Исходные данные к проекту и требования к его содержанию
В задании на проектирование указываются следующие характеристики антенн:
Рабочая длина волны λ.
Ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности 2θ0.5.
Вид облучателя и его основные параметры.
Должны быть определены:
размеры и диаграмма направленности облучателя;
уровень согласования облучателя с питающей фидерной линией;
геометрические параметры параболического рефлектора;
диаграмма направленности и коэффициент усиления антенны;
технические допуски на изготовление рефлектора и смещение облучателя из фокуса.
В ряде случаев в конструкции антенны должны быть предусмотрены меры по устранению воздействия на облучатель волны, отражённой от рефлектора, и расчет облегчённой конструкции рефлектора.
Исходные данные к курсовому проекту:
Рабочая длина волны λ=3,5 [см]
Ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны 2ΔθЕ=
Вид облучателя – щелевой.
Тип фидерной линии – волновод.
Введение.
3.1 Вводные замечания.
Основными элементами параболической антенны являются металлический отражатель (рефлектор), имеющий форму одной из параболических поверхностей (параболоид вращения, параболический цилиндр и др.), облучатель, помещённый в фокусе такой поверхности, и фидер, питающий облучатель. Применение параболических поверхностей объясняется тем, что в силу своих геометрических свойств они создают синфазное поле в раскрыве рефлектора.
Так как фокусное расстояние любой параболической поверхности является ее геометрическим параметром и выбор его, как правило, не связан с рабочей длиной волны, поле в раскрыве антенны остается синфазным независимо от длины волны. Поэтому параболическая антенна относится к широкодиапазонным антеннам. Практически ее диапазонность ограничивается требованиями к степени согласования облучателя с питающим фидером и пределами допустимых значений ширины главного лепестка диаграммы направленности антенны, которая меняется прямо пропорционально длине волны.
3.2 Облучатели параболических антенн.
В качестве облучателей зеркал, выполненных в виде параболоидов вращения, применяются слабонаправленные антенны, излучающие в сторону зеркала. Фазовый центр облучателя совмещается с фокусом зеркала. Основной поток излучателя должен быть сосредоточен в пределах поверхности облучаемого зеркала так, чтобы напряженность поля на краях зеркала составляла ≈0,3 максимального значения (на оси параболоида). Кроме этого облучатель должен иметь малый "теневой эффект" и должен быть хорошо согласован с питающим его фидером. Коэффициент бегущей волны в фидере не должен быть менее 0,8 в рабочем диапазоне частот. Необходимо также обеспечить достаточную жесткость конструкции облучателя и его защиту от воздействия метеоусловий.
4.Расчет размеров и диаграммы направленности щелевого облучателя.
Щелевой облучатель (облучатель Катлера) представляет собой Т-образный прямоугольный волновод (рис. 4.1), закрытый на концах и имеющий на крыльях в широкой стенке две щели, обращенные к параболоиду и расположенные симметрично относительно питающего волновода. Для герметизации щели закрываются полистироловыми или слюдяными пластинками.
Рис.4.1 Волноводно-щелевой облучатель (облучатель Катлера).
Такие облучатели применяются в коротковолновой части сантиметрового диапазона λ=(2 – 5) см, где конструкция получается компактной, а создаваемы теневой эффект незначителен. Фазовый фронт, создаваемый таким облучателем, близок к сферическому.
Ширина щели принимается равной:
(0,1 – 0,2) λ=0,35 см
Резонансная длина щели с учетом эффекта укорочения выбирается равной:
l 1=0,47λ=1,645 см.
Расстояние от укороченного конца волновода до оси щели должно быть равно:
t= Λ/2=2,395 см,
где Λ – длина волны в волноводе, определяется из формулы:
При этом щель оказывается в пучности стоячей волны тока, что обеспечивает максимальную интенсивность излучения.
Для согласования входного сопротивление щели с волновым сопротивлением волновода должно удовлетворяться условие:
Из которого, задаваясь величиной широкой стенки волновода a=0,72λ=2,52 см определяется необходимый размер узкой стенки b1=0,36∙λ=1,02 см.
Расстояние между щелями выбирается равным:
d=Λ/2=2,395см.
При этом ширина главного лепестка диаграммы направленности облучателя в плоскостях E и H примерно одинакова (плоскость E параллельна узким стенкам питающего волновода). Фазовый центр излучения находится посередине между щелями в плоскости симметрии облучателя. Его совмещают с фокусом отражателя.
Диаграммы направленности облучателя в E и H плоскостях рассчитываются по формулам:
Где θ и ϕ- углы, отсчитываемые в E и H плоскостях от направления к вершине параболического рефлектора.
Обратным излучением щелевого облучателя можно пренебречь и рассматривать диаграммы в пределах изменения угла -90°<θ,ϕ<90°.
Размеры питающего прямоугольного волновода оценивают по условию одноволнового режима для волны H10:
a≈0,72λ=2,52 см,
b≈0,36λ=1,26 см
И выбирают стандартный волновод.
