Проектирование зеркальных антенн для индивидуального приема спутниковых программ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра «Электроника, вычислительная техника и информационная безопасность»

Курсовая работа

на тему: «Проектирование зеркальных антенн для индивидуального приема спутниковых программ»

Дисциплина: «Техническая электродинамика»

Орел 2012

Содержание

Введение

1. Основные типы зеркальных антенн

2. Параболические зеркальные антенны

3. Облучатели

4. Расчет зеркальных антенн

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Наибольший интерес в настоящее время представляет прием телевидения в диапазоне 11…12 ГГц, для которого наиболее применимы параболические антенны, так как параболоид вращения отражает все падающие на его апертуру и параллельные его оси лучи в одну точку, называемую фокусом. Апертурой же называется часть плоскости, ограниченной кромкой параболоида. Таким образом, антенный параболоид, строго говоря, не представляет собой антенну в ее понимании преобразователя напряженности электромагнитного поля в напряжение сигнала. Параболоид представляет собой лишь отражатель радиоволн, концентрируя их в фокусе, куда и должна быть помещена сама антенна.

В современных системах спутниковой связи находит применение концепция многократного использования частот. Оно позволяет удвоить число ретранслируемых через спутник каналов, используя в каждой полосе частот сигналы с взаимно-ортогональной поляризацией. Условие ортогональности можно реализовать, например, в случае двух сигналов с взаимно перпендикулярной линейной поляризацией или же в случае лево- и правосторонней круговой поляризации. В каждом их этих случаев антенна осуществляет прием, передачу и разделение сигналов с двумя различными поляризациями.

На земном пункте связи через ИСЗ (искусственный спутник Земли) антенна обычно представляет собой крупногабаритный параболический рефлектор.

Зеркальные антенны -- наиболее распространенный тип остронаправленных СВЧ антенн. В процессе проектирования необходимо выбрать ее оптимальную схему и тип облучающей системы, определить размеры зеркал, амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве антенны или (для электрически сканирующих антенн) амплитудно-фазовое распределение тока в излучателях облучающей системы и закон его изменения при сканировании, рассчитать ДН (диаграмма направленности), КУ (коэффициент усиления), поляризационные и диапазонные свойства антенны, а также разработать конструкцию в целом и определить влияние элементов этой конструкции на характеристики антенны.[1]

1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН

Основными типами зеркальных антенн являются одно- и двузеркальные с различными профилем и формой зеркал (рис. 1, 2). Однозеркальные антенны с зеркалом 1 в виде параболоида вращения (рис. 1, а), симметричной вырезки из параболоида вращения с контуром овальной формы (рис. 1,б), в фокусе которых установлены облучатели 2, формируют близкие к осесимметричной ДН в широкой полосе частот. Для формирования плоских и многолучевых ДН с большим углом охвата в одной плоскости применяют зеркала в виде параболического цилиндра 1 (рис. 1, в) с облучателем 2 в виде вибраторной, щелевой или рупорной линейной решетки. Простота и надежность конструкции, а также сравнительно невысокая стоимость -- главные достоинства таких антенн.

Рис. 1 Схематические изображения конструкции однозеркальных антенн

Рис. 2 Схемы расположения лучей в двузеркальных антеннах

Ассиметричные и цилиндрические двузеркальные антенны в отличие от однозеркальных при заданной ДН облучателя путем модификации формы зеркал позволяют достаточно точно реализовать требуемую ДН антенн и получить большой КУ. Такие антенны (например, антенна Кассегрена, см. рис. 2, а) при малых осевых размерах обеспечивают компактное размещение многоканальных облучателей 3 в сечении основного зеркала 1, что значительно снижает активные потери в системе питания.

При проектировании многоканальных зеркальных антенн для уменьшения затенения апертуры зеркала сложной облучающей системой в однозеркальных антеннах или главного зеркала вспомогательным в двузеркальных используют конструкции с вынесенным облучателем (рис. 1, г; 2,б).

Широкоугольное электромеханическое сканирование можно осуществить в одно- и двузеркальных антеннах с различным профилем зеркал (рис. 2, в). Электрическое сканирование в двузеркальных антеннах с неподвижными зеркалами 1, 2 реализуется в угловом секторе не более 10° при использовании в качестве облучающей системы малоэлементной ФАР (фазированные антенные решетки) 3 (рис. 2, г).

