Министерство образования Российской Федерации
УГТУ-УПИ имени С.М. Кирова
Кафедра ВЧСРТ
группа Р-398
оценка
двухзеркальная антенна
по схеме кассергена
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
КУРСОВОй ПРОЕКТ
по курсу: Устройства СВЧ и Антенны
201600 000000 013 ПЗ
Зачётная книжка №: 09832013
Студент: Аникин К. С.
14.04.14
подпись дата
Руководитель: Наймушин М. П.
подпись
дата
ЕКАТЕРИНБУРГ
2001год
содержание
введение..................................................................................................... 1
1. исходные данные и задание на проектирование....... 2
2. Расчёт основных конструктивных элементов антенны и линии передачи...................................................................................... 3
2.1. расчёт размера рефлекторов, фокусных расстояний, угловых размеров. 3
2.2. расчёт размеров облучателя.................................................... 6
2.3. выбор типа линии передачи и расчёт её параметров............. 9
3. электрические характеристики антенны...................... 13
3.1. диаграмма направленности облучателя................................ 13
3.2. поле в раскрыве рефлекторов................................................ 15
3.3 диаграмма направленности и коэффициент усиления всей антенны. 16
4. конструкция антенны............................................................... 17
заключение............................................................................................. 18
библиографический список.......................................................... 19
приложение 1. (Д.Н. облучателя).......................................................... 20
приложение 2. (Распределение поля в раскрыве)................................. 21
приложение 3. (Д.Н. всейантенны)....................................................... 22
приложение 4. (Конструкция облучателя)............................................ 23
приложение 5. (Общий вид антенны).................................................... 24
приложение 6. (Профили сечения зеркал)............................................ 25
введение
Зеркальные антенны являются наиболее распространёнными остронаправленными антеннами. Их широкое применение в самых разнообразных радиосистемах объясняется простотой конструкции, возможностью получения разнообразных видов Д.Н., высоким КПД, малой шумовой температурой, хорошими диапазонными свойствами и т.д. В радиолокационных применениях зеркальные антенны позволяют легко получить равносигнальную зону, допускают одновременное формирование нескольких Д.Н. общим зеркалом (в том числе суммарных и разностных). Некоторые типы зеркальных антенн могут обеспечивать достаточно быстрое качание луча в значительном угловом секторе. Зеркальные антенны являются наиболее распространённым типом антенн в космической связи и радиоастрономии, и именно с помощью зеркальных антенн удаётся создавать гигантские антенные сооружения с эффективной поверхностью раскрыва, измеряемой тысячами квадратных метров.
Двухзеркальня антенна по схеме Кассегрена представляет собой систему состоящую из двух отражающих поверхностей – софокусных параболоида и гиперболоида – и облучателя, установленного во втором фокусе гиперболоида. Все расстояния по ломанной линии от фокуса до раскрыва одинаковы, что обеспечивает синфазность поля в раскрыве. Двухзеркальная антенна является более компактной, чем однозеркальная, и обеспечивает более равномерное распределение возбуждения по раскрыву, а также является более помехозащищённой, даёт возможность укоротить тракт СВЧ, и разместить основную часть конструкции облучателя за зеркалом, что особенно удобно в моноимпульсных радиолокаторах. При оптимизации размеров облучателя и малого зеркала удаётся получить КИП (0,60¸0,65). Недостаток системы – затенение раскрыва малым её зеркалом, а также обратная реакция малого зеркала на облучатель.
Принцип работы двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена состоит в том, что электромагнитное поле от облучателя, отражаясь от второго зеркала (гиперболоида) попадает на поверхность первого зеркала (параболоида), аотражённое о него, наконец, излучается в пространство причём вид излучаемого в простанство поля совпадает с полем излучаемым плоской синфазной поверхностью.
1. исходные данные и задание на проектирование
Выбрать и расчитать:
-Параметры облучателя;
-Основные геометрические размеры зеркал;
-Распределение поля в раскрыве;
-Диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
-Линию передачи;
-Коэффициент усиления и эффективность антенны;
-Профили сечения зеркал.
Вычертить:
-Конструкцию облучателя;
-Общий вид антенны;
-Профили сечения зеркал.
Расчётный вариант №42.