Для лучшего согласования и уменьшения влияния внешних поверхностей питающего волновода на поле облучателя питающий волновод сужается вблизи облучателя по узкой стенке до размера b≤0,3a≤0,735 см на длине порядка Λ.
Для возможности регулировки входной реактивности облучателя предусматривается настроечный винт, который помещается в середине Т-образного разветвления.
Прямоугольный волновод, рекомендуемый международной электротехнической комиссией (МЭК)
Обозначение типа | Диапазон,ГГц | a, мм | b,мм | Частота,ГГц | Затухание,дБ/м | ||||
от | До | ||||||||
Р100 | 8,20 | 12,50 | 22,9 | 10,2 | 9,84 | 0,11000 | |||
Рис 4.2 Диаграмма направленности облучателя в плоскостях Е и Н в полярной системе координат.
Рис 4.3 Диаграмма направленности облучателя в плоскости E и H
Угол 2θ0 определяется как угол раствора диаграммы направленности облучателя по уровню 0,3 от максимума поля и его следует определять по более узкой ДН, в данном случае в Е-плоскости:
5.Расчет основных характеристик параболической антенны.
В большинстве случаев зеркальные антенны рассчитываются приближенными методами. При этом характеристики реальных антенн будут несколько отличаться от рассчитанных из-за различия диаграмм направленности реальных и идеальных облучателей, теневого эффекта облучателя, неточности изготовления антенны т. п. Для получения достаточно высоких показателей проектируемой антенны должны быть предусмотрены специальные меры, например: боковые лепестки диаграммы направленности облучателя должны лежать вне области освещения зеркала; фокусное расстояние должно быть скорректировано для фазировки обратного излучения облучателя с полем антенны; необходимо наложить определенные условия на точность изготовления антенны и т. д. С учетом этих замечаний составим следующий порядок расчета антенны с рефлектором в виде параболоида вращения.
1. Для определения геометрических размеров параболической зеркальной антенны (рис 5.1) рассчитаем отношение радиуса раскрыва параболоида R0 к фокусному расстоянию f по формуле:
где θ0 – угол раскрыва параболоида, определяемый как угол раствора диаграммы направленности облучателя по уровню 0.3 от максимума поля в направлении вершины параболоида, что соответствует 0.1 по мощности. В целях большей равномерности облучения параболического рефлектора угол 2θ0 определяем по более узкой ДН облучателя (в Е плоскости). Из диаграммы направленности облучателя получаем 2θ0 =108°.
Рис 5.1 Основные геометрические параметры параболической антенны.
Найденному отношению соответствуют значения коэффициентов KE=1,17и KH=1.08.
2. По заданной ширине главного лепестка диаграммы направленности всей антенны в Е-плоскости 2∆θЕ=2,80=0.0489 рад. и по полученным из таблицы KE =1.17 и KH =1.08 определяем радиус раскрыва параболоида R0 из соотношения:
3. По найденным значениям R0 и θ0 рассчитывается фокусное расстояние f.
Значение фокусного расстояния должно быть уточнено, если в направлении заднего лепестка ДН облучателя поле противофазно полю главного лепестка (рупорные, щелевые облучатели), фокусное расстояние должно удовлетворять соотношению:
f=n*λ/2, n=1,2,3…
В результате при n=23 получаем уточненное фокусное расстояние:
f=40,25 см.
Для полученных значений R0 и f рассчитывается профиль параболического отражателя из геометрической зависимости:
y2=4fx
и глубина зеркала = 10,9 см.
4. Для расчета функций направленности проводится вначале расчет амплитудного распределения поля в раскрыве (апертуре) антенны.
Для упрощения расчета ДН антенны истинное амплитудное распределение поля аппроксимируют некоторой функцией, например, степенным рядом, в котором учитываются три члена:
Где – нормированное расстояние произвольной точки раскрыва от его центра: 0≤ρ_H≤1; - постоянные коэффициенты.
Определение коэффициентов:
Вначале рассчитывают истинное распределение амплитуды fист(ρН), связанное с нормированной функцией направленности облучателя F(θ) соотношением:
где ρH=
θ=2arctg
Изменяя ρН от 0 до 1 с шагом 0.1 находят соответствующие значения θ, рассчитывают F(θ) по формулам или графикам диаграммы облучателя, умножают на соответствующие значения множителя (1+cosθ)/2 и составляют таблицу зависимости fист(ρН) и строят график этой функции.
Рис5.2 Истинное распределение амплитуды fист(ρН).
Далее необходимо потребовать, чтобы fист(ρH) и fаппр(ρH) совпадали в двух точках, например, при ρН=0.5 и ρН=1 из таблицы расчетов fист(ρH) находим значения fист(0.5)=Δ1, fист(1)= Δ2 и требуем выполнения двух равенств:
,
в моем случае Δ1=0.94 и Δ2=0.8 тогда:
из решения этой системы находим два неизвестных коэффициента а2 и а4, подставляем их в выражения fаппр(ρH)=1+a2 ρ2H+a4 ρ4H, рассчитываем эту аппроксимирующую функцию при ρH изменяющемся от 0 до1 с шагом 0.1 и строим график аппроксимирующей функции fист(ρH).
