Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО “Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина”

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕННЫХ СИСТЕМ СВЧ

Вариант 14

Двухзеркальная антенна по схеме Кассегрена

Тип облучателя: диэлектрическая антенна.

Екатеринбург 2011г.

Задание на курсовую работу

Для двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена:

Выбрать и рассчитать

1. Параметры и характеристики облучателя.

2. Основные геометрические размеры зеркал.

3. Распределение поля в раскрыве.

4. Диаграмма направленности антенны в главных плоскостях.

5. Линия передачи и устройства СВЧ, применяемые для получения необходимого типа волны в линии.

6. Коэффициент усиления и КИП антенны.

7. Профили сечения зеркал.

Вычертить

Конструкция облучателя с вспомогательными устройствами.

Профили сечения зеркал с облучателем.

Исходные данные (вариант 14)

Частота f_р, ГГц14

Ширина ДН по уровню -3 дБ2°

Уровень боковых лепестков дБ17

Мощность передатчика в импульсе Р, кВт5

Коэффициент усиления G, дБ ---

Тип облучателя диэлектрическая антенна

Используемые обозначения, символы и сокращения

fр	Рабочая частота, Гц
fкр	Критическая частота в волноводе, Гц
	Длина волны, мм
В	Длина волны в волноводе, мм
кр	Критическая длина волны, мм
D	Диаметр большого зеркала, мм
d	Диаметр малого зеркала, мм
F	Фокус большого зеркала, мм
f	Фокус малого зеркала, мм
Fэ	Эквивалентный фокус, мм
e	Эксцентриситет малого зеркала
a	Радиус круглого волновода, мм
dMAX	Максимальный диаметр стержня, мм
dMIN	Минимальный диаметр стержня, мм
dСР	Средний диаметр стержня, мм
0	Угол раскрыва большого зеркала, град
0	Угол раскрыва малого зеркала, град
	Положение фазового центра облучателя относительно F, мм
r	Диэлектрическая проницаемость материала стержня
	Коэффициент замедления
c	Скорость света, м/с
ф	Фазовая скорость волны в стержне, м/с
L	Длина облучателя, мм
Z	Характеристическое сопротивление волновода, Ом
	Эффективность антенны
-3дБ	Ширина диаграммы направленности антенны по уровню 3 дБ, град
-10дБ	Ширина диаграммы направленности облучателя по уровню 10 дБ, град
P	Мощность передатчика в импульсе, Вт
Рпр	Предельная мощность в волноводе, Вт
G	Коэффициент усиления, дБ
УБЛ,	Уровень боковых лепестков, дБ
КНД	Коэффициент направленного действия
КИП	Коэффициент использования поверхности
ДН	Диаграмма направленности

ВВЕДЕНИЕ

Зеркальные антенны применяют в различных диапазонах волн: от оптического до коротковолнового, особенно широко в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Эти антенны отличаются конструктивной простотой, возможностью получения различных ДН, хорошими диапазонными свойствами и др.

Существуют различные типы зеркальных антенн: параболические зеркала (параболоид, усеченный параболоид и параболический цилиндр), сферические зеркала, плоские и уголковые зеркала, а также зеркальные антенны специальной формы, двух- и многозеркальные антенны, зеркально-рупорные антенны.

Зеркальная параболическая антенна состоит из металлической поверхности, выполненной в виде параболоида вращения и небольшой слабонаправленной антенны - облучателя, установленной в фокусе параболоида и облучающий внутреннюю поверхность последнего.

В двухзеркальной антенне используются две отражающие поверхности: основная - большое параболическое зеркало и вспомогательная - малое зеркало в виде гиперболоида (антенна Кассегрена) или эллипсоида вращения (антенна Грегори).

В антенне Кассегрена роль малого зеркала состоит в переотражении падающей на него сферической волны облучателя на большое зеркало. При этом вследствие геометрических свойств гиперболы отражаемая малым зеркалом сферическая волна как бы исходит из первого фокуса, совмещаемого с фокусом большого зеркала. Эта волна трансформируется большим зеркалом в плоскую. Параболическое зеркало излучает так, как будто в его фокусе находится мнимый облучатель, создающий сферическую волну. Второй фокус малого зеркала совмещается с фазовым центром облучателя.

