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
PAGE 11
Введение.
Зеркальными антеннами называются антенны, у которых поле в раскрыве формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала). Источником электромагнитной волна обычно служит какаянибуть небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае облучателем.
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 ДН почти любого типа из применяемых на практике, высоким к.п.д., 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.
Основными типами зеркальных антенн являются одно- и двухзеркальные с различными профилем и формой зеркал. В области космической и радиорелейной связи, радиоастрономии и других широкое распространение получили двухзеркальные антенны благодаря своим достоинствам.
Основные достоинства двухзеркальные антенн по сравнению с однозеркальными:
Принцип действия двухзеркальных антенн заключается в преобразовании сферического волнового фронта электромагнитной волны, излучаемой источником, в плоский волновой фронт в раскрыве антенны в результате последовательного переотражения от двух зеркал: вспомогательного и основного с соответствующими профилями.
В классической схеме Кассегрена используется следующее геометрическое свойство отражения сферической волны от поверхности второго порядка: сферическая волна, излучаемая источником с фазовым центром, совпадающим с одним из фокусов произвольной поверхности второго порядка, в результате переотражения то неё преобразуется снова в сферическую волну, но с фазовым центром, совпадающим с другим фокусом.
Схема Кассегрена (рис. 1.)
Рис. 1.
Приближённый расчёт размеров антенны.
1. Выбор формы излучающей поверхности и профиля зеркала
Формы излучающей поверхности и профиля зеркала выбираются исходя из назначения антенны и требований, предъявляемых к её электрическим характеристикам.
Ширина ДН в обеих плоскостях составляет такая ДН является осесимметричной, излучающая поверхность делается круглой. При этом большое зеркало имеет форме параболоида вращения.
2. Выбор желаемого распределения амплитуды поля на излучающей поверхности проектируемой антенны.
Реальное распределение амплитуды поля на излучающих поверхностях зеркальных антенн хорошо аппроксимируется функцией следующей функцией:
-нормированное к единице распределение амплитуды поля на излучающей поверхности антенны (распределение фиктивного поверхностного тока); -относительный уровень амплитуды поля на краю излучающей поверхности; n - целое число, определяющее скорость уменьшения амплитуды поля от центра к краям излучающей поверхности.
Параметр для передающих антенн обычно задаётся равным .
Зададим .
Рабочая длина волны антенны:
Ширина основного лепестка:
Ширина основного лепестка характеристики направленности, определяется формулой:
Распределение амплитуды поля на излучающей поверхности определяется формулой:
График распределения амплитуды поля:
Рис. 2.
3. Выбор угла раскрыва большого зеркала и его фокусного расстояния.
Угол раскрыва большого зеркала двухзеркальной антенны обычно находится в пределах от до
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 нежелательно.
При слишком маленьком угле раскрыва становится очень большим фокусное расстояние большого зеркала и оказывается неприемлемым продольный габаритный размер антенны.
Выберем угол раскрыва .
После выбора угла раскрыва зеркала рассчитывается его фокусное расстояния по формуле:
4. Замена двухзеркальной антенны однозеркальной и выбор угла раскрыва малого зеркала.
Замена двухзеркальной антенны, эквивалентной однозеркальной, осуществляется в соответствии с рис. 3. и формулой:
Рис.3
Перед заменой необходимо задать угол раскрыва малого зеркала . При этом следует учитывать следующее.
Если этот угол сделать слишком большим, теряются почти все преимущества двухзеркальной антенны перед однозеркальной. Если угол сделать слишком маленьким, размеры облучателя требуются очень большие; условия равенства теней облучателя и малого зеркала становится невыполнимым.
Учитывая сказанное, угол раскрыва малого зеркала выбирают в пределах от до .
Выберем
5. Выбор типа облучателя.
В качестве облучателя была выбрана рупорная антенна, так как они наиболее просты конструктивно, хорошо согласуются с питающим волноводом, имеют чётко выраженное положение фазового центра, позволяют пропускать сигналы большой мощности, обладают широким рабочим диапазоном.
6. Расчёт размеров излучающей поверхности облучателя.
Характеристика направленности облучателя в рассматриваемой плоскости представляется в виде произведения ХН элементарного излучателя и ХН множителя антенны:
Для рупорной антенны элемент Гюйгенса.
ХН множителя антенны (облучателя) в плоскости Н.
ХН множителя антенны (облучателя) в плоскости Е.
Относительная амплитуда поля на краю рассчитывается по формуле:
Относительное поле на краю приравнивается к выбранному значению . Из полученных уравнений находят размеры рупора .
7. Расчёт распределения поля на излучающей поверхности антенны и его аппроксимация.
Истинное распределение поля на .
Истинное распределение поля в плоскости :
Истинное распределение поля в плоскости :
Аппроксимация распределение поля на поверхности :
Графики распределения поля на поверхности :
Рис. 4.
Наилучшая аппроксимация реального распределения наблюдается при . Полученное совпадает с желаемым.
8. Расчёт остальных размеров облучателя.
Рассчитаем длину рупора в плоскости Н:
Примем значение фазовой ошибки для плоскости Н равной , что соответствует оптимальному рупору:
Рассчитаем длину рупора в плоскости Е:
Примем значение фазовой ошибки для плоскости Е равной , что соответствует оптимальному рупору:
9. Расчёт размеров малого зеркала.
У малого зеркала можно выбирать независимо друг то друга три размера: диаметр , расстояние между фокусами и внешний угол раскрыва .Последний из них мы уже выбрали. Для расчёта двух оставшихся размеров неодходимы два условия. Рассмотрим их.
Рис. 5.
Это условие выполняется, если внутренний угол раскрыва малого зеркала равен углу раскрыва большого зеркала.
Исходя из условий составим систему уравнений для нахождения и .
-площадь тени на излучающей поверхности антенны от облучателя.
-площадь тени на излучающей поверхнлсти антенны отмалого зеркала.
Решив систему получим:
-диаметр малого зеркала.
-расстояние между фокусами.
Расчитаем фокусное расстояние малого зеркала решив уравнение:
где -профиль зеркала:
.
Решив уравнение получим:
-фокусное расстояние малого зеркала.
Расчёт электрических характеристик антенны и уточнение её размеров.
1. Расчёт характеристики направленности антенны.
Приближённо характеристика направленности антенны расчитывается по формуле:
где -функция Бесселя порядка ; -волновое число колебаний.
Рис. 6.
Ширина основного лепистка на уровне 0,707 (0,5 по мощности) ровна , что приблезительно соответствует заданной.
Более точно ХН можно расчитать по формуле:
- нормированная ХН.
где -функция Бесселя нулевого порядка.
Из графика на Рис. 7. видно что ширина основного лепистка на уровне 0,707 (0,5 по мощности) равна , что точно соответствует заданному значению.
Рис. 7.
2. Расчёт коэффициента направленного действия антенны.
Приблежённо КНД антенны можно расчитать по формуле:
где -ширина основного лепистка характеристики направленности антенны на уровне 0,5 по мощности соответственно в плоскости вектора Н и вектора Е.
.
3. Уточнение размеров антенны.
Рассчитанные электрические параметры(ширина ХН и КНД антенны) совпадают с требуемыми с необходимой точностью, поэтому исходные размеры антенны можно оставить без изменения.
Библиографический список.