Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

1. Вибір форми розкриву дзеркала

2. Вибір функції амплітудного розподілу поля в розкриві дзеркала

3. Розрахунок розмірів розкриву

4. Розрахунок ДН опромінювача

5. Вибір і проектування опромінювача

6. Проектування рупорного опромінювача

7. Розрахунок реального розподілу поля і ДН дзеркала

Дзеркальні антени є найбільш поширеними типом спрямованих антен в сантиметровому, дециметровому і частково метровому діапазонах хвиль. Широке використання дзеркальних антен пояснюється простотою конструкції, можливістю отримання майже будь-якого застосовуваного на практиці типу ДН, високим ККД, малої шумовий температурою, хорошими діапазонними властивостями і т.д.

У дзеркальних антенах застосовуються такі основні типи дзеркал: параболічні (параболоїд обертання, усічений параболоїд, параболічний циліндр), сферичні, плоскі і кутові, спеціальної форми, дво-і многозеркальние.

У радіолокаційних застосуваннях дзеркальні антени дозволяють легко отримати рівносигнального зону, допускають одночасне формування кількох ДН загальним дзеркалом (в тому числі сумарних і різницевих). Деякі типи дзеркальних антен можуть забезпечувати досить швидке хитання променя в значному кутовому секторі. Дзеркальні антени є найбільш поширеним типом антен в космічного зв'язку і радіоастрономії, і саме за допомогою дзеркальних антен вдається створювати гігантські антенні споруди з ефективною поверхнею розкриваючи, вимірюваної тисячами квадратних метрів.

1. Вибір форми розкриву дзеркала

Послідовність розрахунку випромінюючої частини дзеркальної антени (ЗА) залежить від характеру технічного завдання (ТЗ) на проектування.

Як правило в ТЗ задані цільове призначення антени, робоча частота і вимоги до спрямованим властивостям ЗА, які необхідно проаналізувати.

Класичними представниками дзеркальних антен є параболічні антени, які можуть виконуватися у вигляді параболоїда обертання, параболічного циліндра або закритої конструкції, обмеженою паралельними провідними площинами.

Для вибору форми розкриття антени необхідно проаналізувати відношення ширини ДН в площині Е і Н. Для мого варіанту це відношення

Отже, форму розкриву дзеркала вибираємо круглу. Це може бути параболоїд обертання, він збуджується слабонаправленних облучателем (наприклад, рупором), поміщеним у фокусі дзеркала, і перетворює сферичний фронт хвилі в плоский.

Принцип роботи параболічної антени полягає в наступному: вона складається з металевого відбивача (рефлектора) 1, опромінювач 2, що розміщується в фокусі параболоїда обертання, і яке живить фідера 3 (рис. 1.).

Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

Опромінювач антени виконується так, щоб майже вся випромінювана ним енергія прямувала в бік відбивача. Електромагнітні хвилі збуджують на його поверхні високочастотні струми, які створюють свої електромагнітні поля. Так як відбиває надається параболічна форма, сума відстаней від фокуса до поверхні відбивача і від відбивача до площини, перпендикулярної фокальній осі, є постійною величиною, тому до поверхні розкриву антени переизлучение коливання приходять в одній і тій же фазі.

В результаті складання відбитих коливань в розкриві антени утворюється і потім поширюється вздовж її осі плоска хвиля.

Зазначимо основні геометричні параметри параболічних дзеркал:

R, f - радіус і фокусна відстань дзеркала; y0 - кут розкриття дзеркала;

p (Y) - профіль дзеркала; x-координата точки в розкриві дзеркала. Ці параметри пов'язані між собою простими співвідношеннями:

2. Вибір функції амплітудного розподілу поля в розкриві дзеркала

Виберемо функцію амплітудного розподілу відповідно до заданого умовою з таблиць.

Графіки відповідних розподілів:

Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

Мал. 2 Розподіл поля в Н - площині розкриву.

Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

Мал. 3 Розподіл поля вE- площині розкриву.

3. Розрахунок розмірів розкриву

Розміри розкриву залежать від ширини ДН, робочої довжини хвилі і певних функцій розподілу.

в двох площинах:

Ширина ДН в двох площинах з ТЗ:

Знайдемо довжину хвилі:

Виберемо радіус по більшому розміру: R = b / 2, R = 35 см.

Для забезпечення заданої ширини діаграми спрямованості в якості розкриття візьмемо симетрично-усічений параболоїд обертання.

4. Розрахунок ДН опромінювача

У параболоїда обертання (або усіченому параболоїда обертання) опромінювач повинен створювати сферичну хвилю. У такий хвилі амплітуда убуває зі збільшенням відстані r від джерела (опромінювача) обернено пропорційно r (в середовищі без втрат). Після відбиття від дзеркала фронт хвилі стає плоским, а амплітуда плоскої хвилі в середовищі без втрат не залежить від відстані.

Виходячи зі сказаного вище, зв'язок ДН опромінювача f (y) і поля в розкриві з точністю до постійного множника можна записати у вигляді:

,

.

Нормуючи ДН по максимуму Fмакс (y) = r (0) Е (0) = f, отримаємо розрахункову формулу для нормованої ДН опромінювача:

.