В данном варианте при расчётах необходимо учесть и придерживаться следующих исходных данных:
-Частота F,
ГГц.11
-Ширина диаграммы направленности D
q
по уровню –3дБ
(град.)1,5
-Уровень боковых лепестков d
в дБ
. -
23
-Мощность передатчика в импульсе PИ
, кВт
.80
-Коэффициент усиления ‑‑
-Тип облучателя:
диэлектрическая антенна.
2. Расчёт основных конструктивных элементов антенны и линии передачи
2.1. расчёт размера рефлекторов, фокусных расстояний, угловых размеров.
Перед началом расчётов основных конструктивных параметров зеркал двух зеркальной антенны по схеме Кассегрена рассмотрим рисунок 2.1.
, на котором показаны основные параметры зеркал.
Рис. 2.1. Эквивалентный параболоид.
На рисунке 2.1.
: e
– эксцентриситет гиперболического зеркала; y
0
– угол раскрыва большого зеркала (или параболоида); j
0
– угол зрения на малое зеркало (или угол раскрыва эквивалентного параболоида); f
– фокусное расстояние большого зеркала (или параболоида); f
Э
– фокусное расстояние эквивалентного параболоида; r
j
‑ расстояние до второго фокуса гиперболоида; r
y
‑ расстояние до первого фокуса гиперболоида; D
– диаметр раскрыва большого зеркала (или параболоида); d
– диаметр раскрыва малого зеркала (или гиперболоида).
Эксцентриситет гиперболического зеркала определяется соотношением:
(2.1.) И поскольку для нашей антенны выбраны j
0
=15
°
, а y
0
0
=90
°
,
то значение эксценнтриситета e
=1,303.
С учётом того, что нам заданы: ширина диаграммы направленности по уровню (–3дБ),
т.е.
D
q
‑3дБ
=1,5
°
и уровень боковых лепестков d
=-23 дБ
и с учётом расчётных соотношений для круглого раскрыва, которые предоставлены в [1] (таблица 3.2, с. 26), рассчитаем диаметр большого зеркала D
воспользовавшись соотношением:
(2.2.) ‑ где l
с в
длина волны в свободном пространстве.
(2.3.) ‑ где С
– скорость света 3
×
108
м/с
, а F
– заданная рабочая частота антенны 11 ГГц.
Таким образом, получаем расчётное значение диаметра раскрыва большого зеркала:
D=1290,023мм.
Используя соотношение, связывающее диаметр раскрыва большого зеркала D
, угол раскрыва большого зеркала y
0
и фокусное расстояние большого зеркала f
, описанное в [1] на с. 23, найдём фокусное расстояние большого зеркала по формуле:
(2.4.)
Воспользовавшись соотношениями 3.16 на с. 30 в [1] рассчитаем f
Э
по формуле:
(2.5.)
Используя соотношение 3.17 (тот же источник, и та же страница) произведём расчёт по формуле:
(2.6.)
Используя соотношения 3.18 и 3.19 из [1] с 31 найдём r
y
и r
j
по формулам:
36,85мм. (2.7.)
280,042мм. (2.8.)
Профиль сечения зеркал z
(
x
)
определяется для большого зеркала из уравнения параболоида вращения в прямоугольной системе координат (
x
,
y
,
z
)
, имеющего вид:
(2.9.)
а для малого зеркала из уравнения гиперболоида вращения:
(2.10.)
Здесь: ; ; c
=a
×
e
Размеры теоретически рассчитанных профилей сечения зеркал незначительно отличается от рассчитанных по программе (смотрите приложение 6), поскольку для обеспечения заданной D
q
пришлось уменьшить теоретически рассчитанное по (2.4) фокусное расстояние f до 290мм., воспользовавшись при этом методическими указаниями из [1] с. 44, в которых говорится о том, что если расчётная ширина главного лепестка или коэффициента усиления антенны отличается от заданных значений на (10 ‑ 20)%, то можно произвести коррекцию зеркал, умножая все их линейные размеры на отношение:
D
q
ПОЛУЧЕННОЕ
/ D
q
ЗАДАННОЕ
При этом, размеры облучателя и угловые размеры зеркальной системы остаются неизменными и сохраняется функция распределения поля и уровень боковых лепестков.
