_Курсач_gg (Курсовые по Устройствам СВЧ и антеннам)

Введение.

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

Зеркальные антенны являются антеннами оптического типа. Они состоят из 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. Лучи, расходящиеся от облучателя, после отражения от зеркала образуют параллельный пучок, формируя остронаправленную диаграмму направленности шириной от десятка градусов до долей градуса.

Широкоугольное сканирование в однозеркальных антеннах осуществляется механическим вращением всей антенной системы в заданной плоскости.

Зеркальные антенны нашли широкое применение благодаря следующим свойствам: сравнительно простоте конструкции, надежности работы, хорошим диапазонным свойствам, способности формировать диаграммы направленности различной формы и ряда других положительных особенностей.

Однако зеркальные антенны обладают рядом существенных недостатков: затенение облучателем поля зеркальной антенны, механический способ сканирования, который является единственно возможным в однозеркальных антеннах, не обеспечивает высокой скорости управления диаграммой направленности при большом весе и сложности механизма вращения, уровень боковых и задних лепестков в диаграмме направленности однозеркальных антенн трудно поддается ослаблению.

Анализ задания.

В процессе проектирования необходимо выбрать оптимальную схему и тип облучающей системы, определить геометрические размеры зеркала, амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала, рассчитать диаграмму направленности антенны, её коэффициент усиления, коэффициент полезного действия и разработать конструкцию в целом.

Рупорный облучатель является наиболее распространенным облучателем зеркальных антенн сантиметрового диапазона. Объясняется это возможностью получения диаграммы направленности заданной ширины в обеих плоскостях, большой диапазонностью и простотой их конструкции. Однако применение данного облучателя осложняется тем, что волновод, питающий рупор, вызывает заметное затенение зеркала и искажает диаграмму направленности антенны. Облучатель зеркальной антенны имеет фазовый центр, который располагается в фокусе параболоида вращения.

_{Стационарная зеркальная антенна}

_{Исходные данные}

_{Рабочая длина волны:  = 3,2 см.}

Ширина диаграммы направленности одинаковая в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Допустимый уровень боковых лепестков: q = -23 дБ.

Полоса частот: 2%

Коэффициент направленного действия (коэффициент усиления): D=32 дБ

Коэффициент эллиптичности поля в случае вращающейся поляризации: 0.8

Сектор механической установки луча в обоих плоскостях обеспечивает прием геостационарного спутника в центральной полосе РФ

Тип облучателя рупорный

Длина линии передачи 1.5 м

Минимально допустимая величина КСВ 1.25

Антенна применяется для индивидуального приема ТВ, устанавливается на крышах, стенах, балконах зданий.

_{Расчёт основных характеристик и геометрических размеров антенны.}

Геометрические размеры зеркала:

По уровню боковых лепестков выбираем закон изменения поля в раскрыве зеркала:

0 - нормированное значение поля на краю раскрыва.

Радиус параболоида определим через коэффициент направленного действия, предварительно перейдя от дБ к разам:

10lgD=32

D=1584

где g - коэффициент использован6ия поверхности антенны, или эффективность g=0,6

R=26,2 см

S=R²=2156,5 см² - площадь раскрыва зеркала.

При указанном амплитудном распределении, ширина диаграммы направленности: 2_767*/2R.

2_7=4

При аппроксимации диаграммы направленности рупорного облучателя функцией cosⁿ() максимальная эффективность зеркальной антенны g=0,82 достигается при _=65, если n=1.

2_-угол раскрыва зеркала.

Фокусное расстояние зеркальной антенны:

f=20,6 см.

Глубина зеркала:

h=6,6см.

Диаграмма направленности рупорного облучателя:

Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркальной антенны пропорционально диаграмме направленности облучателя.

_{Координата раскрыва зеркала, соответствующая углу , рассчитывается так:}

Исходя из этого, получаем формулу для расчета диаграммы направленности облучателя:

Диаграмма направленности рупорного облучателя, построенная по известному закону изменения поля в раскрыве зеркала:

Ширина диаграммы направленности рупорного облучателя: 2_57

Для обеспечения вращающейся поляризации возьмем рупор с волной типа Н11, т.е. квадратный рупор

_{Найдём размеры раскрыва рупора с оптимальной длинной}

_{в плоскости Н: в плоскости Е:}

a =2,5 см. b =2,5см.

Зная размеры раскрыва рупорного облучателя, построим амплитудную диаграмму направленности рупора в плоскости Е, в построении диаграммы направленности нет надобности, т.к. продольные и поперечные размеры рупора совпадют

Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Е:

Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Е, построенная в полярной системе координат, и её аппроксимация функцией при n=1:

Амплитудное распределение поля вдоль зеркала:

Е(х)-амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала в зависимости от диаграммы направленности рупорного облучателя имеет вид:

_{,где F()-диаграмма направленности облучателя:}

_{Значение угла , соответствующее координате раскрыва зеркала x, рассчитывается так:}

После подстановки, амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала принимает вид:

A(x) - аппроксимирующая функция.

Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала, построенное в зависимости от

Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала, построенное в зависимости от диаграммы направленности рупорного облучателя, практически совпадает с аппроксимирующей функцией, что свидетельствует о правильном выборе самой аппроксимирующей функции и геометрических размеров зеркальной антенны.

Диаграмма направленности зеркальной антенны:

_{Диаграмма направленности антенны при =0=3,2 см.}

Ширина диаграммы направленности: 2_4,02.