При выборе и проектировании облучателей целесообразно руководствоваться следующими соображениями. Простейшие вибраторные, щелевые и рупорно-волноводные облучатели компактны, минимально затеняют раскрыв зеркала и весьма удобны как элементы облучающих АР в сканирующих, многолучевых, многочастотных зеркальных антеннах и антеннах с ДН специальной формы. Однако как одиночные облучатели они не обеспечивают одновременно высокий КИП (коэффициент использования поверхности) и низкий УБЛ (уровень боковых лепестков). От этих недостатков свободны многомодовые рупорно-волноводные облучатели, формирующие ДН требуемой формы с хорошими поляризационными характеристиками в узкой полосе частот. Наиболее оптимальными и широкополосными одиночными облучателями являются гибридно-модовые в виде рупорно-волноводных излучателей с ребристыми металлическими стенками или диэлектрического конуса [1].

2. ПАРАБОЛИЧЕСКИЕ ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ

Приведем теоретические и экспериментальные сведения для инженерного проектирования параболических зеркальных антенн.

Следовательно, для проектирования зеркала необходимо выбрать значение параметров параболической антенны и нулевоймощностям, уровня первых трех боковых лепестков q1 … q2 и КИП от формы амплитудного распределения (5).

Рис.3. Схематическое изображение

Рис. 4. Зависимости ширины ДН по уровню половинной

Поле излучения зеркальной антенны представляет собой сумму полей, создаваемых токами, распределенными по поверхности зеркала, и облучателем, а также полей вспомогательных конструктивных элементов, на поверхности которых возбуждаются СВЧ токи.

Для расчета поля излучения зеркальных антенн используют приближенные методы: апертурный, токовый и геометрической теории дифракции (ГТД). Апертурный метод обеспечивает достаточную точность расчета главного лепестка ДН и ближнего бокового излучения в угловом секторе от оси ДН до угла, а токовый метод - до угла. Если облучатель имеет векторную ДН по полю и фазовый центр излучения, то распределение поля в раскрыве имеет вид

,

где - амплитудные ДН облучателя для, двух ортогональных поляризаций;

постоянная распространения; - длина волны в свободном пространстве; верхний знак относится к составляющим поля вдоль оси х, а нижний - вдоль оси у. Электрическое поле излучения в дальней зоне

где - координаты точки В в раскрыве, связанные (1) с координатами соответствующей точки А на зеркале (см. рис. 3); Wo -- волновое сопротивление свободного пространства.

Основная поляризация поля в раскрыве совпадает с поляризацией облучателя. Когда кроссполяризационной составляющей поля можно пренебречь, ДН осесимметричной зеркальной антенны

Рассчитывают ДН зеркальной антенны при заданной ДН облучателя путем численного интегрирования по (3), (4) или аппроксимации закона известными функциями. Например, во многих важных для практики случаях Es хорошо аппроксимируется осесимметричным распределением

для которого нормированная ДН осесимметричной зеркальной антенны

где - относительный уровень поля на краю раскрыва; - лямбда-функция п-го порядка, - функция Бесселя n-го порядка (рис. 4).

Противофазное возбуждение раскрыва антенны относительно плоскости или (см. рис. 3) широко используют при формировании разностных ДН зеркальных антенн моноимпульсных радиолокаторов. Как правило, реальное распределение поля в раскрыве

где - коэффициенты, характеризующие распределение поля . При этом в плоскости разностная ДН , а в плоскости

где Г (z) -- гамма-функция; биномиальные коэффициенты.

В равносигнальном направлении - крутизна разностной ДН

Зависимости максимального уровня бокового излучения q1 разностной ДН по полю и КИП антенны по разностному каналу от параметров амплитудного распределения (7) показаны на Рис. 5 и 6.

Рис. 5 Зависимости максимального уровня бокового излучения разностной ДН по полю от параметров амплитудного распределения (7) при m, равном 1(а) и 2(б)

Рис. 6 Зависимости КИП антенны по разностному каналу крутизна разностной ДН

При проектировании остронаправленных зеркальных антенн с повышенной помехозащищенностью требования к уровню бокового излучения и его распределению в пространстве являются решающими в выборе схемы и типа облучающего устройства. Дальнее боковое излучение и поле в области тени зеркальных антенн рассчитывают по методу ГТД.

