Курсовые по Устройствам СВЧ и антеннам (DEN1)

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.








ВЫПОЛНИЛ:

Лизунков Д. П.

ГРУППА: 04-315


ПРОВЕРИЛ:

Пономарёв Л. И.














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. В сантиметровом диапазоне волн широко используется двухщелевой облучатель, который представляет собой прямоугольный волновод, заканчивающийся прямоугольным резонатором с двумя симметрично расположенными полуволновыми щелями в его широкой стенке. Недостатком двухщелевого облучателя являются ограничения на относительно небольшую пропускаемою мощность, связанную с малой электрической прочностью щелей, и узкополосность облучателя, вызванная узкополосностью щелевых излучателей.

Электрическая схема антенны.





Геометрические размеры зеркала:


Исходя из уровня боковых лепестков, выбираем по таблице следующие параметры:


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

Откуда R=16,5 см – радиус параболоида.

 - коэффициент использования поверхности (КИП) зеркальной антенны.

N=2; =0,67 – параметры, определяющие скорость спадания амплитудного распределения к краю круглого раскрыва.


При аппроксимации диаграммы направленности щелевого облучателя функцией cos2() максимальная эффективность зеркальной антенны g=0,82 достигается при =56.

2-угол раскрыва зеркала.


Фокусное расстояние зеркальной антенны:

f=14,8 см.


Глубина зеркала:

h=4,6 см.


Схема двухщелевого облучателя.



Двухщелевой облучатель имеет простую конструкцию и небольшие размеры, что обеспечивает незначительное затенение зеркала. Излучающие щели располагаются на резонаторе прямоугольного сечения, который возбуждается прямоугольным волноводом. Щели в резонаторе прорезают симметрично относительно питающего волновода и синфазно возбуждают. Для согласования с резонатором и уменьшения влияния его на поле, создаваемое щелями, питающий прямоугольный волновод сужается по узкой стенке. Для обеспечения герметизации облучателя щели закрываются пластинками из диэлектрика. Для улучшения согласования питающего волновода и резонатора со щелями в широкую стенку резонатора напротив разветвления ввинчивается реактивный штырь.

Расстояние между щелями d подбирается таким образом, чтобы диаграммы направленности облучателя в плоскостях Е и Н мало отличались (d = /2 = 2 см.). Длина щелей выбирается резонансной (2l 0,48 = 1,92 см.). Ширина щели d1 рассчитывается из условия обеспечения необходимой электрической прочности и требуемой полосы пропускания:

P=1 кВт – подводимая к антенне мощность.

N=2 – количество щелей.

, в – длина волны в генераторе и прямоугольном волноводе.

a, b – размеры волновода.

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

d1=0,1 см.


С учетом обеспечения необходимой полосы пропускания в 4% d1=0,2 см.

Диаграмма направленности щелевого облучателя:


d=/2 – расстояние между щелями.

k=2/ - волновое число.


Диаграмма направленности облучателя в плоскости Н:


Диаграмма 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:


A(x) - аппроксимирующая функция.


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




Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала, построенное в зависимости от диаграммы направленности облучателя, практически совпадает с аппроксимирующей функцией, что свидетельствует о правильном выборе облучающей системы.



Диаграмма направленности зеркальной антенны:


Диаграмма направленности зеркальной антенны может быть аппроксимирована следующей функцией:



J1, Jn-функции Бесселя первого и n-ого порядка.


Диаграмма направленности антенны при =0=4 см.



Ширина диаграммы направленности: 27,9.


Уровень боковых лепестков: q = 0,0468 (или -26,6 дБ).


Диаграмма направленности антенны при =4%=3,84 см.



Ширина диаграммы направленности: 27,68.

Уровень боковых лепестков не изменился.


Диаграмма направленности антенны при=4%=4,16 см.



Ширина диаграммы направленности: 28,36.

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 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 =855,3 см2– площадь раскрыва.

 - КИП антенны.

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

 - коэффициент полезного действия антенны.

Так как угол раскрыва зеркала был выбран из условия максимальной эффективности антенны, то при g=0,82 КУ будет равен: G = 597,694.


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 = 641,428.


Коэффициент полезного действия антенны (КПД):


Коэффициент полезного действия может быть рассчитан как отношение КУ антенны к её КНД: G/D.




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:

 0,25 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=56 – угол раскрыва зеркала.


 1,134 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

=3,94.

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

где 27 – 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 =0,002 при n=3.


С учетом этого коэффициент усиления зеркальной антенны будет равен:

G =596,5.


Расчет фидерного тракта антенны.


Параметры прямоугольного волновода:


В сантиметровом диапазоне волн в качестве фидерной линии применяют прямоугольные волноводы с волной Н10. 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.

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

Размер широкой стенки волновода: 0,6<a<0,9; 2,4см<a<3,6см; a=3см.

Размер узкой стенки волновода: b</2; b<2см; b=1,5см.

Толщина стенок 1,5мм.


Поперечное сечение такого волновода имеет вид:

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

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

Рпред 2 МВт.


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=400 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.

3,04 см <D< 3,88 см

D = 3,82 см. Rв = 1,91 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.

1=6,7 см; 1=5,1см – длины волн в круглом волноводе.



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 1,68см., 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 резонансными кольцами имеет вид:


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 = 0,075 см - радиус круглой проволоки для изготовления колец.

r = 0,8 см – внутренний радиус кольца.


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

L=6,4 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=n* - расстояние от кольца до дна основного круглого волновода; n=1,2….

L1=2,55 см












Список литературы.


  1. Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию под редакцией Воскресенского Д. И, часть 1. МАИ, 1970.

  2. Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию под редакцией Воскресенского Д. И, часть 2. МАИ, 1973.

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

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

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

  6. 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.