Курсовые по Устройствам СВЧ и антеннам (КурАнт)

Посмотреть архив целиком

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)



КАФЕДРА 406






Курсовая работа


по дисциплине «антенны и устройства свч»


тема: расчёт и проектирование зеркальной антенны.




Вариант №30.






ВЫПОЛНИЛ:

Кроль Илья Михайлович

ГРУППА: 04-315


ПРОВЕРИЛ:

Пономарёв Леонид Иванович












МОСКВА – 2003





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 принципиальная схема антенны

























Расчёт основных характеристик и геометрических размеров антенны.


Рабочая длина волны: = 8,5 см.

Ширина диаграммы направленности: 2 10º.

Допустимый уровень боковых лепестков: q = -24 дБ.

Полоса частот: 4%


Геометрические размеры зеркала:

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

Нормированное значение поля на краю раскрыва

Ширина диаграммы направленности: 266,3*/2R.

R=28.2 см. – радиус параболоида.


Для определения эффективности реальных облучателей их диаграмма направленности в передней полусфере аппроксимируется функцией вида F() = cosn(), где n = 1, 2, 3, … - целые числа. В нашем случае максимальная эффективность зеркальной антенны достигается при n = 1.Тогда =66, где 2 - угол раскрыва зеркала.


Фокусное расстояние зеркальной антенны:


f = 20.87 см.


Глубина зеркала:



Схематическое изображение антенны с ее основными геометрическими размерами.


Диаграмма направленности рупорного облучателя:


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



Ширина диаграммы направленности рупорного облучателя: 2110.


Найдём размеры раскрыва рупорного облучателя с оптимальной длинной

в плоскости Н: в плоскости Е:

a = 8.29 см. b = 5.49 см.

Оптимальная длина рупорного облучателя:

Rопт=3.12 см.


Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Н:

Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Е:


Диаграммы направленности теоретическая и в плоскостях Е и Н представлены на следующем графике:


На следующем графике в полярной системе координат представлено соответствие полученных диаграмм направленности облучателя использованной при выборе угла раскрыва зеркала и зависимости фокусного расстояния от радиуса зеркала косинусной диаграмме направленности:



Амплитудное распределение поля вдоль зеркала:


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


F(х) -- амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала в плоскости H в зависимости от диаграммы направленности рупорного облучателя:


A(x) - аппроксимирующая функция.


Графики амплитудных распределений в плоскостях E и H, а таккже аппроксимирующая функция представлены на следующем рисунке:

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


Диаграмма направленности зеркальной антенны:


Диаграмма направленности зависит от от угла направления через функции Бесселя J1 и J0 по следующим формулам:




J0, J1-функции Бесселя нулевого и первого порядка.



= l0 = 8.5 см.


Ширина диаграммы направленности: 29.86.

Уровень боковых лепестков: q = -27.17 дБ.




= 4% = 8.16 см. Отклонение длины волны на –4%.




Ширина диаграммы направленности: 29.63.

Уровень боковых лепестков не изменился.





















= 4% = 8.84 см. Отклонение длины волны на +4%.

Ширина диаграммы направленности: 210.20.

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 (КПД).


При аппроксимации диаграммы направленности облучателя функцией F() = cosn() КПД антенны равен = 1 – cos2n+1(0). При n = 1 



Коэффициент усиления антенны (КУ).


КУ (G) антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить подводимую к антенне 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, определяется характером амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала.

 - коэффициент полезного действия антенны.

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

Угол раскрыва зеркала был выбран из условия максимальной эффективности антенны g=0,82. Коэффициент усиления при этом равен:

G = 355.734


Коэффициент направленного действия (КНД) антенны.


КНД показывает, во сколько раз мощность излучения в направлении максимума излучения больше мощности излучения в том же направлении абсолютно ненаправленной антенны с такой же подводимой к ней мощностью.


D = 4S2.


D = 381.397














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 формы зеркала от расчетной на величину  фазовая ошибка  в раскрыве зеркала равна:

Максимально допустимыми искажения диаграммы направленности будут при <, отсюда получаем величину допуска на точность изготовления зеркала:

Максимальная точность выполнения профиля зеркала должна быть у вершины:

 0.553 см


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

При < допуск на смещение облучателя из фокуса равен:

, где 0 = 66º – угол раскрыва зеркала.