Рис. 7 Схематическое изображение осесимметричной зеркальной антенны

При проектировании остронаправленных зеркальных антенн с повышенной помехозащищенностью требования к уровню бокового излучения и его распределению в пространстве являются решающими в выборе схемы и типа облучающего устройства. Поле излучения осесимметричной зеркальной антенны в любой плоскости визирования, проходящей через ось симметрии зеркала z (рис. 7), можно определить в виде суммы краевых волн, возникающих при первичной и вторичной дифракциях поля облучателя (соответственно лучи и ), однократно отраженных от зеркала краевых волн первичной дифракции (например, луч ), и лучевого разложения первичного поля облучателя, уходящего за зеркало. При этом в точках дифракции и , расположенных в местах пересечения плоскости визирования с кромкой зеркала, реальный край антенны аппроксимируется касательной плоскостью 2, ребро 3 которой совпадает с элементом кромки зеркала 1. Таким образом, для осесимметричной зеркальной антенны нормированная ДН

где индексы и при Е опущены, так как (10) идентично для обеих компонент поля (верхний знак для -ой компоненты, а нижний - для -й);

- поле излучения в направлении максимума ДН антенны при распределении (5) в раскрыве;

- поле облучателя в сферической системе координат излучения ;

зеркальный антенна излучение облучатель

- поле краевых волн первичной и вторичной дифракций от верхней кромки зеркала ( точке Н на рис. 7 соответствуют лучи);\

- поле краевой волны от нижней кромки зеркала (рис. 7, точка ) при однократном отражении от внутренней поверхности зеркала (например, луч)

- уровень поля первичного облучателя на кромке зеркала.

Компоненты и в (10) вычисляют по (11),(12), заменив . В силу действия симметрии ДН антенны достаточно рассчитать по (10) в угловом секторе . При этом составляющие и необходимо учитывать при при , при , при , в угловом секторе.

Коэффициент направленного действия антенн

- коэффициент эффективности зеркальной антенны; v -- апертурный КИП, учитывающий неравномерность распределения в раскрыве; -- коэффициент эффективности облучающей системы, учитывающий потери мощности излучения из-за ее рассеяния за пределы зеркала.

Зависимости апертурного КИП симметричных зеркальных антенн с амплитудным распределением (5) от относительного уровня поля на краю раскрыва приведены на рис. 4, зависимости g от формы зеркала для различных облучателей -- на рис. 7. Для различных типов облучателей значение g не превышает 0,8... 0,83, при этом относительный уровень поля на краю раскрыва (8...10) дБ, а уровень первого бокового лепестка

Рис. 8 Зависимости апертурного КИП симметричных зеркальных антенн от угла при изменении m(a) и ka(б) для различных типов облучателей; с ДН, аппроксимируемой функцией вида при

Уменьшение коэффициента , а также изменение УБЛ (q1) иллюстрирует рис. 9. Изменения КНД антенны, обусловленные искажениями фазового распределения поля в раскрыве из-за отсутствия фазового центра облучателя или неточности в его установке относительно фокуса зеркала, характеризуются коэффициентом , значения которого приведены на рис. 10. Рис. 11 иллюстрирует зависимость нормированного КНД зеркальной антенны от размеров ее раскрыва при гауссовском законе распределения случайных отклонений профиля зеркала от параболического с нулевым средним значением и дисперсией .

Рис. 9 Уменьшение КНД при затенении части раскрыва антенны облучателем и его системой питания и крепления (а), а также изменение УБЛ (б)

Рис. 10 Зависимости уменьшения КНД от отношения для осесимметричной параболической

При этом допуск на точность изготовления зеркала с достоверностью р=0,99 гарантирует значения D/g, приведенные на рис. 11. Уменьшение КУ из-за рассогласования облучателя при влиянии поля, отраженного от зеркала, на его входное сопротивление характеризуется коэффициентом , где -- КУ облучателя. На рис. 12 приведены зависимости от для антенн с рупорно-волноводным облучателем с соотношением сторон а/Ь--1,5 раскрыва в плоскостях Е и Н. Потери в КУ на кроссполяризационное излучение характеризуются коэффициентом и зависят от типа облучателя и формы зеркала (f/2R0), В осесимметричных антеннах наибольший уровень такого излучения наблюдается в плоскости, составляющей угол 45° с главными плоскостями Е и Н, при этом >0,96. Рис. 13 иллюстрирует расчетную зависимость от f/2R0 осесимметричных параболических антенн с рупорно-волноводным облучателем, имеющим квадратный раскрыв . Ширину и угловое положение первого максимального лепестка кроссполязационной ДН в радианах можно рассчитать но формулам.

