Размещено на http://www.allbest.ru/

Антенна аэродромная

Введение

Любая радиотехническая установка, предназначенная для излучения или приёма радиоволн, содержит антенну. Антенные устройства играют важнейшую роль в радиотехнике, так как основным отличительным признаком радио является наличие излучения или приёма радиоволн. Само слово «Радио» происходит от греческого слова «излучать».

Требования, предъявляемые к антенне, различны в зависимости от назначения радиостанции. Все антенны чаще всего принято классифицировать по диапазонам волн.

Зеркальные антенны представляют собой совокупность зеркала и облучателя. Облучателем может быть любой однонаправленный излучатель. Важно, чтобы возможно большая часть энергии попадала на зеркало, а не рассеивалась в других направлениях. Зеркалом называется радионепрозрачное тело с определённой формой поверхности, имеющее коэффициент отражения, близкий к единице.

Для зеркальных антенн характерно то, что в них цилиндрический или сферический фронт волны преобразуется в плоский. Это позволяет получить очень узкую диаграмму направленности антенны с углом раствора всего лишь в несколько угловых минут.

Есть два основных типа линзовых антенн: замедляющие и ускоряющие.

В замедляющих линзах фазовая скорость распространения электромагнитной волны меньше скорости света, а в ускоряющих - больше. В курсовой работе рассматривается параболическое зеркало, облучаемое волноводно-щелевой антенной.

1. Описание установки

Антенная система представляет собой линейку полуволновых излучателей (волноводно-щелевая антенна, с щелями прорезанными в шахматном порядке, вдоль широкой стенки волновода), с игольчатой диаграммой направленности в Н-плоскости (ц=1°) и широкой в Е-плоскости (?=20°), облучающих диэлектрическое зеркало (параболический цилиндр). Также конструктивно сюда входит устройство крепления и питающие волноводы.

Волновод выбирается исходя из передаваемой мощности, диапазона частот, типа волны и т.д. Размеры параболического зеркала вычисляются по результатам расчета диаграммы направленности целевой антенны.

2. Расчет диаграммы направленности волноводно-щелевой антенны

1) Зная длину волны в свободном пространстве л, вычисляем длину волны в волноводе прямоугольного сечения ?:

2)

? = ,

где а - размер широкой стенки волновода.

Для длины волны в свободном пространстве л = 2 см, размер широкой стенки волновода, а ? 15.799 мм.

Для расчета необходимо перевести это значение в сантиметры: а ? 1.58 см. подставив имеющиеся значения в формулу 1.1, получим ?=2.9 см

3) Вычислив длину волны в волноводе ?, можем найти расстояние между щелями по формуле:

d = ,

где ? - длина волны в волноводе.

Подставив в 1.2, значение ?, получим расстояние между излучателями d = 1.45 см

4) Зная расстояние между щелями, можем рассчитать число излучателей:

A° = 1° - диаграмма направленности одной щели. (1.3)

57° = 1°, отсюда выражаем n, (1.31)

n = , формула для расчета кол-ва излучателей. (1.32)

Подставив в 1.32 значения л и d, получим число излучателей

n = 75.

5) Рассчитаем диаграмму направленности линейки излучателей:

f₁ (ц)= , функция направленности одного излучателя.

f_H(ц) = f₁ (ц)• f_n (ц), функция направленности всей системы.

f_n (ц) = , функция направленности линейки из

n излучателей.

f_H(ц)=•,

но поскольку диаграмма направленности одиночного излучателя в Н-плоскости равна единице, т.е.

= 1, то первым сомножителем можно пренебречь.

f_H(ц)=, после упрощения и подстановки известных констант, получаем:

f_H(ц)= , итоговая формула для диаграммы направленности линейки из n излучателей в Н-плоскости.

6) Изменяя значения ц в интервале от 0 до ц₀, составим таблицу значений диаграммы направленности в Н-плоскости:

ц, град	fH(ц)
0	1
0.1	0,986152
0.2	0,947451
0.3	0,898492
0.4	0,848677
0.5	0,707526
0.6	0,568795
0.7	0,426842
0.8	0,283647
0.9	0,141415
1	0

7) По получившимся значениям построим график функции направленности:



Для диаграммы направленности в Е-плоскости, формула будет иметь аналогичный вид:

f_Е(?)=•,

Однако, принимая во внимание тот факт, что в Е-плоскости диаграмма направленности одиночного излучателя отлична от единицы, мы не можем пренебречь первым сомножителем, как пренебрегли им для Н-плоскости.