К достоинствам двухзеркальной системы можно отнести то, что она является более компактной, чем однозеркальная, и обеспечивает более равномерное распределение возбуждения по раскрыву, а также является более помехозащищенной. А недостатки - затенение раскрыва малым зеркалом и элементами его крепления, переливание энергии облучателя через края этого зеркала (это, тем не менее, не так опасно как для однозеркальной антенны, так как вызывает только рост УБЛ), а также реакция малого зеркала на облучатель и связанное с этим ухудшение диапазонных свойств.

Геометрия двухзеркальной антенны определяется следующими параметрами:

D и d - диаметры раскрывов большого и малого зеркал;

2₀ - угол раскрыва большого параболоида;

2₀ - угол облучения облучателем краёв малого зеркала;

F - фокусное расстояние большого зеркала;

f - фокусное расстояние малого зеркала;

2с - расстояние между фокусами малого зеркала;

е - эксцентриситет малого зеркала.

1. Расчет антенн

1.1 Расчет размеров зеркал антенны

В двухзеркальных антеннах Кассегрена углы раскрыва большого и малого зеркал лежат обычно в пределах 70-90 и 15-30 соответственно. Для обеспечения приемлемых характеристик примем 0=90 и 0=15, при этом в угол 20 должна вписываться ДН облучателя по уровню 10-20 дБ. Величина данных углов выбирается исходя из требуемого фокусного расстояния и допустимого уровня боковых лепестков. Длина волны определяется формулой:

Для рабочей частоты длина волны составит л=0.021m.

Диаметр большого зеркала выбирается на основе заданной ширины диаграммы направленности и уровня боковых лепестков D=0.618

=2⁰

Находим эксцентриситет гиперболического зеркала:

двухзеркальная антенна кассегрен

Подставив выбранные ранее числа, получим e=1,303. Используя это значение, можно определить соотношение между диаметрами большого и малого зеркал:

,

Предварительно вычислив значение диаметра малого зеркала.d=0.081

Рассчитываем d/D=0.131. Требуемое отношение диаметров должно быть не больше 0,2, для обеспечения низкого уровня боковых лепестков

Определим фокусное расстояние основного зеркала:

f=0.155

Вычислим геометрическое расположение второго фокуса малого зеркала относительно фокуса антенны, там будет располагаться фазовый центр облучателя.

Предварительно вычислив первый фокус малого зеркала:



В результате, значение второго фокуса малого зеркала равно , следовательно фазовый центр облучателя относительно фокуса антенны должен располагаться на расстоянии =0.134

1.2 РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ АНТЕННЫ

Коэффициент направленного действия антенны.

Коэффициент использования поверхности.

2. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОБЛУЧАТЕЛЯ

В качестве облучателей зеркал применяют слабонаправленные антенны, обладающие однонаправленным излучением (в сторону малого зеркала). Фазовый центр облучателя совмещается со вторым фокусом малого зеркала. При этом облучатель должен создавать в пределах угла его раскрыва сферическую или близкую к ней волну.

ДН облучателя должна обеспечивать требуемое амплитудное распределение в раскрыве при малом переливании энергии через края зеркала, по возможности обладать осевой симметрией и минимальным уровнем боковых и задних лепестков. Желательно иметь малые размеры облучателя, чтобы уменьшить его экранирующее действие (теневой эффект). Облучатель и его тракт питания следует рассчитывать и конструировать так, чтобы заданная мощность пропускалась без возможности пробоя диэлектрика.

В соответствие с техническим заданием выбираем в качестве облучателя диэлектрическую стержневую антенну.

Диэлектрические стержневые антенны относятся к антеннам поверхностных волн осевого излучения, широко применяются в диапазоне сантиметровых волн. Антенны представляют собой диэлектрический стержень, выполненный из высокочастотного диэлектрика с малыми потерями (полистирол, тефлон и др.).

Отражённая от конца стержня волна приводит к появлению в ДН дополнительных боковых лепестков, соответствующих излучению антенны в обратную сторону. Для уменьшения отражённой волны придадим стержню коническую форму.

Так как рабочая частота достаточно высока fр=14 ГГц (больше 3 ГГц), то целесообразно использовать волноводное возбуждение антенны с плавным переходом от прямоугольного волновода к круглому волноводу.

Для эффективного возбуждения стержня диэлектрической антенны его начальный диаметр должен удовлетворять требованию:

Фазовая скорость волны на конце стержня должна соответствовать фазовой скорости волны в свободном пространстве, что примерно выполняется, если диаметр на конце стержня соответствует

Примем относительную диэлектрическую проницаемость материала стержня е_r=2 (фторопласт-4). Длина волны определяется формулой:

Для рабочей частоты длина волны составит л=0.021m. Подставив исходные данные, получим:

,

.