КИП зеркальных антенн с обычными, например рупорными, облучателями на практике не более . Значение КИП можно увеличить, оптимизировав конструкцию антенны, форму зеркала и облучателя [2].

Рис. 11 Зависимость отношения от . Зависимость от

Рис. 12 Зависимость от отношения при ka=4,14 (1); 5,46 (2); 7,45 (3);13,26 (4); 17,41 (5)

3. ОБЛУЧАТЕЛИ

В качестве облучателей зеркальных антенн используют практически все типы слабонаправленных антенн -- вибраторные, щелевые, рупорные, спиральные и т. п. Требуемое амплитудное распределение в раскрыве антенны должна обеспечивать ДН с минимальным уровнем за пределами раскрыва. Облучатель должен иметь фазовый центр, минимальные поперечные размеры, электрическую прочность и частотные свойства в соответствии с аналогичными параметрами антенны, а также механическую прочность, стабильность параметров при изменении метеоусловий и допускать герметизацию тракта.

Рассмотрим конструктивные особенности основных типов облучателей. Вибраторные облучатели состоят из активного вибратора и контррефлектора в виде металлического диска или пассивного вибратора. Питание на них подается от коаксиального фидера или волновода. У такого излучателя (рис. 14) ДН можно оценить по формуле , где --ДН одиночного вибратора; d -- расстояние от вибратора до контррефлектора. Зависимость g от для облучателя зеркальной антенны представлена на рис. 8 (штриховая линия). Оптимальная форма зеркала для вибраторных облучателей соответствует .

Рис. 14 Конструкция вибраторного облучателя с питающей коаксиальной линией с симметричной

Щелевые облучатели наиболее употребительны в сантиметровом диапазоне волн при небольшой мощности излучения. Волноводные и рупорные облучатели обладают широкополосностью и большими мощностями излучения. Простейшие волноводные и рупорные облучатели с рабочей волной в прямоугольном волноводе и в круглом симметрируют ДН до уровня -10…-12дБ. Их применяют в качестве излучателей АР в многолучевых и сканирующих зеркальных антеннах, а также в антеннах с лучом специальной формы. Однако как одиночные облучатели они не обеспечивают высокий КИП зеркальных антенн. При разработке рупорно-волноводных облучателей, оптимально возбуждающих зеркало в широкой полосе частот (до 50%), стали применять круглые волноводы с коаксиальными насадками, обладающие симметричной ДН до уровня --18 дБ (рис. 15).

Рис. 15 Диаграммы направленности облучателя с коаксиальной насадкой в Н- и Е-плоскостях и зависимости максимального значения коэффициента эффективности параболической антенны от угла - с облучателями в виде: 1 -- круглого волновода; 2--4--круглого волновода с одной, двумя и тремя коаксиальными насадками соответственно

Гофрированные (гибридно-модовые) волноводные и рупорные излучатели-- наиболее совершенные одиночные облучатели зеркальных антенн. В таких облучателях эффективно возбуждаются гибридная, волна , силовые линии Е и Н которой почти не искривляются в поперечном сечении, что обеспечивает осевую симметрию ДН облучателя и практическое отсутствие кроссполяризации.

При проектировании облучателя в виде цилиндрического гофрированного волновода следует выбирать: шаг гофра s<0,15, толщину ребер , грубину канавок в зависимости от диаметра (рис. 16, б). Такой выбор параметров облучателя обеспечивает осевую симметрию ДН до уровня --20...-- 25 дБ и кроссполяризационное излучение не более --30 дБ. Для приближенного расчета размеров излучателя можно воспользоваться зависимостями ширины ДН по относительному уровню поля, излучения c=E/Emax от при . Более точно поле излучения цилиндрического гофрированного волновода с рабочей волной можно рассчитать по следующим формулам:

где

Рис. 16 Зависимости оптимальных параметров для облучателей в виде цилиндрического гофрированного волновода: от б от

Рис. 17 Зависимости оптимальных параметров для осесимметричной параболической антенны с облучателями в виде цилиндрического гофрированного волновода: а - g от ; б - от

Оптимальные условия возбуждения гибридной сферической волны НЕ11 в таком облучателе обеспечиваются при , диаметре D раскрыва рупора в зависимости от углового размера , числе ребер на длину волны в горловине рупора N=6...10, а в конце N=2...4. В этом случае гофрированный рупор формирует поле излучения с осесимметричной ДН, ширина которой практически постоянна в 50%-ной полосе частот, с низким уровнем кроссполяризационного излучения (менее --30...--35 дБ) и уровнем обратного излучения на 10... 20 дБ меньше, чем у гладкостенного конического рупора таких же размеров.

