Проектирование зеркальной параболической антенны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Проектирование зеркальной параболической антенны

Содержание

зеркальный антенна излучатель электрический

Введение

1. Проектирование излучателя

2. Электрическая схема антенны

3. Расчет ДН облучателя

4. Расчет параметров зеркала

5. Вращающееся сочленение

6. Расчет КПД антенны

7. Диапазонные свойства электрической прочности

Заключение

Список используемых источников

Введение

Зеркальной антенной называют совокупность слабонаправленного облучателя и металлического отражателя (зеркала). Форма поверхности зеркала выбирается такой, чтобы сферический фронт волны, падающей от облучателя на зеркало, после отражения преобразовывался в плоский фронт волны. С позиций геометрической оптики лучи, расходящиеся от облучателя, после отражения от зеркала образуют параллельный пучок, формируя остронаправленную диаграмму направленности. По форме зеркала зеркальные антенны разделяются на параболоид вращения, параболический цилиндр, а также антенны со специальным профилем зеркала.

Зеркальные антенны могут формировать игольчатые диаграммы направленности, веерные, косекансные или диаграммы другого специального вида. Ширина игольчатой диаграммы направленности может составлять от десятка до долей градуса.

Широкоугольное сканирование в однозеркальных антеннах осуществляется механическим вращением всей антенной системы в заданной плоскости, а сканирование в пределах нескольких ширин диаграмм направленности осуществляется электромеханическим способом - вращением облучателя, вынесенного за фокус параболоида.

В настоящее время зеркальные антенны широко применяются в радиостанциях различного назначения - радиолокационных, навигационных, радиорелейных и в ряде других радиосистем СВЧ диапазона.

Зеркальные антенны нашли широкое применение благодаря следующим свойствам:

сравнительно простоте конструкции;

надежности работы;

хорошим диапазонным свойствам (диапазонность однозеркальных антенн определяется диапазонностью излучателя);

способности формировать диаграммы направленности различной формы;

возможности многофункциональной работы при выборе соответствующей конструкции облучателя и ряда других положительных особенностей.

Однако зеркальные антенны обладают рядом существенных недостатков:

механический способ сканирования, который является единственно возможным в однозеркальных антеннах;

уровень боковых и задних лепестков в диаграмме направленности однозеркальных антенн трудно поддается ослаблению;

большой объем по сравнению с объемом всей системы (до 50%);

затенение облучателем поля зеркальной антенны.

1. Проектирование излучателя

По заданию, задан спиральный облучатель. Исходя из данных можно сказать что это коническая спираль, так как требуемая полоса частоты 64%, а порог цилиндрической спирали в 55%. [1].

Вычислим min и max, л (длину волны). По заданию л=10,5 см.

л min = л- л0.32=10.5-3.36=7.14 см

лmax= л+ л0.32=10.5+3.36=13.86 см

С помощью рассчитанных длин волн, рассчитаем длину витков :

L1=0.75 л min=5.355см

Ln=1.3 лmax=18.018см

Возьмем

L= лср,

где лср=10.5 см. Через лср, высчитаем S-шаг:

S=0.22 лср=2.31 см

Угол завивки витков , =12.710,с помощью этого угла, можно найти угол на конце конической спирали ,

2=8.90 (1)

Зададимся, количеством витков у эквивалентной цилиндрической спирали n=6, с помощью формулы высчитаем, сколько будет витков у конической спирали.

(2)

Расчет минимального и максимального витка спиралей облучателя.

(3)

(4)

Осевая длина спирали:

(5)

2. Электрическая схема антенны

1 -Облучатель;

2 -Воздушная коаксиальная линия;

3 - Зеркальная антенна;

4 -Коаксиальный разъем;

5 - Вращающееся сочленение;

6 -Коаксиальное соединение с дросселем;

7 - Коаксиальная линия с диэлектрическим заполнением;

8 - Гибкий волновод;

9 - Антенный переключатель;

10 -Приемник;

3. Расчет ДН облучателя

С помощью найденных параметров облучателя, мы можем построить ДН (диаграмму направленности) облучателя, используя формулу:

(6)

Так же пронормируем ДН облучателя и получим Рисунок 1:

Рисунок 1. ДН облучателя.

4. Расчет параметров зеркала

Для определения эффективности реальных облучателей их диаграмма направленности в передней полусфере аппроксимируется функцией вида , где n = 1, 2, 3, … - целые числа.

Аппроксимация приведена на Рисунке 2.

Рисунок 2

В нашем случае максимальная эффективность зеркальной антенны достигается при n = 3.?Тогда--y_=48, где 2y? - угол раскрыва зеркала.

Используя формулу:

построим амплитудное распределение поля вдоль раскрыва зеркала. [2].