Величина d_мах будет являться диаметром 2a круглого волновода, в который вставляется стержень. Для простоты крепления диэлектрического стержня внутри волновода соответствующий небольшой участок стержня необходимо изготовить цилиндрической формы. В качестве рабочего типа волны выбирается основной тип волны для круглого волновода Н_11. Рабочий диапазон частот в одномодовом режиме определяется условием:

где - критическая частота основной волны,

- критическая частота волны высшего порядка.

Можно получить диапазон допустимых значений радиуса круглого волновода: . Рассчитанный диаметр не соответствует стандартному (рекомендации МЭК) волноводу С140.Поэтому выберем допустимый размер диаметра 15мм.

Если учесть изменившееся значение d_max, то конечный диаметр стержневой антенны составит d_min9.4 мм (прежним остается отношение большого и малого диаметра антенны).

Определим величину коэффициента замедления фазовой скорости волны в стержне. Величина коэффициента замедления определяется средним значением диаметра стержня:

получим: d_ср=12 мм.

Для определения величины коэффициента замедления воспользуемся графиком зависимости величины от d/ (рис. 1) . Для рабочей длины волны =21 мм отношение d/ (в качестве d используется значение d_ср) составит 0.47. По графику при _r=2 и d/=0,57 находим величину коэффициента замедления: ?0,91.



рис. 1 Фазовая скорость в диэлектрическом стержне.

Зная оптимальный коэффициент замедления фазовой скорости волны в стержне

и длину волны можно найти длину диэлектрического стержня:

.

получаем: L=106 мм.

Для того, чтобы в стержне не возбуждались высшие типы волн, искажающие диаграмму направленности антенны, необходимо выполнение соотношения:

При d_ср=12 мм, =21 мм и _r=2 условие выполняется.

У стержневой диэлектрической антенны фазовый центр находится примерно на ее середине, т.е. на расстоянии 53 мм от края волновода. Конец стержня, вставленный в волновод, заканчивается конусом, длина которого должна быть около 1,5_В, _В=37мм.

_В=

Примем эту величину равной 55.5 мм.

3. ВЫБОР ТИПА ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ И РАСЧЕТ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ

Для возбуждения облучателя (диэлектрической антенны) используется круглый волновод типа С140. Основные характеристики волновода приведены в следующей таблице:

fкр, ГГц	Внутренний диаметр, мм	Толщина стенок, мм	Затухание колебаний типа Н11, дБ/м
Н11	Е01	Н21	Н01	Номинал	Допуск		Теоретическое	Макс.
11.6	15.2	19.3	24.2	15.088	0.015	1,015	0.1893	---

Предельная мощность, переносимая волной Н₁₁ в круглом волноводе, рассчитывается по формуле:

,

где Е0=3*10⁶ В/м - пробивная напряжённость электрического поля при заполнении волновода воздухом;

Z_c=120 Ом - волновое сопротивление заполняющей волновод среды (воздух).

Таким образом, из (3.1) видно, что предельная мощность для круглого волновода составляет P_пр=180.4 кВт. Данная мощность превышает заданную мощность передатчика в импульсе (Р=5 кВт) с большим запасом, значит, круглый волновод способен подводить к диэлектрической антенне необходимую мощность от передатчика без электрического пробоя.

Волна Н₁₁ в круглом волноводе сходна с волной основного типа Н₁₀ в прямоугольном волноводе. Однако под влиянием различных случайных или преднамеренных деформаций волновода положение плоскости поляризации волны Н₁₁ становится неустойчивым - наблюдается поляризационная неустойчивость основной волны. Поэтому необходимо подбирать волновод с достаточно малыми допусками по форме. По этой же причине основная линия передачи должна быть в виде прямоугольного волновода с волной типа Н₁₀.

Для преобразования волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе в волну Н₁₁ в круглом волноводе используются плавные и ступенчатые переходы. Выберем в качестве перехода плавный, длину которого следует выбирать не менее (2…3)_В.

,

Поэтому длина перехода равна 2_В =74 мм.

Так как диаметр круглого волновода должен быть больше диагонали сечения прямоугольного волновода, то в качестве прямоугольного волновода выберем стандартный волновод типа R140 в соответствие с рекомендациями МЭК с размерами 15.799 7.899 мм.