В итоге, после упрощения и подстановки известных констант, конечная формула будет иметь вид:

f_E(?)=.

8) Изменяя значения ? в интервале от 0 до ?₀, составим таблицу значений диаграммы направленности в Е-плоскости:

?, град	f E(и)
0	1
1	0,995215383
2	0,987887595
3	0,970802685
4	0,947802198
5	0,924493347
6	0,892621847
7	0,857338059
8	0,81473328
9	0,764914974
10	0,723072687
11	0,674916096
12	0,620250445
13	0,569047155
14	0,516245163
15	0,464350974
16	0,412240474
17	0,362075088
18	0,314167009
19	0,269856164
20	0,252308513

9) По получившимся значениям построим график функции направленности:

3. Расчет геометрических размеров и характеристик параболического отражателя

Где f - фокусное расстояние, D - Ширина раскрыва на краях, ? - угол раскрыва, R - радиус, с - текущая координата раскрыва.

1) Вычислим раскрыв зеркала для значения ?, по уровню половинной мощности по формуле:

20° = A°,

где D - линейные размеры антенны.

Выразим значение D = .

A° = 62°

Подставив имеющиеся значения в формулу 2.1, получим значение

D = 0,62 м = 62 см

2) Далее, зная размеры раскрыва параболического отражателя, можем найти его фокусное расстояние:

F = = = 0,9023 м ? 90 см.

3) Зная фокусное расстояние, можем рассчитать профиль отражателя по формуле:

r(?) = ; (2.3)

где значение ? меняется от 0 до ?_0.

?	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
r(?)	90	90.007	90.027	90.062	90.11	90.172	90.247	90.337	90.44	90.557	90.689

?	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
r(?)	90.834	90.994	91.168	91.357	91.56	91.778	92.01	92.258	91.52	92.798	93.092

4) Зная линейные размеры зеркала, и фокусное расстояние можем рассчитать распределение амплитуды поля в раскрыве по формуле:

= A(?)•f_обл(?),

где А(?) - множитель, учитывающий амплитудное распределение в раскрыве зеркала.

Для параболического зеркала расчет амплитудного распределения должен производиться только в Е-плоскости.

И0, град	Е\ Емах (и)
0	1
1	0,995215383
2	0,987887595
3	0,970802685
4	0,947802198
5	0,924493347
6	0,892621847
7	0,857338059
8	0,81473328
9	0,764914974
10	0,723072687
11	0,674916096
12	0,620250445
13	0,569047155
14	0,516245163
15	0,464350974
16	0,412240474
17	0,362075088
18	0,314167009
19	0,269856164
20	0,252308513

5) Необходимо учитывать, что каждому значению угловой координаты соответствует значение профиля, которое связано с координатой раскрыва соотношением:

с = r•

где угол и меняется в пределах от 0⁰ до и₀.

По итогам расчета необходимо построить распределение амплитуды поля в раскрыве зеркальной антенны в зависимости от нормированной координаты на раскрыве с/с₀.

И0, град	с	с\ с0	Е\ Емах (и)
0	0	0	1
1	1,5707	0,0506	0,995215383
2	3,1414	0,1012	0,987887595
3	4,7121	0,1520	0,970802685
4	6,2830	0,2026	0,947802198
5	7,8535	0,2533	0,924493347
6	9,4243	0,3040	0,892621847
7	10,9949	0,3546	0,857338059
8	12,5658	0,4053	0,81473328
9	14,1363	0,4560	0,764914974
10	15,7070	0,5066	0,723072687
11	17,2778	0,5773	0,674916096
12	18,8486	0,6081	0,620250445
13	20,4192	0,6772	0,569047155
14	21,9892	0,7093	0,516245163
15	23,5605	0,7604	0,464350974
16	25,1312	0,8106	0,412240474
17	26,7019	0,8613	0,362075088
18	28,2726	0,9120	0,314167009
19	29,8433	0,9626	0,269856164
20	30,9652	0,9998	0,252308513

6) Для упрощения дальнейших расчетов полученную функцию нужно аппроксимировать интерполяционным полиномом:

где с = 1,2,3…степень аппроксимирующей функции;

? - уровень поля на краю зеркала.

Для аппроксимации реального распределения амплитуды поля в раскрыве целесообразно выбрать полином 2-й степени.