 1.863 см

При смещении облучателя вдоль оси параболоида в раскрыве зеркала возникает квадратичная фазовая ошибка. Направление основного лепестка диаграммы направленности остается неизменным, увеличивается лишь его ширина и уровень бокового излучения.

При небольшом смещении облучателя в направлении, перпендикулярном оси параболоида, в раскрыве зеркала возникает линейная фазовая ошибка. В результате диаграмма направленности зеркальной антенны отклоняется от оси параболоида в сторону, противоположную стороне, в которую смещается облучатель, на угол


arc sin (R).

= 3.79.

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

где 210 – ширина диаграммы направленности антенны при несмещенном облучателе.

Коэффициент усиления антенны с учетом неточности изготовления зеркала:



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

где 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 не превышает:

Дисперсия фазовой ошибки в раскрыве – результат случайного характера  -- равна:

2 =0.00095 при n = 3.


С учетом этого коэффициент усиления зеркальной антенны будет равен:

где S = R2 – площадь раскрыва; g = 0.82 – эффективность зеркальной антенны.


G = 328.584.

Расчет фидерного тракта антенны.


1. Расчет прямоугольного волновода.


Так как антенна рассчитана на сантиметровые длины волн, в качестве основного фидерного тракта используем прямоугольный волновод с волной H10.

Схематическое изображение его части представлено на след. рисунке:



Размеры поперечного сечения волновода выбираются так, чтобы волна H10 находилась в докритическом режиме, а волны высших типов, в частности H20 и H01, в закритическом режиме.



Размер широкой стенки: 0.6 < a <0.9, 5.1 см. < a < 7.65 см. Выбираем a = 6.0 см.

Размер узкой стенки: b < , b < 4.25 см. Выбираем b = 3.0 см.

Материал – латунь.

Толщина стенки – 1.5 мм.



Предельная мошность, пропускаемая волноводом:



Епред=30 кВ/см – напряженность электрического поля пробоя.


Рпред 7.6 МВт.


Допустимая мощность -- предельная мощность пропускания, умноженная на коэффициент запаса электрической прочности. Она учитывает неоднородности, вызывающие местные концентрации электрического поля, климатические факторы и наличие стоячей волны. Допустимая мощность Рдоп равняется: Рдоп = (1/3…1/5) * Рпред.

Рдоп = 1.52 кВт.



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

2. Расчет круглого волновода.


При вращении одной части волновода относительно другой должна сохраняться осевая симметрия поля. Это обеспечивается в круглых волноводах с волной типа E01 и H01.


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. В результате во вращающихся сочленениях как правило используется волна E01.


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.

6.46 см. < D < 8.25 см.

D = 8.116 см. R = 4.058 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.



3. 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. Использование притертого фланца при тщательной обработке и соблюдении параллельности фланцевых поверхностей позволяет получить в месте соединения двух неподвижных друг относительно друга отрезков волноводных линий хороший электрический контакт.


4. 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. Их положение и размеры подбираются экспериментально.

5. 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.


«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 = 16.99 см; 1 = 11.32см – длины волн в волноводе.

После подстановки получаем: l = 8.493 см.


Диаметр гасящего волновода определяется из соотношения:

d = 7.52 см.

Принцип действия резонансных колец заключается в следующем: линии вектора E 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 = 0.159 см. - радиус круглой проволоки для изготовления колец.

r = 1,65 см – внутренний радиус кольца.


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

L = 14.5 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 = 5.75 см. - расстояние от кольца до дна основного круглого волновода.


Список использованной литературы:



  1. «Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию по антенно-фидерным устройствам. Часть II».Под ред. Д.И. Воскресенского. МАИ,1973 г.

  2. «Апертурные антенны СВЧ». Л.И. Пономарев. МАИ, 1983 г.

  3. «Расчет и конструирование вращающихся сочленений». В.Г. Воропаева. МАИ, 1962 г.

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

  5. «Антенны и устройства СВЧ». Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин,

Л.И. Пономарев, В.М. Максимов. МАИ, 1999 г.








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.