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.).
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:
Мал. 2 Розподіл поля в Н - площині розкриву.
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:
,
,
Мал. 4. ДН опромінювача в площині Е
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
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;
;
.
.
Мал. 7. Реальна і необхідна ДН опромінювача в площині Е
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:
.
.
Рис.9 Графік реального розподілу поля в E площині
2) Розрахунок реального амплітудного розподілу поля в Н площині
Функція реального розподілу має вигляд:
.
.
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
.
Мал. 11. ДН дзеркальної антени в Е-площині
Мал. 12. ДН дзеркальної антени в H-площині