2.2. расчёт размеров облучателя.
В нашем случае в качестве облучателя в двухзеркальной антенне по схеме Кассегрена используется диэлектрическая стержневая антенна (вид антенн бегущей волны). Как и все антенны бегущеи волны стержневая диэлектрическая антенна реализует режим осевого излучения и выполняется на осное замедляющей системы, способной поддерживать поверхностные волны. Диэлектрические стержневые антенн применяются на частотах от 2ГГц и выше и представляют собой диэлектрические стержни (иногда трубки ) круглого или прямоугольного поперечного сечения длиной L
(смотрите рис. 2.2.
) длиной несколько длин волн, возбуждаемые отрезком круглого или прямоугольного металлического волновода. В диэлектрическом стержне используется низшая гибридная замедленная электромагнитная волна HE11
(смотрите рис. 2.3.
). Наибольшее распространение получили диэлектрические антенны со стержнем круглого сечения, вставленным в круглый волновод.
Рис. 2.2. Диэлектрические стержневые антенны.
На рисунке 2.2
.: а) цилиндрическая; б) коническая;
D
1
=
dMAX
;
D
2
=
dMIN
; 1 – цилиндрический стержень (или трубка); 2 ‑ конец круглого волновода.
На частотах менее 3 ГГц круглый волновод обычно возбуждается от коаксиального кабеля (при этом диэлектрическая антенна – цилиндрический стержень), а на частотах выше 3 ГГц чаще используется волноводное возбуждение с плавным переходом от прямоугольного волновода к круглому (при этом диэлектрическая антенна – конический стержень).
В нашем случае рабочая частота 11 ГГц, поэтому в качестве облучателя зеркальной антенны будем использовать диэлектрическую стержневую антенну конической формы. Кроме того, диэлектрические стержни формы выбираются конической формы для уменьшения отражения поля от конца диэлектрической антенны и снижения уровня боковых лепестков (в волноводе коническая часть стержня, не учитывающаяся при расчёте длины диэлектрической антенны L
и равная 1,5
×
l
В
, где ×
l
В
‑ длина волны в волноводе, так же используется для уменьшения отражения поля от конца диэлектрического стержня большего диаметра поперечного сечения). Материал конического диэлектрического стержня выберем фторопласт с относительной диэлектрической проницаемостью e
r=2
. Расчитаем размеры данного облучателя.
Диэлектрическая антенна, как антенна бегущей волны имеет максимальный коэффициент направленного действия КНД (см. [1] с. 9):
=6,971 (2.11.)
Для эффективного возбуждения стержня его начальный диаметр должен быть в соответствие с соотношением из [1] на с. 10 приблизительно равен:
=15,38 мм. (2.12.)
Фазовая скорость волны в конце стержня должна соответствовать фазовой скорости волны в свободном пространстве и в соответствие с выражением из [1] на с. 10 диаметр конца диэлектрического стержня обращённого во внешнее пространство определяется по формуле:
=9,72 мм. (2.13.)
Поскольку диаметр сечения диэлектрического стержня переменный то необходимые значения L
, и d
расчитываются исходя из предположения, что x
ОПТ
определяется средним значением диаметра стержня:
=12,55 мм. (2.14.)
На основе рассчитанного среднего диаметра d
СР
диэлектрического стержня выберем оптимальный коэффициент замедления фазовой скорости волны в стержне (близкий к 1) из рис. 1.6 в [1] на с. 9 (из рисунка видно, что величина замедления зависит от диаметра и материала стержня) x
ОПТ
@0,95, т.е. используя соотношение 1.7 из [1] можем расчитать длину диэлектрического стержня по формуле:
=258,91 мм. (2.15.)
Для того, чтобы в стержне не возбуждались высшие типы волн искажающие диаграмму направленности диэлектрической стержневой антенны, необходимо выполнять соотношение:
(2.16)
У нас это соотношение выполняется т.к. d= 12,55 мм.< 33,25 мм.
Рис. 2.3. Структура поля гибридной волны HE11
.
2.3. выбор типа линии передачи и расчёт её параметров.
