Расчет зеркальных антенн - под ред. проф. Д.И. Воскресенского (МУ к курсовому проект_расчет зеркальных антенн)

Посмотреть архив целиком

30



министерство общего и профессионального образования

российской федерации

______________________


московский авиационный институт

(государственный технический университет)













пособие к курсовому проектированию
по курсу устройства СВЧ и антенны
Расчет зеркальных антенн



Под ред. проф. Д.И. Воскресенского





Утверждено

на заседании редсовета

дата











Москва
Издательство МАИ

2005

предисловие

При проведении курсового проектирования возникает необходимость как в точных, так и в упрощенных методиках расчета зеркальных антенн, которые позволили бы лицам, знакомым лишь с общей теорией антенн выполнять курсовой проект. Применение пакетов прикладных программ, разработанных для расчета характеристик зеркальных антенн, затруднено для курсового проектирования, так как время разработки ограничено и требуется предварительный расчет и выбор основных параметров зеркальных антенн, исходя из задания.

Поэтому возникла необходимость в переиздании учебного пособия «Пособие по расчету антенн сверхвысоких частот», изданного в 1957 г., широко используемого при курсовом проектировании, но ставшего библиографической редкостью.

В приводимом ниже пособии излагается наиболее простой способ предварительного выбора вариантов построения зеркальных антенн, исходя из задания на курсовой проект. Для определения характеристик направленности зеркальных антенн в пособии использован апертурный метод, позволяющий наиболее просто и быстро выполнить расчет. В отличие от ранее изданного пособия, данное пособие дополнено конструкцией и основными характеристиками современных облучателей. После проведения предварительного проектирования могут быть использованы учебные пособия [1-3], в которых более полно изложены методы расчета и определения характеристик зеркальных антенн.


























зеркальные Антенны


ВВЕДЕНИЕ


Зеркальные антенны - один из основных типов антенн СВЧ, нашедший широкое применение в различных отраслях радиоэлектроники (спутниковое телевидение, радиолокация, бортовые и корабельные радиоэлектронные системы, радиосвязь, радиоастрономия и др.). Антенны обладают рядом преимуществ: конструктивная простота, возможность получения огромных усилений (дальняя космическая радиосвязь, радиоастрономия), работа в широкой полосе частот (радиометрия) [6].

Зеркальная антенна состоит из рефлектора и облучателя. В зависимости от формы рефлектора существуют различные типы зеркальных антенн: цилиндрические, сферические, параболические, с плоским рефлектором, с уголковым рефлектором и с рефлектором специальной формы. Наиболее распространенным типом являются зеркальные антенны с параболическим рефлектором. В приложении 1 показан пример электрической схемы зеркальной антенны с механическим сканированием.

Параболическая антенна работает по принципу оптической системы. В фокус зеркала помещается первичный слабонаправленный излучатель, излучающий сферическую электромагнитную волну. Под действием электромагнитной волны облучателя на поверхности параболического рефлектора возникают электрические токи, которые возбуждают электромагнитные поля. Распределение токов по поверхности параболоида соответствует формированию синфазных электромагнитных полей в апертуре. Поле излучения зеркальной антенны представляет собой сумму полей, создаваемых токами, распределенными по поверхности зеркала. Если размеры зеркала много больше длины волны, то для анализа характеристик зеркальных антенн можно воспользоваться методами геометрической и волновой оптики. В соответствии с методом геометрической оптики, расходящиеся от источника в фокусе лучи после отражения от параболического рефлектора становятся параллельными. Таким образом, параболический рефлектор преобразует сферические волны источника в плоские волны в раскрыве. Если используют цилиндрический параболоид с линейным облучателем, то цилиндрическая волна облучателя так же преобразуется в параллельный пучок лучей и синфазное поле в раскрыве.

Строгое определение поля параболической зеркальной антенны требует решения задачи дифракции сферической волны на параболической поверхности. Эта задача трудоемкая, а получающиеся результаты необходимы только для решения ряда частных задач. На практике широко используются приближенные методы расчета: апертурный, токовый и геометрической теории дифракции (ГТД). Апертурный метод обеспечивает достаточную точность расчета главного лепестка диаграммы направленности (ДН) и ближайших боковых лепестков в угловом секторе от оси ДН до угла , а токовый метод – до угла рис.1. Дальнее боковое излучение и поле в области тени зеркальных антенн рассчитывают методом ГТД [1-3,9,10]. Токовый метод расчета зеркальных антенн подробно рассмотрен в литературе [7,8].

Рис.1. К расчету зеркальной параболической антенны.

1. ВЫБОР ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОГО

ЗЕРКАЛА. КОЭФФИЦИЕНТ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

Зеркальная антенна для формирования луча и образования синфазного поля в апертуре должна иметь форму параболоида вращения. Параболоид вращения получается вращением параболы вокруг фокальной линии, соединяющей фокус с вершиной параболы. Парабола – геометрическое место точек, удовлетворяющее в декартовой системе координат уравнению , где F-фокус,- фокусное расстояние рис.1. При графическом построении зеркала иногда удобно пользоваться сферической системой координат R, ’,’ с началом в фокусе, в которой уравнение принимает вид:

(1)

Излагаемая ниже методика может быть также использована и для цилиндрического параболоида с прямоугольным излучающим раскрывом.

На практике также используют более сложные двухзеркальные системы типа Кассегрена, косекансные, моноимпульсные и другие специальные антенны [4].

Ниже рассматриваются только однозеркальные параболические антенны, имеющие круглый раскрыв и близкую к осесимметричной ДН с заданными характеристиками направленности.

При проектировании параболиче­ской антенны исходными данными могут быть: усиление (или КНД), ширина луча 20,7, УБЛ, рабочая частота или полоса частот. Методика проектирования может иметь ряд вариантов. Некоторые параметры могут быть исходными при проектировании, а другие параметры определяются в процессе расчета. В задание могут быть также включены энергетические характеристики (предельная мощность излучения, шумовая температура) и другие конструкторские, технологические и эксплуатационные требования. Так, может даваться место установки антенны, область использования, стоимость и другие требования. В процессе проектирования приходится задаваться или выбирать ряд параметров, для которых проводится расчет и эта итерация может быть проведена несколько раз для определения нужного варианта. В литературе известно несколько методов расчета зеркальных антенн. Ниже излагается следующая последовательность расчета. Начинаем расчет с выбора зеркала и далее для выбранной фокусирующей системы проводим расчет облучателя.

Форма амплитудного распределения в раскрыве зависит от характеристики направленности облучателя, фокусного расстояния и угла раскрыва зеркала. Характер амплитудного распределения определяет ширину луча, КИП и УБЛ. По заданным характеристикам направленности можно выбрать то или иное амплитудное распределение по таблице 1. Из задания берем необходимые характеристики направленности и определяем требуемое амплитудное распределение и диаметр зеркала 2R.

Таблица 1.

Круглый раскрыв: ,

20,7

УБЛ,

дБ

КИП

Амплитудное распределение

n

ДН

-17,6

1

1

-


-18,6

0.996









0,8







-19,8

0,98

0,6


-20,6

0,964

0,5


-21,5

0,943

0,4


-22,4

0,917

0,316


-23,5

0,87

0,2


-24,2

0,818

0,1


-24,6

0,75

0


-23,7

0,87





0,25

1





-22

0,92

0,5

-32,3

0,81

0,25

2

-26,5

0,88

0,5

-32,3

0,79

0,25

3

-30,8

0,87

0,5

-30,6

0,555






2