Курсовые по Устройствам СВЧ и антеннам (курсач антенны)

Посмотреть архив целиком


Введение.


В настоящее время зеркальные антенны широко применяются в радиостанциях различного назначения - радиолокационных, навигационных, радиорелейных и в ряде других радиосистем СВЧ диапазона.

Зеркальные антенны являются антеннами оптического типа. Они состоят из слабонаправленного облучателя и металлического отражателя (зеркала). Форма поверхности зеркала выбирается такой, чтобы сферический фронт волны, падающей от облучателя на зеркало, после отражения преобразовывался в плоский фронт волны. Лучи, расходящиеся от облучателя, после отражения от зеркала образуют параллельный пучок, формируя остронаправленную диаграмму направленности шириной от десятка градусов до долей градуса.

Широкоугольное сканирование в однозеркальных антеннах осуществляется механическим вращением всей антенной системы в заданной плоскости.

Зеркальные антенны нашли широкое применение благодаря следующим свойствам: сравнительно простоте конструкции, надежности работы, хорошим диапазонным свойствам, способности формировать диаграммы направленности различной формы и ряда других положительных особенностей.

Однако зеркальные антенны обладают рядом существенных недостатков: затенение облучателем поля зеркальной антенны, механический способ сканирования, который является единственно возможным в однозеркальных антеннах, не обеспечивает высокой скорости управления диаграммой направленности при большом весе и сложности механизма вращения, уровень боковых и задних лепестков в диаграмме направленности однозеркальных антенн трудно поддается ослаблению.


Анализ задания.


В процессе проектирования необходимо выбрать оптимальную схему и тип облучающей системы, определить геометрические размеры зеркала, амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала, рассчитать диаграмму направленности антенны, её коэффициент усиления, коэффициент полезного действия и разработать конструкцию в целом.

Рупорный облучатель является наиболее распространенным облучателем зеркальных антенн сантиметрового диапазона. Объясняется это возможностью получения диаграммы направленности заданной ширины в обеих плоскостях, большой диапазонностью и простотой их конструкции. Однако применение данного облучателя осложняется тем, что волновод, питающий рупор, вызывает заметное затенение зеркала и искажает диаграмму направленности антенны. Облучатель зеркальной антенны имеет фазовый центр, который располагается в фокусе параболоида вращения.

Электрическая схема антенны.






Расчёт основных характеристик и геометрических размеров антенны.


Рабочая длина волны: = 2,2 см.

Ширина диаграммы направленности: 2 5.

Допустимый уровень боковых лепестков: q = -22 дБ.

Полоса частот: 7%


Геометрические размеры зеркала:

По уровню боковых лепестков выбираем закон изменения поля в раскрыве зеркала:

0,35 - нормированное значение поля на краю раскрыва.

При этом распределении, ширина диаграммы направленности: 266,3*/2R.

Откуда R=14,586 см – радиус параболоида.

S=R2=668,378 см2 – площадь раскрыва зеркала.


При аппроксимации диаграммы направленности рупорного облучателя функцией cosn() максимальная эффективность зеркальной антенны g=0,82 достигается при =65, если n=1.

2-угол раскрыва зеркала.


Фокусное расстояние зеркальной антенны:

f=10,804 см.


Глубина зеркала:

h=4,923 см.

Диаграмма направленности рупорного облучателя:


Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркальной антенны пропорционально диаграмме направленности облучателя.

Координата раскрыва зеркала, соответствующая углу , рассчитывается так:

Исходя из этого, получаем формулу для расчета диаграммы направленности облучателя:

Диаграмма направленности рупорного облучателя, построенная по известному закону изменения поля в раскрыве зеркала:

Ширина диаграммы направленности рупорного облучателя: 282.


Найдём размеры раскрыва рупора с оптимальной длинной

в плоскости Н: в плоскости Е:

a =2,146 см. b =1,1422 см.



Продольное сечение рупорного облучателя:



Оптимальная длинна рупорного

облучателя:

Rопт=0,52 см.

Зная размеры раскрыва рупорного облучателя, построим амплитудную диаграмму направленности рупора в плоскостях Е и Н.


Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Н:


Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Н, построенная в полярной системе координат, и её аппроксимация функцией cosn() при n=1:

Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Е:


f( - диаграмма направленности облучателя в плоскости Е.

F() - диаграмма направленности облучателя в плоскости Н.


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.



Амплитудное распределение поля вдоль зеркала:


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

,где F()-диаграмма направленности облучателя:

Значение угла , соответствующее координате раскрыва зеркала x, рассчитывается так:

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



A(x) - аппроксимирующая функция.

Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала, построенное в зависимости от диаграммы направленности рупорного облучателя, имеет небольшие отклонения от аппроксимирующей функцией, что свидетельствует о правильном выборе самой аппроксимирующей функции и геометрических размеров зеркальной антенны.

Диаграмма направленности зеркальной антенны:




J0, J1-функции Бесселя нулевого и первого порядка.



Диаграмма направленности антенны при =0=2,2 см.

Ширина диаграммы направленности: 29,626.


Уровень боковых лепестков: q = -27,171 дБ.



Диаграмма направленности антенны при =7%=2,046 см

Ширина диаграммы направленности: 29.748.

Уровень боковых лепестков не изменился.


Диаграмма направленности антенны при=7%=2,354 см.

Ширина диаграммы направленности: 210,12.

Уровень боковых лепестков не изменился.


При изменении рабочей длинны волны в пределах заданной полосы частот происходит незначительное расширение(сужение) диаграммы направленности при сохранении уровня боковых лепестков.


Коэффициент полезного действия антенны (КПД):

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

cos2n+1(0)

 = 0,933


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:

S = R2 – площадь раскрыва.

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

 - коэффициент полезного действия антенны.

g = эффективность зеркальной антенны.

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

G = 4638.


КИП антенны: = 0,879.


Коэффициент направленного действия антенны (КНД):

КНД (D) является мерой концентрации излучения в пространстве, которое осуществляется антенной. КНД – это число, показывающее во сколько раз необходимо увеличить мощность излучения при переходе от данной антенны к абсолютно ненаправленной антенне, чтобы сохранить неизменной напряженность поля в точке приема.

Коэффициент направленного действия зеркальной антенны равен:

D = 4973.




Точность изготовления антенны:

Технические допуски на точность изготовления зеркальных антенн определяются допустимой величиной отклонения фазового фронта в раскрыве зеркала от синфазного. Источниками фазовых ошибок в раскрыве антенны могут быть:

  1. отклонение формы зеркала от расчетной;

  2. смещение фазового центра облучателя из фокуса параболоида;

  3. отклонение волнового фронта поля облучателя от сферического;


При отклонении реального профиля зеркала от расчетного на величину  фазовая ошибка , возникающая в раскрыве зеркала, равна:

При <, искажения диаграммы направленности будут незначительны, откуда получаем следующий допуск на точность изготовления зеркала:

Максимальная точность выполнения профиля зеркала должна быть у вершины:

 0,137 см


При смещении из фокуса фазового центра облучателя вдоль оси параболоида, в раскрыве зеркала возникает ошибка:

Полагая <, получаем допустимое смещение облучателя из фокуса:

, где 0=65 – угол раскрыва зеркала.


 0,758 см

При смещении облучателя вдоль оси параболоида фазовая ошибка в раскрыве зеркала имеет квадратичный характер. Поэтому направление основного лепестка диаграммы направленности остается неизменным, увеличивается лишь его ширина и возрастает уровень бокового излучения.

При небольшом смещении облучателя в направлении, перпендикулярном оси параболоида, в раскрыве зеркала возникает линейная фазовая ошибка, что приводит к отклонению диаграммы направленности зеркальной антенны от оси параболоида в сторону, противоположную смещению облучателя, на угол

=3.791.

Форма диаграммы направленности при этом не меняется, так как <2,

где 25 – ширина диаграммы направленности антенны при несмещенном облучателе.




Коэффициент усиления антенны с учетом неточности изготовления зеркала:

При практической реализации зеркало антенны всегда выполняется с некоторыми погрешностями. Отклонение  профиля реального зеркала от идеального при правильно организованном технологическом процессе, как правило, имеет случайный характер. Максимальная величина случайной ошибки определяется уровнем технологии и для зеркальных антенн с вероятностью 99% может быть определена следующим образом:

n=3 для обычного серийного производства; n=4…5 – при специальной технологии.

Можно считать, что отклонение профиля  подчиняется нормальному закону распределения с нулевым средним значением и дисперсией ()2. При этом с вероятностью 99% максимальное отклонение профиля равно:

Дисперсия фазовой ошибки в раскрыве, обязанная случайному характеру , равна:

2 =0,013 при n=3.


С учетом этого коэффициент усиления зеркальной антенны будет равен:

S=R2 – площадь раскрыва; g=0,82 – эффективность зеркальной антенны.


G = 4577.




Расчет фидерного тракта антенны.


Параметры прямоугольного волновода:


В качестве фидерной линии в сантиметровом диапазоне волн обычно применяют прямоугольные волноводы с волной Н10. Поперечное сечение такого волновода имеет вид:

При этом критическая длинна волны определяется так: кр=2а.