В качестве линии передачи выберем прямоугольный волновод с размерами а
и b
(а
-широкая стенка волновода, b
-узкая стенка волновода), который вместе с плавным переходом от волновода прямоугольного сечения к круглому и диэлектрической конической стержневой антенной (облучателем) образует линию питания антенны.
В прямоугольном волноводе могут распостраняться волны электрических (Emn
, m
,
n
=
l,2,3,...) и магнитных (Н
mn
, m
,
n
=l,2,3...)типов. Электромагнитная волна тип
mn
(
Hmn
)
распостраняется по волноводу, если выполняется условие:
(2.17.) для частоты.
(2.18.) для длины волны
Где:
(2.19.) ‑ критическая частота волны типа E
mn
(
Hmn
)
(2.20.) ‑ критическая длина волны типа E
mn
(
Hmn
)
m, n
‑ индексы, показывающие число вариаций (полуволн) компонентов поля соответственно вдоль осей X
и Y
.
Волну, обладающую в волноводе заданных размеров а
и b
наименьшей критической частотой, называют основной волной. Все остальные волны называются волнами высших типов. Из формул (2.19.), (2.20.) следует, что при a
>
b
основной волной будет волна Н10
.
На рисунке 2.4.
изображено распределение поля основной волны Н10
в прямоугольном волноводе.
Рис. 2.4. прямоугольный волновод.
Рис. 2.4.
Структура поля основной волны Н10
в прямоугольном волноводе (———— линии электрического поля; — — — линии магнитного поля).
Исходя из мощности передатчика в импульсе и частоты генератора линии питания, из таблицы 7.7 [5] с. 186 выберем волновод R-120
со следующими параметрами:
- Номинальные размеры:
а
=19,03
мм., b
=9,525
мм.;
- Критическая частота волны Н10
, fKP
= 7,869
ГГц;
- Рабочий диапазон частот 1,25fKP
…1,9fKP
, для волны Н10
=9,84...15,0
ГГц;
- Номинальная рабочая частота 1,5fKP
=11,8
ГГц;
- Теоретическое затухание меди на 1,5fKP
‑ a
=0,133
дБ/м
;
- Пробивная мощность РПР
=0,201
МВт;
- Номинальная толщина стенки S
=1,27
мм.;
- Погонная масса трубы m =0,72
кг.
Для основной волны Н10
:
мм. (2.21.)
мм.(2.22.)
Следующей по критической частоте в выбранном прямоугольном волноводе будет волна Н20
с (). (2.23.)
Диапазон частот, при которых в волноводе может распространяться только основная волна Н10
, задается неравенством:
(2.24.)
7,877<
f
<15,754
ГГц.
Следовательно, в выбранном волноводе в одномодовом режиме на заданной частоте 11 ГГц будет распространяется с волна Н10
, а другие типы волн на данной частоте в прямоугольном волноводе распространяться не будут.
Возбуждение волны Н11
в круглом волноводе возможно с помощью плавного перехода с постепенной деформацией поперечного сечения от прямоугольного волновода к круглому. Для того, что бы влияние отражения было незначительным, длину такого перехода берут 2
×
l
СВ
.
Теперь необходимо выбрать круглый волновод для того чтобы питать облучатель.
Рассчитанный ранее конец стержня конической диэлектрической антенны с наибольшим диаметром поперечного сечения 15,38 мм. и будет приблизительно определять диаметр поперечного сечения круглого волновода.
Выбираем круглый волновод из таблицы 7.14 [5] на с. 193 С‑120 который имеет следующие конструктивные и электрические параметры:
- Критическая частота ГГц колебаний вида:
H11
: ‑ 10,0;
Е01
: ‑ 13,1;
H21
: ‑ 16,7;
H
01
: ‑ 20,9;
- Внутренний диаметр в мм.:
Номинал – 17,475;
Допуск – 0,017;
- Номинальная толщина стенок в мм. – 1,27.
- Частота в ГГц – 12,07;
- Затухание колебаний вида H
11
вдБ/м
:
Теоретически рассчитанное – 0,1524;
- Затухание колебаний вида H
11
вдБ/м
максимальное значение отсутствует в таблице.
Структура поля волны H
11
в круглом волноводе имеетвид такой же как на рис. 2.5.
