Министерство образования Российской Федерации
Таганрогский Технологический Институт
Южного Федерального Университета
Кафедра АиРПУ
Курсовой проект
на тему: «Проектирование зеркальных антенн и устройств СВЧ».
Таганрог 2007
Техническое задание
Рассчитать антенну, предназначенную для радиолокационного спидометра.
Технические условия
1. Ширина основного лепестка диаграммы направленности по уровню 0,5 в рабочем диапазоне:
а) в плоскости Н 2,8 град
б) в плоскости Е 3,4 град
2. Рабочий диапазон 10300±5% МГц
3. Уровень 1-го бокового лепестка (по отношению к основному по мощности):
а) в плоскости Н -26,6 дБ
б) в плоскости Е -22,8 дБ
4. Поляризация поля вертикальная
5. Длина фидера 3,1 м
6. КСВ в тракте, не более 1,07
7 Мощность передатчика в импульсе .500Е - 03 кВт
8. Устройство СВЧ: балансный смеситель
Содержание
Введение
1. Выбор формы раскрыва зеркала
2. Выбор функции амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала
3. Расчет размеров раскрыва
4. Расчет ДН облучателя
5. Выбор и проектирование облучателя
6. Проектирование рупорного облучателя
7. Расчет реального распределения поля и ДН зеркала
Введение
Зеркальные антенны являются наиболее распространенными типом направленных антенн в сантиметровом, дециметровом и отчасти метровом диапазонах волн. Широкое использование зеркальных антенн объясняется простотой конструкции, возможностью получения почти любого применяемого на практике типа ДН, высоким КПД, малой шумовой температурой, хорошими диапазонными свойствами и т.д.
В зеркальных антеннах применяются следующие основные типы зеркал: параболические (параболоид вращения, усеченный параболоид, параболический цилиндр), сферические, плоские и уголковые, специальной формы, двух- и многозеркальные.
В радиолокационных применениях зеркальные антенны позволяют легко получить равносигнальную зону, допускают одновременное формирование нескольких ДН 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 распространенным типом антенн в космической связи и радиоастрономии, и именно с помощью зеркальных антенн удается создавать гигантские антенные сооружения с эффективной поверхностью раскрыва, измеряемой тысячами квадратных метров.
1. Выбор формы раскрыва зеркала
Последовательность расчета излучающей части зеркальной антенны (ЗА) зависит от характера технического задания (ТЗ) на проектирование.
Как правило в ТЗ заданы целевое назначение антенны, рабочая частота и требования к направленным свойствам ЗА, которые необходимо проанализировать.
Классическими представителями зеркальных антенн являются параболические антенны, которые могут выполняться в виде параболоида вращения, параболического цилиндра или закрытой конструкции, ограниченной параллельными проводящими плоскостями.
Для выбора формы раскрыва антенны необходимо проанализировать отношение ширины ДН в плоскости Е и Н. Для моего варианта это отношение
3.4/2.8 = 1.21 < 2
Следовательно, форму раскрыва зеркала выбираем круглую. Это может быть параболоид вращения, он возбуждается слабонаправленным облучателем (например, рупором), помещенным в фокусе зеркала, и преобразует сферический фронт волны в плоский.
Принцип работы параболической антенны состоит в следующем: она состоит из металлического отражателя (рефлектора) 1, облучателя 2, помещаемого в фокусе параболоида вращения, и питающего фидера 3 (рис. 1.).
Рис. 1.
Облучатель антенны выполняется так, чтобы почти вся излучаемая им энергия направлялась в сторону отражателя. Электромагнитные волны возбуждают на его поверхности высокочастотные токи, которые создают свои электромагнитные поля. Так как отражающей поверхности придается параболическая форма, сумма расстояний от фокуса до поверхности отражателя и от отражателя до плоскости, перпендикулярной фокальной оси, является постоянной величиной, поэтому к поверхности раскрыва антенны переизлученные колебания приходят в одной и той же фазе.
В результате сложения отраженных колебаний в раскрыве антенны образуется и затем распространяется вдоль ее оси плоская волна.
Укажем основные геометрические параметры параболических зеркал:
R, f - радиус и фокусное расстояние зеркала; y0
- угол раскрыва зеркала;
p(Y) - профиль зеркала; x-координата точки в раскрыве зеркала. Эти параметры связаны между собой простыми соотношениями:
2. Выбор функции амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала
Выберем функцию амплитудного распределения в соответствии с заданным условием из таблиц.
, где p=2 Δ=0.7
, где p=2 Δ=0.6
Графики соответствующих распределений:
Рис. 2 Распределение поля в Н - плоскости раскрыва.
Рис. 3 Распределение поля в
E
- плоскости раскрыва.
3. Расчет размеров раскрыва
Размеры раскрыва зависят от ширины ДН, рабочей длины волны и выбранных функций распределения.
Коэффициенты в двух плоскостях:
Ширина ДН в двух плоскостях из ТЗ:
Найдем длину волны:
Найдем размеры:
Выберем радиус по большему размеру: R = b/2, R = 35 см.
Для обеспечения заданной ширины диаграммы направленности в качестве раскрыва возьмем симметрично-усеченный параболоид вращения.
4. Расчет ДН облучателя
В параболоиде вращения (или усеченном параболоиде вращения) облучатель должен создавать сферическую волну. У такой волны амплитуда убывает с увеличением расстояния r от источника (облучателя)
Исходя из сказанного выше, связь ДН облучателя f(y) и поля в раскрыве с точностью до постоянного множителя можно записать в виде:
,
где .
