b1 и b2 – размеры волновода
Полученные значения:
h1=0.1075 γ1=38.66º
h2=0.0745 γ2=39.77º удовлетворяют двум предъявляемым условиям
8. Расчет распределения поля на излучающей поверхности антенны и его аппроксимация
Рис. 8
Из рис. 8 видно, что n=2 позволяет достаточно точно аппроксимировать реальное распределение поля на излучающей поверхности антенны.
9. Расчет электрических характеристик антенны и уточнение её размеров
Характеристика направленности антенны рассчи тывается по формуле:
где In+1 – функция Бесселя порядка n+1, , k- волновое число колебаний
В задании требуется ширина ХН по напряженности 1,1º на уровне 0,5, но в данной работе приведены расчеты для ХН по мощности, поэтому ширину построенной ХН необходимо определять по уровню 0,7. Построенная ХН имеет ширину приблизительно 1,2º, что незначительно отличается от заданной, поэтому можно обойтись без уточнения геометрических размеров антенны, что, хоть и незначительно, отразилось бы на электрических характеристиках системы, а также нарушило бы условие равенства теней малого зеркала и облучателя.
10. Расчет размеров малого зеркала
У малого зеркала можно выбирать независимо друг от друга три размера: диаметр ат, расстояние между фокусами f0 и внешний угол раскрыва Ψт. Последний из них мы уже выбрали. Для расчета двух оставшихся размеров необходимы два условия.
1. Условие попадания луча с края малого зеркала на край боль шого.
Размеры двухзеркальной антенны должны быть подобраны так, чтобы луч с края малого зеркала попадал на край большого (рис 10). В этом случае поверхность большого зеркала используется полностью и в то же время исключается «переливание» энергии через края большого зеркала («перелив» энергии может быть только через края малого зеркала). Это условие выполняется, если внут ренний угол раскрыва малого зеркала (угол, под которым оно видно из внутреннего фокуса) ра вен углу раскрыва боль шого зеркала.
2. Условие мини мизации площади тени на излучающей поверхности антенны от облучателя и малого зерка
.
Обозначим площадь тени на излучающей поверхности антенны от малого зеркала (рис. 11):
Рассчитаем площадь тени на излучающей поверхности антенны от облучателя (рис. 12)
Рис.12
Очевидно, что при уменьшении разме ра fm диаметр малого зеркала для обеспечения условия попадания луча с края малого зеркала на край большого придется уменьшить, а размеры облучателя для обеспе чения желаемого уровня поля на краю излучаю щей поверхности антен ны придется увеличи вать из-за уменьшения угла раскрыва малого зеркала. При этом площадь тени на излучающей поверхности антенны от малого зеркала будет уменьшаться, а от облучателя - увеличиваться. Площадь результирующей тени на излучаю щей поверхности равна максимальной из этих площадей. Поэтому яс но, что результирующая тень на излучающей поверхности будет мини мальной, когда площади этих теней будут одинаковыми.
Таким образом, условие минимизации тени на излучающей по верхности антенны формулируется так: Sтз=SТобл
Далее применив первое условие с помощью рис.10 составляем уравнение, связывающее расстояние между фокусами f0 малого зеркала и его диаметр am:
Подставив его в условие минимизации тени и решив уравнение найдём f0:
Затем находим am :
Фокусное расстояние малого зеркала можно выразить через его диаметр, внешний угол раскрыва и расстояние между фокусами из следующих уравнений:
где φ = (Ψ*π)/(2*180) рад.
Отсюда находим fm:
11. Расчет коэффициента направленного действия антенны
КНД будем рассчитывать по формуле:
D=12.46
где S=b1*b2, ν=0,81- коэффициент использовании поверхности антенны
12. Расчет коэффициента бегущей волны в волноводе
КБВ будем рассчитывать по формуле:
где Г- коэффициент отражения малого зеркала, который рассчитывается по следующей формуле:
Г=0,154
КБВ=0,733
Такое значение КБВ является меньшим того, что задано в ТЗ. Оно объясняется тем, что испускаемые излучателем радиоволны после отражения от малого зеркала частично попадают обратно в излучатель, что и приводит к уменьшению КБВ. Большего значения КБВ от двухзеркальной антенны можно достичь лишь применением специального отражателя в форме конуса, который устанавливается на малом зеркале и рассеивает в окружающее пространство ту часть радиоволн, которая не должна попасть обратно в излучатель.
Рис.16
На рис.16 конус выделен жирной линией. Диаметр его основания определяется так, как показано на рисунке, высота выбирается такой, чтобы радиоволны отражались от конуса во внешнее пространство.
3. Заключение
В данной курсовой работе была рассчитана двухзеркальная антенна Кассергена с заданными характеристиками и параметрами антенной системы. А так же были рассчитаны геометрические размеры антенны и построен её эскиз.
4. Приложение
5. Список использованной литературы
1. Сазонов Д. М., Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая шко ла, 1988.
2. Антенны и устройства СВЧ / Под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1994.
3. Жгутов Е.В., Рубцов А. В. Устройства СВЧ и антенны: учебное пособие по курсовому проектированию на ЭВМ. Часть 2. Рязань: РГРТА, 2004.