Рис. 2.5.Структура поля
H
11
в круглом волноводе
Рис. 2.5. Структура поля H11
в круглом волноводе:(———— линии элек-трического поля; — — — линии магнитного поля.
Электромагнитная волна типа E
mn
(
Hmn
)
распостраняется по волноводу, если ыполняется условие (2.18.).
Критическая длина волны для волн типа Hmn
определяется из соотношения:
(2.25.)
где ‑ h
m
n
– «n
»-ый корень производной функции Бесселя «m»-го –порядка.
Для волн типа E
mn
:
(2.26.)
где ‑x
mn
– «n
»-ый корень функции Бесселя «m
»-го порядка.
Расчитаем критические длины волн для волн, которые могут распостраняться на частоте 11 ГГц в выбранном круглом волноводе.
Для основной волны H
11
:
29,298 мм.
Для волны E
01
22,88 мм.
Для волны H
21
:
17,95 мм.
Для волны H
01
:
14,34 мм.
Волны E
01
, H
21
, H
01
, на зданной частоте распосграняться не будут, так как не выполняется условие (2.18).
Примерный вид конструкции спользуемого для согласования плавного перехода от прямоугольного волновода к круглому изображён на рис. 2.6
. и в приложении 4.
Рис. 2.6. Конструкция плавного перехода с прямоугольного волновода с сечением 48´24 мм. на круглый диаметром 70 мм.
3. электрические характеристики антенны.
3.1. диаграмма направленности облучателя.
Как было определено ранее, в качестве облучателя зеркальной антенны был выбран конический диэлектрический стержень (он изображён на рис. 2.4., причём в центре осей координат расположен фазовый центр диэлектрической антенны и второй фокус гиперболоида (или малого зеркала), а также угол q
=
j
0
, где j
0
– угол зрения на край малого рефлектора).
рис. 2.4.
Диаграмма направленности диэлектрической антенны изображённой на рис. 2.4. может быть рассчитана по приближённой формуле:
(2.27.)
Где угол q
отсчитывается от оси диэлектрического стержня, а также:
‑ в плоскости (2.28.)
‑ в плоскости (2.29.)
Ширину главного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности приближённо можно рассчитать по формуле:
= 22,72° (2.30.)
Расчётные формулы взяты из [1] на с. 10
Диаграмма направленности диэлектрической антенны должна получиться такой, чтобы нули главного лепестка приходились на такой угол q
,
что нулевое излучение диэлектрической антенны приходилось на края гиперболоида.
Рассчитанная диаграмма направленности изображена в приложении 1.
3.2. поле в раскрыве рефлекторов.
Наиболее просто направленные свойства параболической антенны рассчитываются так называемым апертурным методом, т.е. по полю в её раскрыве.
При установке в фокусе главного рефлектора облучателя с диаграммой направленности FОБЛ
(y,a) в раскрыве зеркала наводится синфазное поле с амплитудным распределением и это амплитудное распределение поля можно рассчитать воспользовавшись формулой из [1] на с. 23, которая учитывает, что облучателем параболоида является гиперболоид:
(2.31.)
При этом координаты точек раскрыва xp
,
yp
,
fp
,
a
p
связаны с углами y
и a
соотношениями, обусловленными геометрией задачи (смотрите рис. 2.5.
):
(2.32.)
(2.33.)
(2.34.)
(2.35.)
Рассчитанное по этим формулам амплитудное распределение поля в раскрыве рефлекторов изображено в приложении 2.
3.3 диаграмма направленности и коэффициент усиления всей антенны.
По известному полю в раскрыве рефлекторов рассчитывается F(
q,
j)
по формуле:
(3.1.)
Где:
(3.2.);
S
‑ поверхность раскрыва;
ST
– площадь проекции на раскрыв затеняющих элементов.
Коэффициент усиления антенны с учётом апертурного коэффициента исполизования gа
(или КИП), обусловленного амплитудной неравномерностью поля в раскрыве, и коэффициента перехвата мощности облучателя зеркалом gп
рассчитывается по формуле:
(3.3.)
Где:
(3.4.)
Общая эффективность антенны gа
=gа
×
gп
определяется из соотношения:
(3.5.)
Все расчётные соотношения взяты из [1] на с. 23-24.