Нормируя ДН по максимуму fмакс
(y) = r(0) Е(0) = f, получим расчетную формулу для нормированной ДН облучателя:
.
Из рис. 1 видно, что
,
.
Видно, что нормированную координату x нужно находить по следующей формуле:
.
Значение y0
выбирают ориентировочно в пределах 58° – 62°. Это дает возможность обеспечить в дальнейшем достаточно высокий КИП при сравнительно небольших размерах облучателя, и, как следствие, с меньшим затенением зеркала. С уменьшением y0
необходимая ДН облучателя может получится настолько широкой, что размеры облучателя станут меньше, чем, например, даже у открытого конца волновода. Зададимся углом раскрыва в плоскости Е: .
Знание угла и размера раскрыва позволяет найти фокусное расстояние зеркала по формуле:
, f = 30.174 см.
Так как фокусное расстояние параболоида вращения (или усеченного параболоида) в другой плоскости должно быть таким же, то угол раскрыва в другой плоскости определяется автоматически через fи размер b в этой плоскости. Поскольку , то , .
Далее, рассчитываем ДН облучателя в плоскостях Е и Н соответственно:
,
где
,
где
Рис. 4. ДН облучателя в плоскости Е
Рис. 5. ДН облучателя в плоскости Н
Из рис. 4 и рис. 5 легко определить ширину ДН облучателя в главных плоскостях: и .
5. Выбор и проектирование облучателя
К облучателю обычно предъявляет следующие требования:
а) он должен реализовывать рассчитанную ранее диаграмму направленности в секторе углов и иметь минимальное излучение вне этого сектора;
б) его поперечные размеры должны быть минимальными для снижения затенения раскрыва;
в) облучатель должен иметь устойчивый общий фазовый центр в двух плоскостях, совмещаемый с фокусом параболоида вращения;
г) электрическая прочность облучателя должна быть достаточной для пропускания полной рабочей мощности передатчика в импульсе без опасности пробоя;
д) рабочая полоса частот облучателя должна соответствовать требуемой полосе частот антенны;
е) конструкция облучателя должна обеспечивать необходимую стойкость к метеоусловиям и допускать возможность герметизации всего фидерного тракта;
В качестве облучателя возьмем пирамидальный рупор (рис. 6).
6. Проектирование рупорного облучателя
Рис. 6. Пирамидальный рупор.
Расчет рупорной антенны сводится к расчету ее геометрических размеров. Размеры раскрыва и выбираем на основе найденных ранее ДН облучателя в двух плоскостях.
Скорректированные размеры размеров рупора:
Найдём размеры волновода исходя из следующих соображений: волновод должен обеспечить прохождение лишь волны основного типа, пропускать необходимую мощность. Для этих целей подходит стандартный волновод 23x10 мм. Из табл. 3. [1] находим – данный волновод допускает кВт, что больше необходимой мощности. Из той же таблицы выбираем материал с наименьшими потерями – медь ( дБ/м).
Определим длину оптимального рупора в Н-плоскости:
численно см. Зная , определяем длину рупора в Е-плоскости из условия стыковки рупора с волноводом:
см. Для того, чтобы рупор был оптимальным необходимо выполнение условия
см, т.е. условие оптимальности в Е-плоскости тоже выполняется,
Рассчитаем фазовые ошибки:
,
Рассчитаем реальную диаграмму направленности рупора.
В Е-плоскости
где - параметр; - модуль коэффициента отражения волны от раскрыва рупора; ; .
В Н-плоскости
где .
Рис. 7. Реальная и требуемая ДН облучателя в плоскости Е
Рис. 8. Реальная и требуемая ДН облучателя в плоскости Н
Рассчитаем положения фазовых центров рупора в главных плоскостях:
,
Допуск на смещение фазового центра облучателя из фокуса вдоль оси:
Расстояние между фазовыми центрами удовлетворяет допуску на смещение фазового центра облучателя из фокуса зеркала вдоль его оси.
7. Расчет реального распределения поля и ДН зеркала
Расчет проводится для сравнения реального и требуемого распределений в раскрыве зеркала. В усеченном параболоиде вращения реальная ДН связана с нормированной ДН облучателя следующим соотношением:
,
где .
Графики реального и идеального распределения и их относительной ошибки строятся на одном графике. Ошибка не должна превышать 7 %.
Учитывая все вышесказанное, проведем расчет реального распределения поля в зеркале:
1) Расчет реального амплитудного распределения поля в Е плоскости
Функция реального распределения имеет вид:
,
где .
Рис.9 График реального распределения поля в E плоскости
2) Расчет реального амплитудного распределения поля в Н плоскости
Функция реального распределения имеет вид:
,
где .
Рис. 10. Реальное и идеальное распределение поля в Н плоскости и их относительная ошибка.
Расчёт ДН ведётся исходя из формул, приведенных в [1]. Эти формулы приведены без учёта ДН элемента Гюйгенса, поэтому домножим их на :
где ; .
Диаграмму направленности будем строить в логарифмическом масштабе. Для этого преобразуем к виду
.
Аналогично для Е-плоскости:
где ; ;
или в логарифмическом масштабе
.
Рис. 11. ДН зеркальной антенны в Е-плоскости
Рис. 12. ДН зеркальной антенны в H-плоскости