Характеристики прямоугольного волновода типа R140

Размеры, мм	fкр(Н10), ГГц	Рабочий диапазон частот для Н10, ГГц	Толщина стенки, мм
а	b		1.25fкр	1.9fкр
15.799	7.899	14	11.9	18	1.015

4. РАСЧЕТ ПРОФИЛЯ СЕЧЕНИЯ ЗЕРКАЛ

Для главного зеркала профиль сечения z(x,y) можно найти, используя формулу:

,

Преобразуем к виду:

.

Уравнение описывает параболоид вращения. Данная фигура будет симметричной в плоскостях XОZ и YОZ.

Для малого зеркала профиль сечения z(x,y) можно найти, используя формулу:

,

где:,

,

.

Уравнение описывает гиперболоида вращения. Данная фигура также симметрична относительно плоскости XOZ и YOZ..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы по техническому заданию был произведен расчет двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена.

В соответствие с техническим заданием в качестве облучателя антенны использовалась диэлектрическая стержневая антенна. Был произведен расчет ее геометрических размеров, в качестве диэлектрического материала был взят фторопласт-4. Форма диэлектрической антенны для обеспечения более качественных характеристик (уменьшения отражения от конца диэлектрической антенны и снижения уровня боковых лепестков) была выбрана конической. Высшие типы волн, искажающие диаграмму направленности, в антенне не возникают. В ходе расчётов также была проведена коррекция размеров диэлектрической антенны для обеспечения более точного выполнения технического задания. Таким образом, облучатель имеет следующие параметры:

Больший диаметр стержня d_max, мм15

Меньший диаметр стержня d_min, мм9.4

Длина стержня L, мм106

Диэлектрическая проницаемость диэлектрика _r 2

Коэффициент замедления 0.91

Для возбуждения диэлектрической антенны был выбран круглый волновод (типа С140 в соответствии с рекомендациями МЭК) диаметром d=15.1мм, работающий на основном типе волны H₁₁, который плавно переходит к прямоугольному волноводу (тип R140 в соответствии с рекомендациями МЭК) с размерами 15.799 7.899. Диэлектрический стержень крепится в круглом волноводе без клея, плотным вставлением в него.

Конструкция облучателя приведена в Приложении 4. ДН диэлектрической антенны - в Приложении 2

Расчет антенны Кассегрена был произведен с помощью программы "Расчет двухзеркальной антенны Кассегрена". Программа позволила рассчитать основные параметры антенны: ДН облучателя, распределение поля в раскрыве, ДН антенны; коэффициент использования поверхности КИП. В ходе расчётов были внесены некоторые коррективы в параметры антенны для более точного соответствия техническому заданию. Получены следующие параметры и характеристики двухзеркальной антенны Кассегрена с диэлектрическим облучателем:

Диаметр основного зеркала D, мм618

Диаметр малого зеркала d, мм81

Эквивалентный фокус F_э, мм1.174

Уровень боковых лепестков , дБ17

Ширина главного лепестка ДН _-3дБ2

КИП0.607

Полученное значение затенения d/D=0.131 удовлетворяет требованию d/D<0.2, что необходимо для уменьшения уровня боковых лепестков. В соответствие с техническим заданием удалось реализовать узкий луч ДН 2Дб. Общая эффективность антенны получилась равной 0.607, что является достаточно неплохим результатом. Общий вид антенны приведён в Приложении 3.

Также проводился расчёт линии питания. Расчёты показали, что волноводы, использующиеся в качестве линии питания, имеют следующие основные эксплуатационные характеристики:

Круглый волновод

Размер d, мм15.1

Толщина стенок ,мм1.015

Затухание (медь) ,дБ/м0.1893

Прямоугольный волновод

Размер ab, мм15.799 7.899

Толщина стенок ,мм1.015

Затухание (медь) ,дБ/м0.176

Круглый волновод соединен с прямоугольным через плавный переход.

Список использованной литературы

1. Фельдштейн_Явич_Смирнов, Справочник по элементам волноводной техники.

2. Файл программы Mathcad Расчет профиля сечения зеркал, Двузеркальная антенна по схеме Кассегрена (2000) диэлектрическая антенна

3. Методические указания по проектированию и задания к курсовому проекту для студентов всех форм обучения радиотехнических специальностей.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Диаграммы направленности облучателя (расчетные)

ДН облучателя в плоскости Е

ДН облучателя в плоскости Н

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Распределение поля в раскрывt в плоскостях Н и Е.

Диаграмма направленности антенны

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Общий вид антенны и профили сечения зеркал антенны.

Размещено на Allbest.ru