Реферат: Двухзеркальная антенна по схеме Кассергена

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 P_И , 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.

На рисунке 2.2 .: а) цилиндрическая; б) коническая; D ₁ = d_MAX ; D ₂ = d_MIN ; 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.

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 (E_mn , m , n = l,2,3,...) и магнитных (Н _mn , m , n =l,2,3...)типов. Электромагнитная волна типа E _mn ( H_mn ) распостраняется по волноводу, если выполняется условие:

(2.17.) для частоты.

(2.18.) для длины волны

Где:

(2.19.) ‑ критическая частота волны типа E _mn ( H_mn )

(2.20.) ‑ критическая длина волны типа E _mn ( H_mn )

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 , f_KP = 7,869 ГГц;

- Рабочий диапазон частот 1,25f_KP …1,9f_KP , для волны Н₁₀ =9,84...15,0 ГГц;

- Номинальная рабочая частота 1,5f_KP =11,8 ГГц;

- Теоретическое затухание меди на 1,5f_KP ‑ a =0,133 дБ/м ;

- Пробивная мощность Р_ПР =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 ( H_mn ) распостраняется по волноводу, если ыполняется условие (2.18.).

Критическая длина волны для волн типа H_mn 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.

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 F_ОБЛ (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 x_p , y_p , f_p , 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;

S_T – 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 g_п рассчитывается по формуле:

(3.3.)

Где:

(3.4.)

Общая эффективность антенны g_а =g_а × g_п 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.

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 4. (Конструкция облучателя).

приложение 5. (Общий вид антенны).