Выбирая размеры поперечного сечения волновода, исходят из условия нахождения основной волны Н10 в докритическом режиме, а высших типов волн, в частности Н20 и Н01, в закритическом режиме. Из этих условий следуют неравенства:

  • размер широкой стенки: 0,6<a<0,9.; 2,1см<a<3,15см

  • размер узкой стенки: b</2; b<1,75см.

Определив по приведенным формулам ориентировочные размеры a и b, далее по справочнику выбираем стандартный волновод: a=23 мм; b=10мм.

Материал стенок волновода – латунь.

Толщина стенок волновода 1мм.


Максимальная (предельная) мощность, пропускаемая волноводом с волной Н10, определяется соотношением:

Епред=30 кВ/см – напряженность электрического поля, при которой происходит пробой в воздухе.

Рпред 7573 кВт.


Допустимой мощностью называют предельную мощность пропускания, умноженную на коэффициент запаса электрической прочности, учитывающий неоднородности, вызывающие местные концентрации электрического поля, климатические факторы и наличие стоячей волны. Допустимая мощность Рдоп определяется как: Рдоп = (1/3…1/5)Рпред.

Рдоп=1893 кВт.


При повороте волновода на 900, производить скругление изгиба не требуется, так как данная антенна работает в достаточно узкой полосе частот.




Параметры круглого волновода:


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.

Поперечное сечение такого волновода имеет вид:

Из-за сложности возбуждения волны Н01 в круглом волноводе в чистом виде (одновременно возбуждаются волны типа Н11, Е01, Н2111) 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>0,76) и затухания высших типов волн (D<0,97), т.е.

2,66 см <D< 3,4 см

D = 3,34 см. R = 1,67 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 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.


Переход от прямоугольного волновода к круглому:



Для согласования волнового сопротивления прямоугольного волновода с круглым волноводом используются индуктивные диафрагмы, которые впаиваются с двух сторон в прорези в узких стенках прямоугольного волновода, емкостные диафрагмы в виде кольцевого выступа в круглом волноводе, индуктивные штыри, впаиваемые в прорези в широкой стенке прямоугольного волновода, положение и размеры которых подбираются экспериментально.

Подавление паразитных типов волн:



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:





«Гасящий объем» представляет собой круглый волновод, включаемый последовательно с возбуждающим прямоугольным и основным круглым волноводами сочленения. Если длину волновода сделать кратной целому числу полуволн типа Е01, то входное сопротивление волноводов для волны Е01 будет мало, и эта волна без затухания будет распространяться в основном круглом волноводе. Если одновременно сделать длину волновода кратной нечетному числу четвертей длин волн для волны Н11, то входное сопротивление гасящего волновода для этой волны будет велико, и волна Н11 в основном круглом волноводе распространяться не будет. Следовательно, длина «гасящего объема» определяется из условий: l=; l=3,

где 1=5,86 см; 1=4,44см – длины волн в волноводе.

После подстановки получаем: l=3 см.



Диаметр гасящего волновода определяется из соотношения:





d=1,947см.




Схема установки резонансных колец в круглом волноводе:





Принцип действия резонансных колец заключается в следующем. Линии электрического вектора перпендикулярны кольцу, поэтому при точной ориентировке кольца в волноводе в нем не возбуждаются токи и волна Е10 распространяется без потерь. В то же время волна Н11 возбуждает в кольце токи, имеющие резонанс при длине кольца, равной длине волны в воздухе. Текущие в кольце токи возбуждают в волноводе волну типа Н11 с фазой поля, сдвинутой на 1800 по отношению к фазе возбуждающего поля. Поэтому в круглом волноводе за кольцом поля волны Н11 взаимно уничтожаются.



r0 = 0,0655 см - радиус круглой проволоки для изготовления колец.

r = 0,69 см – внутренний радиус кольца.



L=(2n+1) - расстояние между фильтрующими кольцами; n=1,2….

L=5,55 см.



Расстояние от кольца до дна основного круглого волновода выбирается из конструктивных соображений. Так как оно больше четверти длины волны Н11, то практически не влияет на резонансную частоту кольца.



L1=2,2 см - расстояние от кольца до дна основного круглого волновода.





Список литературы.


  1. Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию под редакцией Воскресенского Д. И, часть 1. МАИ, 1973.

  2. Пономарев Л. И. Апертурные антенны СВЧ. МАИ, 1983.

  3. Расчет и конструирование вращающихся сочленений. Пособие к курсовому проектированию под редакцией Мякишева Б. Я. МАИ, 1962.

  4. Фельдштейн, Явич. Справочник по элементам волноводной техники. «Советское радио», 1967.

  5. Воскресенский, Гостюхин, Пономарев, Максимов. Антенны и устройства СВЧ. МАИ, 1999.








Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.