Где F(ш) - нормированная диаграмма направленности облучателя;

Будем использовать интервал ш= 0..ш0

Получим на рисунке № амплитудное распределение вдоль раскрыва зеркала.



Рисунок 3. Амплитудное распределение поля вдоль раскрыва зеркала

Для аппроксимации амплитудного распределения поля выбираем наиболее близкую функцию, мы провели линию на уровне 480 и увидели что ?=0.4 по этому параметру и будем выбирать амплитудное распределение. Выбор производим из таблицы 1.

Построим на Рисунке 3 ,амплитудные распределения и выберем наиболее подходящее.

Таблица 1.

Закон изменения амплитуды поля в раскрыве зеркала	Формула для расчета ДН	Ширина ДН на уровне половинной мощности (град)	Уровень первого бокового лепестка (дБ)	Коэффициент использования площади раскрыва
				-23,5	0,87
				-22,5	0,9
				-21,5	0,97
				-19,0	0,98
				-29,7	-
				-27,8	-
				-25,7	-

где зависимость U от угла определяется:

- относительная координата раскрыва зеркала, соответствующая углу ш;

;

- функции Бесселя первого и второго порядка.

Рисунок 4

Построив по таблице 1, выберем амплитудное распределение в раскрыве зеркала, Из графика видно, что подходит:

; (7)

- нормированное значение поля на краю раскрыва зеркала.

Исходя из заданных в задании значениях определим КНД(коэффициент направленного действия), по известному нам соотношению КУ=КНД*КПД, так же зададимся КПД=70%. С помощью вычислений определим КНД=615. Выбираем КИП(коэффициент использования площади), из таблице выбираем 0.97.

Используя формулу для нахождения КНД:

(8)

Откуда получаем радиус раскрыва зеркала R=41,1 см.

- площадь раскрыва зеркала.

Фокусное расстояние зеркальной антенны:

(9)

Глубина зеркала:

(10)

Геометрические размеры зеркала показаны на рисунке 5.



Рисунок 5.

где R - радиус раскрыва зеркала, f - фокусное расстояние, h - глубина параболоида, ш0 - угол раскрыва.

По рассчитанным параметрам найдем диаграмму направленности зеркальной антенны. Диаграмма направленности зависит от угла направления через функции Бесселя и по следующей формуле:

; (11)

Графически диаграмма направленности антенны представлена на рисунке.



Рисунок 6. ДН в разах.

Рисунок 7. в Дб

5. Вращающееся сочленение

Вращающиеся сочленения предназначены для передачи высокочастотной энергии от неподвижного передатчика к антенне, вращающейся с заданной скоростью в горизонтальной или вертикальной плоскостях. Соответственно широкому применению в диапазоне сверхвысоких частот двух типов фидерных линий, вращающиеся сочленения делятся на коаксиальные и волноводные. [3]



Фиг. 1. Бесконечный полуволновый замкнутый дроссель коаксиального вращающегося сочленения

Фиг. 2. Эквивалентная схема включения дросселей в линию

Чтобы выполнить дроссельное соединение диаметр внутреннего проводника коаксиала d должен быть не менее 6 мм. Диаметр наружного проводника коаксиала D выбирается из следующих условий: если требуется, чтобы коаксиальная линия пропускала максимальную мощность, то отношение D/d = 2,72; если требуется получить минимальные потери в линии, то D/d-= 3,6.

В данной работе я хочу получить маленькие потери во вращающихся соединениях, из этого следует, что мне нужно выбрать это соотношение D/d= 3,6 .

Выбираем d=6 мм, тогда D=21.6 мм

В задании дана величина волнового сопротивления линии

Для отсутствия распространения высших гармоник необходимо (они ухудшают в сочленении условия передачи энергии), чтобы выполнялось условие:

,

где длина волны генератора или наименьшая длина волны рабочего диапазона. [3]

При выбранном соотношении диаметров, условие выполняется.

По заданному КБВ и с0, можно определить волновое сопротивление дроссельных линий. Для этого надо по заданному КБВ сначала рассчитать величину реактивного сопротивления, представляющего сумму входных сопротивлений дросселей внешнего и внутреннего проводников.

Затем, пользуясь приведенными практическими соотношениями для выбора волновых сопротивлений дроссельных линий определим сопротивление r2 из уравнения:

где l? - средняя длина волны диапазона;

Dl=l-l_--- отклонение крайней длины волны диапазона от средней.

Максимальная мощность, которую может передать жесткая коаксиальная линия, рассчитывается по формуле

где Eдоп = 20 103 В/см - допустимая напряженность поля.

Произведем согласование:

Так как волновое сопротивление коаксиальной линии передачи составляет 75 Ом, а волновое сопротивление спирального излучателя - 140 Ом, то необходимо применять согласующие устройства для согласования линии передачи со спиралью.

