МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КАФЕДРА 406

Курсовая работа

по дисциплине «антенны и устройства свч»

тема: расчёт и проектирование зеркальной антенны.

ВЫПОЛНИЛ:

Лизунков Д. П.

ГРУППА: 04-315

ПРОВЕРИЛ:

Пономарёв Л. И.

МОСКВА – 2003

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. В сантиметровом диапазоне волн широко используется двухщелевой облучатель, который представляет собой прямоугольный волновод, заканчивающийся прямоугольным резонатором с двумя симметрично расположенными полуволновыми щелями в его широкой стенке. Недостатком двухщелевого облучателя являются ограничения на относительно небольшую пропускаемою мощность, связанную с малой электрической прочностью щелей, и узкополосность облучателя, вызванная узкополосностью щелевых излучателей.

Электрическая схема антенны.

Геометрические размеры зеркала:

Исходя из уровня боковых лепестков, выбираем по таблице следующие параметры:

Ширина диаграммы направленности: 2_66*/2R.

Откуда R=16,5 см – радиус параболоида.

 - коэффициент использования поверхности (КИП) зеркальной антенны.

N=2; =0,67 – параметры, определяющие скорость спадания амплитудного распределения к краю круглого раскрыва.

При аппроксимации диаграммы направленности щелевого облучателя функцией cos²() максимальная эффективность зеркальной антенны g=0,82 достигается при _=56.

2_-угол раскрыва зеркала.

Фокусное расстояние зеркальной антенны:

f=14,8 см.

Глубина зеркала:

h=4,6 см.

Схема двухщелевого облучателя.

Двухщелевой облучатель имеет простую конструкцию и небольшие размеры, что обеспечивает незначительное затенение зеркала. Излучающие щели располагаются на резонаторе прямоугольного сечения, который возбуждается прямоугольным волноводом. Щели в резонаторе прорезают симметрично относительно питающего волновода и синфазно возбуждают. Для согласования с резонатором и уменьшения влияния его на поле, создаваемое щелями, питающий прямоугольный волновод сужается по узкой стенке. Для обеспечения герметизации облучателя щели закрываются пластинками из диэлектрика. Для улучшения согласования питающего волновода и резонатора со щелями в широкую стенку резонатора напротив разветвления ввинчивается реактивный штырь.

Расстояние между щелями d подбирается таким образом, чтобы диаграммы направленности облучателя в плоскостях Е и Н мало отличались (d = /2 = 2 см.). Длина щелей выбирается резонансной (2l  0,48 = 1,92 см.). Ширина щели d1 рассчитывается из условия обеспечения необходимой электрической прочности и требуемой полосы пропускания:

P=1 кВт – подводимая к антенне мощность.

N=2 – количество щелей.

, в – длина волны в генераторе и прямоугольном волноводе.

a, b – размеры волновода.

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

d1=0,1 см.

С учетом обеспечения необходимой полосы пропускания в 4% d1=0,2 см.

Диаграмма направленности щелевого облучателя:

d=/2 – расстояние между щелями.

k=2/ - волновое число.

Диаграмма направленности облучателя в плоскости Н:

Диаграмма направленности облучателя в плоскости Е:

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:}

A(x) - аппроксимирующая функция.

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

Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала, построенное в зависимости от диаграммы направленности облучателя, практически совпадает с аппроксимирующей функцией, что свидетельствует о правильном выборе облучающей системы.

Диаграмма направленности зеркальной антенны:

Диаграмма направленности зеркальной антенны может быть аппроксимирована следующей функцией:

_{J1, Jn-функции Бесселя первого и n-ого порядка.}

_{Диаграмма направленности антенны при =0=4 см.}

Ширина диаграммы направленности: 2_7,9.

_{Уровень боковых лепестков: q = 0,0468 (или -26,6 дБ).}

_{Диаграмма направленности антенны при =4%=3,84 см.}

Ширина диаграммы направленности: 2_7,68.

_{Уровень боковых лепестков не изменился.}

_{Диаграмма направленности антенны при=4%=4,16 см.}

Ширина диаграммы направленности: 2_8,36.

_{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 усиления антенны (КУ):

КУ (G) антенны показывает во сколько раз необходимо увеличить подводимую мощность при переходе от направленной антенны к абсолютно ненаправленной антенне, чтобы получить то же значение напряженности поля в точке приема.

Коэффициент усиления зеркальной антенны равен:

S = R² =855,3 см²– площадь раскрыва.

 - КИП антенны.

g = эффективность зеркальной антенны.

 - коэффициент полезного действия антенны.

Так как угол раскрыва зеркала был выбран из условия максимальной эффективности антенны, то при g=0,82 КУ будет равен: G = 597,694.

Коэффициент направленного действия антенны (КНД):

КНД (D) является мерой концентрации излучения в пространстве, которое осуществляется антенной. КНД – это число, показывающее во сколько раз необходимо увеличить мощность излучения при переходе от данной антенны к абсолютно ненаправленной антенне, чтобы сохранить неизменной напряженность поля в точке приема.

Коэффициент направленного действия зеркальной антенны равен:

D = 641,428.

Коэффициент полезного действия антенны (КПД):

Коэффициент полезного действия может быть рассчитан как отношение КУ антенны к её КНД: G/D.



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:

 0,25 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=56 – угол раскрыва зеркала.

 1,134 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

=3,94.

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

где 2_7 – ширина диаграммы направленности антенны при несмещенном облучателе.

Коэффициент усиления антенны с учетом неточности изготовления зеркала:

При практической реализации зеркало антенны всегда выполняется с некоторыми погрешностями. Отклонение  профиля реального зеркала от идеального при правильно организованном технологическом процессе, как правило, имеет случайный характер. Максимальная величина случайной ошибки определяется уровнем технологии и для зеркальных антенн с вероятностью 99% может быть определена следующим образом:

n=3 для обычного серийного производства; n=4…5 – при специальной технологии.

Можно считать, что отклонение профиля  подчиняется нормальному закону распределения с нулевым средним значением и дисперсией ()². При этом с вероятностью 99% максимальное отклонение профиля равно:

Дисперсия фазовой ошибки в раскрыве, обязанная случайному характеру , равна:

² =0,002 при n=3.

С учетом этого коэффициент усиления зеркальной антенны будет равен:

G =596,5.

Расчет фидерного тракта антенны.

Параметры прямоугольного волновода:

В сантиметровом диапазоне волн в качестве фидерной линии применяют прямоугольные волноводы с волной Н₁₀. Выбирая размеры поперечного сечения волновода, исходят из условия нахождения основной волны Н₁₀ в докритическом режиме, а высших типов волн, в частности Н₂₀ и Н₀₁, в закритическом режиме.

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

Размер широкой стенки волновода: 0,6

Размер узкой стенки волновода: b</2; b<2см; b=1,5см.

Толщина стенок 1,5мм.