З рис. 1 видно, що

,

.

Видно, що нормовану координату x потрібно знаходити за такою формулою:

.

Значення y0 вибирають орієнтовно в межах 58 ° - 62 °. Це дає можливість забезпечити в подальшому досить високий КВП при порівняно невеликих розмірах опромінювача, і, як наслідок, з меншим затінюванням дзеркала. Зі зменшенням y0 необхідна ДН опромінювача може вийде настільки широкою, що розміри опромінювача стануть менше, ніж, наприклад, навіть у відкритого кінця хвилеводу. Задамося кутом розкриву в площині Е:

.

і розміру розкриву дозволяє знайти фокусна відстань дзеркала за формулою:

Так як фокусна відстань параболоїда обертання (або усіченого параболоїда) в іншій площині має бути таким же, то кут розкриття в іншій площині

визначається автоматично через Fи розмір b в цій площині. оскільки

,

.

Далі, розраховуємо ДН опромінювача в площинах Е і Н відповідно:

,

,

Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

Мал. 4. ДН опромінювача в площині Е

Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

Мал. 5. ДН опромінювача в площині Н

З рис. 4 і рис. 5 легко визначити ширину ДН опромінювача в головних площинах:

.

5. Вибір і проектування опромінювача

До опромінювача зазвичай пред'являє наступні вимоги:

а) він повинен реалізовувати розраховану раніше діаграму спрямованості в секторі кутів

і мати мінімальне випромінювання поза цим сектора;

б) його поперечні розміри повинні бути мінімальними для зниження затінення розкриву;

в) опромінювач повинен мати стійкий загальний фазовий центр в двох площинах, які суміщають з фокусом параболоїда обертання;

г) електрична міцність опромінювача повинна бути достатньою для пропускання повної робочої потужності передавача в імпульсі без небезпеки пробою;

д) робоча смуга частот опромінювача повинна відповідати необхідній смузі частот антени;

е) конструкція опромінювача повинна забезпечувати необхідну стійкість до метеоумов і допускати можливість герметизації всього фидерного тракту;

Як опромінювача візьмемо пірамідальний рупор (рис. 6).

6. Проектування рупорного опромінювача

Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

Мал. 6. Пірамідальний рупор.

Розрахунок рупорної антени зводиться до розрахунку її геометричних розмірів. розміри розкриву

вибираємо на основі знайдених раніше ДН опромінювача в двох площинах.

Скориговані розміри розмірів рупора:

хвилеводу виходячи з таких міркувань: хвилевід повинен забезпечити проходження лише хвилі основного типу, пропускати необхідну потужність. Для цих цілей підходить стандартний хвилевід 23x10 мм. З табл. 3. [1] знаходимо - даний хвилевід допускає

кВт, що більше необхідної потужності. З тієї ж таблиці вибираємо матеріал з найменшими втратами - мідь (

Визначимо довжину оптимального рупора

, визначаємо довжину рупора в Е-площині з умови стикування рупора з хвилеводом:

см. Для того, щоб рупор був оптимальним необхідне виконання умови

см, тобто умова оптимальності в Е-площині теж виконується,

Розрахуємо фазові помилки:

,

Розрахуємо реальну діаграму спрямованості рупора.

- модуль коефіцієнта відбиття хвилі від розкриття рупора;

;

.

.

Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

Мал. 7. Реальна і необхідна ДН опромінювача в площині Е

Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

Мал. 8. Реальна і необхідна ДН опромінювача в площині Н

Розрахуємо положення фазових центрів рупора в головних площинах:

,

Допуск на зміщення фазового центру опромінювача з фокусу уздовж осі:

між фазовими центрами задовольняє допуску на зміщення фазового центру опромінювача з фокусу дзеркала вздовж його осі.

7. Розрахунок реального розподілу поля і ДН дзеркала

Розрахунок проводиться для порівняння реального

розподілів в розкриві дзеркала. У усіченому параболоїда обертання реальна ДН пов'язана з нормованою ДН опромінювача наступним співвідношенням:

,

.

Графіки реального і ідеального розподілу і їх відносної помилки будуються на одному графіку. Помилка не повинна перевищувати 7%.

З огляду на все вищесказане, проведемо розрахунок реального розподілу поля в дзеркалі:

1) Розрахунок реального амплітудного розподілу поля в Е площині

Функція реального розподілу має вигляд:

.

.

Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

Рис.9 Графік реального розподілу поля в E площині

2) Розрахунок реального амплітудного розподілу поля в Н площині

Функція реального розподілу має вигляд:

.

.

Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

Мал. 10. Реальне і ідеальний розподіл поля в Н площині і їх відносна помилка.

Розрахунок ДН ведеться виходячи з формул, наведених в [1]. Ці формули наведені без урахування ДН елемента Гюйгенса, тому домножимо їх на

:

;

.

Діаграму спрямованості будемо будувати в логарифмічному масштабі. Для цього перетворимо до виду

.

Аналогічно для Е-площині:

;

;

або в логарифмічному масштабі

.

Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

Мал. 11. ДН дзеркальної антени в Е-площині

Проектування дзеркальних антен і пристроїв свч

Мал. 12. ДН дзеркальної антени в H-площині

Схожі статті