6. Расчет диаграммы направленности зеркальной антенны

Зная распределение амплитуды поля в раскрыве отражателя, можем рассчитать диаграммы направленности по формуле:

 (6.1)

где и - угол, отсчитываемый от нормали к излучающему раскрыву D зеркала;

? - уровень поля на краю раскрыва; k - волновое число;

р - степень выбранной аппроксимирующей функции;

Л_р+1(U) - лямбда - функция (р+1) порядка от аргумента:

(6.2)

И0, град	U
0	0
5	1.123
10	2.195
15	3.357
20	4.519
25	5.63
30	6.715
35	7.877
40	8.909

Лямбда - функция первого порядка Л₁ (U) от аргумента U представлена в табл. 9; Л_р+1(U) - лямбда - функция (р+1) порядка от аргумента U представлена в табл. 10

U	Л1 (U)
0	1
1.123	0,856
2.195	0,505
3.357	0,105
4.519	-0,103
5.63	-0,119
6.715	-0,028
7.877	0,055
8.909	0,057

U	Лр+1 (U)
0	1
1.123	0,927
2.195	0,732
3.357	0,456
4.519	0,224
5.63	0,063
6.715	-0,015
7.877	-0,028
8.909	-0,014

И0, град	Fз(и)
0	1
5	0,896
10	0,704
15	0,326
20	0,084
25	-0,0149
30	-0,0205
35	0,0075
40	0,0164

7. Расчет элементов фидерного тракта

В диапазоне сантиметровых и дециметровых волн фидерные линии выполняются из волноводов круглого или прямоугольного сечения.

К фидеру предъявляются следующие требования: потери энергии должны быть минимальны и он должен быть хорошо согласован с антенной, т.е. работать в режиме бегущей волны.

Размеры волновода должны быть выбраны так, чтобы обеспечивалось распространение энергии с минимальным затуханием. Условием существования волны Н₁₀ является л < 2а, но чтобы не возникала волна Н₂₀, необходимо выполнить неравенство л > а

Объединив оба неравенства получим,

, откуда, а = 1.58 см

а для того чтобы не возникала волна типа Н₀₁, необходимо

b <, откуда b = 0.99 см

Для того чтобы обеспечить вращение антенны в азимутальной и вертикальной плоскостях на заданные углы, необходимо использовать вращающиеся сочленения. Типичным примером волновода обеспечивающего передачу энергии от генератора непосредственно к антенне, через вращающееся сочленение является волновод типа Н₁₀ - Н₁₁ - Н₁₀. Иными словами два волновода прямоугольного сечения соединяются посредствам круглого, который и обеспечивает вращение:

Также следует учитывать возможность возникновение стоячей волны непосредственно в волноводно-щелевой антенне, чтобы этого избежать на противоположный конец волновода помещается так называемая согласованная нагрузка или же поршень. На рисунке представлена ступенчатая согласованная нагрузка, наиболее часто применяемая для волноводов данного типа:

8. Расчет погрешностей

Определим относительную погрешность ширины рассчитанной ДН:

(7.1)

где 2и_0.5р - ширина рассчитанной ДН зеркальной антенны; 2и_0.5 - заданное в техническом задании на курсовое проектирование значение ширины ДН щелевой антенны.

По формуле (7.1) д? = ? 5%

д? = 0,05 = 5%.

Заключение

антенна фидерный аэродромный отражатель

Зеркальная антенна, рассчитанная в данной работе, обладает достаточно хорошими характеристиками. Применение щелевых антенн, в качестве облучателя более оправдано, когда требуется получить игольчатую диаграмму направленности шириной в несколько градусов и меньше, так как большинство других типов антенн с такой задачей справиться не в состоянии. При этом необходимо учитывать резко возрастающие размеры и массу отражателя, а также сложность его изготовления.

При сравнительно широкой диаграмме направленности, как в этой работе, целесообразность применения зеркальных антенн будет определяться сравнительным соотношением характеристик антенны и затрат на её изготовление. Но следует учитывать, что при решении специальных задач, связанных с обеспечением игольчатой диаграммы направленности при малом уровне боковых лепестков, зеркальная антенна становится одной из самых востребованных.

Список литературы

1. А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов. Антенно-фидерные устройства. - М.: Советское радио, 1974.

2. Антенны и устройства СВЧ. Учебное пособие. Сост.: Б.Т. Никитин, Л.А. Федорова, Ю.Н. Данилов. Ленинград, 1986.

3. Расчет и проектирование зеркальных антенн. Методические указания к курсовому проектированию. Сост.: Л.А. Федорова, А.Ю. Мельникова. Санкт - Петербург, 2002.

Размещено на Allbest.ru