Рассчитанная диаграмма направленности всей антенны по схеме Кассегрена вместе с параметрами изображена в приложении 3.
4. конструкция антенны.
С учетом рисунка 4.1. и 4.2.,
атакже рассчитанных ранее размеров рефлекторовв соответствующем пункте 2
предлагается, конструкцияантенны (смотрите приложение 5
) позволяющая реализовать данную антенну.
Рис. 4.1. Двухзеркальная параболическая антенна по схеме Кассегрена.
а – схема и ход лучей; б – распределение излучающих токов по радиусу.
заключение.
В ходе курсового работы была спроектирована двухзеркальная параболическая антенна по схеме Кассегрена и произведены основные расчеты параметров, характеризующих работу антенны, построены диаграммы направленности всей антенны и облучателя, т.е. стержневой конической диэлектрической антенны.
В процессе проектирования удалось реализовать антенно-фидерное устройство удовлетворяющее исходным данным курсового проекта, а именно обеспечить работу двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена на частоте 11 ГГц с шириной ДН D
q
по уровню –3 дБ
в 1,5 градуса с уровнем боковых лепестков не более –18,3 дБ
, коэффициентом усиления 41 дБ
и коэффициентом использования поверхности КИП равным 0,704. Все основные рассчитаные данные имеются на рисунке в приложении 6
.
Было выяснено, что:
- Ширина диаграммы направленности синфазного раскрыва обратно пропорциональна размеру раскрыва, выраженного в длинах волн, а также зависит от его формы и распределения поля на нём;
- Чем сильнее спадает поле в раскрыве к его краям, тем при тех же размерах антенны больше ширина главного лепестка и ниже уровень боковых лепестков;
- Затенение раскрыва зеркала облучателем, или другими элементами антенны может значительно повысить уровень боковых лепестков по сравнению с незатенённым раскрывом;
- Фазовый центр облучателя должен совпадать со вторым фокусом гиперболоида и незначительные сдвиги или изменение размеров облучателя сильно влияют на диаграмму направленности и распределение поля в раскрыве главного рефлектора антенны;
- В качестве облучателей параболической антенны по схеме Кассегрена могут использоваться простые слабонаправленные облучатели: рупорные, вибраторные, спиральные, щелевые, полосковые.
- Форма диаграммы направленности облучателя должна соответствовать форме раскрыва главного зеркала. Необходимый спад интенсивности облучения к краям зеркала обусловлен двумя факторами: общей интенсивностью антенны и уровнем боковых лепестков (УБЛ).
Так же в ходе курсового проектирования был лучше изучен и закреплен материал курса СВЧ устройства и антенны и получен ценный практический опыт по расчёту основных параметров двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена.
библиографический список.
Литература: [1], [2], [3], [4], [5].
1. «Проектирование антенных систем СВЧ: Методические указания и задания к курсовому проекту для студентов всех форм обучения радиотехнических специальностей». Составители: Наймушин М.П., Панченко Б.А., Шабунин С.Н.; Научный редактор проф., д – р. техн. наук Панченко Б.А. Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 1993 год 48 с.
2. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. «Антенно-фидерные устройства». Изд. Сов. радио, 1974. 536 стр.
3. Жук М.С., Молочков Ю.Б. «Проектирование антенно-фидерных устройств». М.: Энергия, 1996 год 648 с.
4. Сазонов Д.М. «Антенны и устройства СВЧ: Учебник для радиотехнических специальных вузов». М.: Высш. шк., 1988. ‑ 432 с.: ил. ISBN 5‑06‑001149‑6.
5. «Справочник конструктора РЭА: Компоненты, механизмы, надёжность». Барканов Н.А., Бердычевский Б.Е., Верхопятницкий П.Д. и др.; Под. ред. Варламова Р.Г. – М.: Радио и связь, 1985 – 384 с., ил. Впер.: 2р. 40000 экз.
|
|
приложение 1. (Д.Н. облучателя).
|
|
приложение 2. (Распределение поля в раскрыве).
|
|
приложение 3. (Д.Н. всейантенны).
приложение 4.
(Конструкция облучателя).
приложение 5.
(Общий вид антенны).
приложение 6.
(Профили сечения зеркал).