Согласование будем осуществлять с помощью ступенчатого трансформатора. Волновые сопротивления соседних ступенек не сильно отличаются друг от друга, а значит, практически, отсутствует переотражение волны от ступенек.

Длина ступеньки рассчитывается по формуле:

(11)

(12)

Для согласования используем Чебышевскую рабочую характеристику. Полином Чебышева определяется по выражению:

, (13)

где . (14)

Максимальный коэффициент отражения согласующего устройства определяется по формуле:

(15)

По заданному КБВ определяется допустимый коэффициент отражения:

(16)

Число ступенек n увеличивают до тех пор, пока не выполнится условие

При n=3 .

Определим сопротивления ступенек. Сопротивления изменяются по экспоненциальному закону, так как такое согласование более широкополосное.

Закон изменения сопротивления имеет вид:

Сопротивление первой ступеньки:

Сопротивление второй ступеньки:

Сопротивление третьей ступеньки:

Схематично ступенчатый трансформатор представлен на рисунке 8.

Рисунок 8. Ступенчатый трансформатор.

Определим параметры коаксиальных кабелей ступенчатого трансформатора. Соотношение диаметра центральной жилы и диаметра оплетки определяется по формуле:

.

Для коаксиального кабеля с волновым сопротивлением W = 75 Ом отношение диаметров D/d = 3.5. Диаметр центральной жилы d = 1 мм, диаметр оплетки D = 3.5 мм.

Для коаксиального кабеля с волновым сопротивлением W = 80.493 Ом отношение диаметров D/d = 3.83. Диаметр центральной жилы d = 1 мм, диаметр оплетки D = 3.83 мм.

Для коаксиального кабеля с волновым сопротивлением W = 106.793 Ом отношение диаметров D/d = 5.94. Диаметр центральной жилы d = 1 мм, диаметр оплетки D = 5.94 мм.

Для коаксиального кабеля с волновым сопротивлением W = 123.008 Ом отношение диаметров D/d = 7. 87. Диаметр центральной жилы d = 1 мм, диаметр оплетки D = 7.78 мм.

Для коаксиального кабеля с волновым сопротивлением W = 140 Ом отношение диаметров D/d = 10.34.

Диаметр центральной жилы d = 1 мм, диаметр оплетки D = 10.34 мм.

6. Расчет КПД антенны

Важным параметром линии с потерями является ее коэффициент полезного действия (КПД). КПД определяется как отношение мощности, выделившейся в нагрузке , к мощности, подведенной к линии . [4]

.(17)

Где - общая длина тракта, - суммарный коэффициент отражения в тракте, - погонное затухание,.

В конструкции питающей линии присутствуют неоднородности, вызывающее отражение электромагнитной волны: вращающееся сочленение (0,04), поворот коаксиала (0,005), согласующее устройство (0,009), коаксиальное соединение (0,001).

Суммарный коэффициент отражения:

зеркальный антенна излучатель электрический

КПД:

(18)

Коэффициент бегущей волны (КБВ):

(19)

Минимально допустимая величина КБВ в линии передачи 0,874, следовательно, данное значение полностью удовлетворяет поставленному условию.

7. Диапазонные свойства электрической прочности

По заданию требуемая полоса частот антенны ±0,32є.

Рабочая частота:

(20)

Верхняя частотная граница: ().

Нижняя частотная граница: ().

Изменение ДН зеркальной антенны, в зависимости от изменения частоты представлено на рисунке 9:

Рисунок 9. Изменение ДН

Из графика видно, что при таком незначительном изменении частоты ДН зеркальной антенны практически неизменна.

Заключение

Зеркальную параболическую антенну с спиральным облучателем можно разделить на несколько основных частей: параболическое зеркало, спиральный облучатель, коаксиальный кабель и вращающееся сочленение.

Материалом для изготовления зеркала могут послужить алюминиевые сплавы (АМГ, АМГ2М, АМГ3М, 1105) или оцинкованная сталь. Все компоненты подвески, базы и зеркала подвергаются антикороззионной обработке методом гальванического цинкования, методом горячего цинкования, с дальнейшей покраской методом порошкового напыления в электрическом поле. В питающей линии применены стандартные узлы - фидер и сочленения для унификации конструкции и упрощения ремонта.

Список используемых источников

1. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией профессора Воскресенского Д.И. - М.: Издательство 2012 г.

2. "Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию по антенно-фидерным устройствам. Часть II". Под ред. Д.И. Воскресенского, 2010 г.

3. "Расчет и конструирование вращающихся сочленений. Пособие к курсовому проектированию". Под ред. Б.Я. Мякишева. МАИ, 2012 г.

4. "Антенны и устройства СВЧ". Под ред. Д.И. Воскресенского. МАИ, 2009 г.

Размещено на Allbest.ru