Так же различают моноимпульсные облучатели, которые в зависимости от назначения и технических требований выполняют в виде системы, состоящей из электрических, магнитных вибраторов (щелей) или волноводов, а также различных комбинаций [3].

4. РАСЧЕТ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН

Расчёт параболической антенны будем производить апертурным методом. Плотность потока излучения в апертуре равна плотности потока излучения в соответствующей точке зеркала, так как между зеркалом и апертурой лучи параллельны. Поэтому по ДН облучателя можно найти нормированное амплитудное распределение в раскрыве [4]:

Сделаем дополнительные преобразования:

.

Выразим через , (радиус зеркала) и :

.

В итоге, подставив и , получим:

Теперь определимся с . В целях получения лучших характеристик антенны (малые размеры и себестоимость, большее усиление) найдем оптимальный угол раскрыва , при котором коэффициент использования поверхности (КИП), а, следовательно, КНД максимальны. Приняв , получим по максимуму функции:

Зная и задавая значение , можно найти нормированное распределение амплитуды по раскрыву, которое затем аппроксимируется:

Подобрав значения и , ДН зеркальной антенны находят по формуле:

где - угловая переменная, - лямбда-функции, которые просто связаны с обычными функциями Бесселя:

Набрав все необходимые формулы в Mathcad, методом подбора нашёл такое , при котором ширина главного лепестка на уровне половинной мощности , уровень боковых лепестков . При этом старался добиться минимальных размеров зеркала по экономическим соображениям. В результате получил радиус зеркала . При таком значении нормированное распределение амплитуды по раскрыву показано на рис.19. Подобрав значения и , аппроксимировал его функцией рис.19:

Как видно из рис.19, хорошо приближается к . Отсюда получаем выражение для ДН антенны:

Нормированная ДН параболической антенны приведена на рис.20. Поскольку ДН облучателя обладает симметрией вращения относительно оси зеркала и зеркало представляет собой параболоид вращения, то ДН антенны в Е- и Н-плоскостях будут одинаковыми (рис.13).

По полученной ДН находим ширину главного лепестка на уровне половинной мощности , уровень боковых лепестков :

Данные значения полностью удовлетворяют техническому заданию.

Фокусное расстояние антенны рассчитывается по формуле:

.

Так как ДН облучателя имеет незначительный задний лепесток, то корректировку фокусного расстояния проводить не будем (хотя полученное значение фокусного расстояния и так получилось соответствующим корректированному ).

Форма параболического отражателя определяется выражением:

.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Зеркальные антенны - антенны, в которых для фокусирования высокочастотной электромагнитной энергии используется явление зеркального отражения от криволинейных металлических поверхностей (зеркал). По размерам зеркало значительно превосходит длину волны. Основные модификации Зеркальные антенны определяются количеством отражателей: известны одно-, двух- и трёхзеркальные антенны. Конструктивно зеркальные антенны выполняют в виде металлических или металлизированных поверхностей различной формы. Для снижения массы зеркал и уменьшения давления ветра (парусности) на их поверхность зеркала нередко изготавливают не из сплошного материала, а из сетки проводов или параллельных пластин, а также из перфорированных металлических листов. Применяют зеркальные антенны следующих типов: параболические антенны, Кассегрена антенны, рупорно-параболические антенны, сферические антенны, перископические антенны, зеркальные апланатические антенны и другие.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Власов В.И., Берман Я.И. "Проектирование высокочастотных устройств

радиолокационных станций". Ленинград, издательство "Судостроение". Ленинград, 1972.

2. Жук М.С., Молочков Ю.Б. "Проектирование антенно-фидерных устройств". М. -Л., издательство "Энергия", 1966.

3. Драбкин А.Л. и др. "Антенно-фидерные устройства". Изд.2-е, дополненное и переработанное. М., "Сов. радио", 1974.

4. Дорохов А.П. "Расчёт и конструирование антенно-фидерных устройств". Издательство Харьковского университета, 1960.

Размещено на Allbest.ru