_{Уровень боковых лепестков: q = -23 дБ.}

_{Диаграмма направленности антенны при =+5%=3,36 см.}

Ширина диаграммы направленности: 2_4,16.

_{Уровень боковых лепестков не изменился.}

_{Диаграмма направленности антенны при=5%=3,04 см.}

Ширина диаграммы направленности: 2_3,92.

_{Уровень боковых лепестков не изменился.}

_{При изменении рабочей длинны волны в пределах заданной полосы частот происходит незначительное расширение(сужение) диаграммы направленности при сохранении уровня боковых лепестков.}

Коэффициент полезного действия антенны (КПД):

Так как диаграмма направленности рупорного облучателя симметрична относительно оси антенны и может быть аппроксимирована функцией cosⁿ(), при n=1, то коэффициент полезного действия антенны () равен:

cos²ⁿ⁺¹(₀)

 = 0,925

Точность изготовления антенны:

Технические допуски на точность изготовления зеркальных антенн определяются допустимой величиной отклонения фазового фронта в раскрыве зеркала от синфазного. Источниками фазовых ошибок в раскрыве антенны могут быть:

1. отклонение формы зеркала от расчетной;

2. смещение фазового центра облучателя из фокуса параболоида;

3. отклонение волнового фронта поля облучателя от сферического;

При отклонении реального профиля зеркала от расчетного на величину  фазовая ошибка , возникающая в раскрыве зеркала, равна:

При <, искажения диаграммы направленности будут незначительны, откуда получаем следующий допуск на точность изготовления зеркала:

Максимальная точность выполнения профиля зеркала должна быть у вершины:

 0,2 см

При смещении из фокуса фазового центра облучателя вдоль оси параболоида, в раскрыве зеркала возникает ошибка:

Полагая <, получаем допустимое смещение облучателя из фокуса:

, где ₀=65 - угол раскрыва зеркала.

 0,693 см

При смещении облучателя вдоль оси параболоида фазовая ошибка в раскрыве зеркала имеет квадратичный характер. Поэтому направление основного лепестка диаграммы направленности остается неизменным, увеличивается лишь его ширина и возрастает уровень бокового излучения.

При небольшом смещении облучателя в направлении, перпендикулярном оси параболоида, в раскрыве зеркала возникает линейная фазовая ошибка, что приводит к отклонению диаграммы направленности зеркальной антенны от оси параболоида в сторону, противоположную смещению облучателя, на угол

=1,49.

Форма диаграммы направленности при этом не меняется, так как <2_,

где 2_4 - ширина диаграммы направленности антенны при несмещенном облучателе.

Расчет фидерного тракта антенны.

Параметры прямоугольного волновода:

В качестве фидерной линии в сантиметровом диапазоне волн применим прямоугольный (квадратный) волновод с волной Н₁₁. Поперечное сечение такого волновода имеет вид:

(квадратный) волновод с волной Н₁₁. Поперечное сечение такого волновода имеет вид:

При этом критическая длинна волны определяется так: _кр=2а.

Выбирая размеры поперечного сечения волновода, исходят из условия нахождения основной волны Н₁₁ в докритическом режиме, а высших типов волн, в частности Н₂₀ и Н₀₁, в закритическом режиме. Из этих условий следуют неравенства:

 размер обоих стенок: 0,6

Размеры a и b волновода: a=25 мм; b=25мм.

Материал стенок волновода - латунь.

Толщина стенок волновода 1мм.

Максимальная (предельная) мощность, пропускаемая волноводом с волной Н₁₁, определяется соотношением:

_{Епред=30 кВ/см - напряженность электрического поля, при которой происходит пробой в воздухе.}

Р_пред 2862 кВт.

Допустимой мощностью называют предельную мощность пропускания, умноженную на коэффициент запаса электрической прочности, учитывающий неоднородности, вызывающие местные концентрации электрического поля, климатические факторы и наличие стоячей волны. Допустимая мощность Р_доп определяется как: Р_доп = (1/3…1/5)Р_пред.

Р_доп=572,4 кВт.

Возбуждение волновода

_{Волновод возбуждаем двумя взаимно перпендикулярными стержнями, отношение между амплитудами возбуждения равно 1, возбуждение к штырю подводится коаксиальным кабелем. Найдем фазовый угол} ψ , через него определим расстояние между стержнями.

, где r коэффициент эллиптичности поля в случае вращающейся поляризации

Расстояние от штыря до закарачивающей стенки возьмем

Выбираем в качестве делителя мощности микрополосковый делитель мощности, т.к. принимаемая мощность антенны очень мала. Он представляет собой диэлектрическую пластину. В качестве диэлектрика возьмем фторопласт. В соответствии с гл. 15.6 уч. пособия "Антенны и устройства СВЧ. Проектирование ФАР" выбираем определяющие размеры двухплечевого делителя мощности

Сопротивление излучения штыря в нашем волноводе в режиме бегущей волны:

Список литературы.

1. Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию под редакцией Воскресенского Д. И, часть 1. МАИ, 1973.

2. Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию по антенно-фиддрным устройствам. под редакцией Воскресенского Д. И, часть 2. МАИ, 1973

3. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование ФАР подредакцией Воскресенского Д.И. "Радио и Связь" 1994.

4. Фельдштейн, Явич. Справочник по элементам волноводной техники. «Советское радио», 1967.

5. Воскресенский, Гостюхин, Пономарев, Максимов. Антенны и устройства СВЧ. МАИ, 1999.