а2 = - 3.18, а4 = 2.98:
fаппр(ρH)= 1–3.18ρ2H+2.98 ρ4H
Рис 5.3 Аппроксимирующая функция fаппр(ρH).
5. Зная распределение поля в раскрыве, рассчитывается диаграмма направленности антенны.
Для амплитудного распределения поля в раскрыве антенны вида степенного трехчлена fаппр(ρH) функция направленности имеет вид:
где u=kR0sinθ, k=2π/2, Λi(u) – лямбда - функция i-го порядка.
f(θ)=(1-3,18+2,98) Λ1 (u)-((-3,18)/2+2,89) Λ2 (u)+(2,89)/3 Λ3 (u).
Расчет f(θ) проводят, изменяя θ через 0,5÷1 и рассчитывают главный лепесток и два боковых (при этом f(θ) два раза меняет знак).
Θ0 | U | F(θ) | ||||||||||||
0,403 | ||||||||||||||
0.5 | 0,654 | 0,957 | 0,979 | 0,977 | 0,375 | 0,930 | ||||||||
1,316 | 0,831 | 0,866 | 0,898 | 0,353 | 0,875 | |||||||||
1.5 | 1,955 | 0,648 | 0,759 | 0,794 | 0,252 | 0,625 | ||||||||
2,632 | 0,377 | 0,543 | 0,642 | 0,170 | 0,422 | |||||||||
2.5 | 3,309 | 0,337 | 0,351 | 0,479 | 0,258 | 0,310 | ||||||||
3,910 | 0,137 | 0,240 | 0,344 | 0,118 | 0,230 | |||||||||
3.5 | 4,585 | -0,108 | 0,108 | 0,224 | -0,014 | -0,034 | ||||||||
5,261 | -0,132 | -0,064 | 0,112 | 0,095 | 0,235 | |||||||||
4.5 | 5,936 | -0,105 | -0,051 | 0,034 | 0,021 | -0,052 | ||||||||
6,611 | -0,032 | -0,057 | -0,011 | 0,043 | 0,106 | |||||||||
5,5 | 7,210 | 0,010 | -0,043 | -0,027 | 0,041 | 0,102 | ||||||||
7,883 | 0,051 | -0,021 | -0,029 | 0,041 | 0,102 | |||||||||
6,5 | 8,556 | 0,064 | 0,002 | -0,020 | 0,034 | 0,084 | ||||||||
9,229 | 0,047 | 0,017 | -0,008 | 0,053 | 0,131 | |||||||||
7,5 | 9,863 | 0,018 | 0,029 | 0,0004 | -0,026 | -0,064 | ||||||||
10,05 | ||||||||||||||
Рис 2.7 Диаграмма направленности антенны FA(θ).
Из графика можно определить, что ширина главного лепестка по уровню 0.7 от максимального равен: 0.02 радиан или 1.35 градуса, что примерно равно заданному значению ширины лепестка диаграммы направленности (2,8 градусf). Уровень первого бокового лепестка равен: 0.129. Уровень второго бокового лепестка равен: 0.061.
Рассчитаем коэффициент усиления антенны:
где S=πR02 – площадь раскрыва параболоида,
η – коэффициент полезного действия антенны, равный: 0.8,
ν – коэффициент использования поверхности раскрыва параболоида вращения, равный: 0.8.
Расчет облегченной конструкции параболического зеркала.
Для уменьшения веса антенны и ослабления давления ветра на параболическое зеркало его выполняют не сплошным, а из отдельных проводов или пластин, либо перфорируют (рис 6.1).
Рис 6.1 Облегченные конструкции отражающей поверхности:
а – параллельные провода; б и в – параллельные пластины;
г – перфорированный лист.
При изготовлении отражающей поверхности из металлических пластин или цилиндрических проводов должны выполняться следующие условия:
а) вектор Е электромагнитной волны должен быть параллелен элементам решетки (пластинам или проводам);
б) расстояние между проводами или пластинами должно быть не более
см.
Перфорированная поверхность представляет собой поверхность из металлического листа с круглыми или овальными отверстиями. Размер отверстия, параллельный вектору E, должен быть меньше . Расстояние между центрами отверстий следует выбирать в пределах .
При выборе параметров рефлектора облегченной конструкции следует исходить из условия: коэффициент пропускания Т, определяемый как отношение мощности волны, прошедшей за зеркало, к мощности падающей на зеркало волны, не должен превосходить Тдоп=0.01. Для параболоида вращения с решетчатой или перфорированной поверхностями имеем:
где Т0 – коэффициент пропускания той же конструкции при нормальном падении волны.
Для плоской решётки из параллельных круглых проводов радиуса ρ < 0.05 < , отстоящих друг от друга на расстоянии s < 0.20 < , справедлива следующая формула для :
Для расчета плоской решетки из параллельных круглых проводов принимаем радиус =0.1<0.05λ, отстоящих друг от друга на расстоянии s=0. 5<0.2λ, тогда Т0=0.980.
Т < Tдоп , то есть в облегченной конструкции параболического зеркала используем плоскую решетку с радиусом проводов ρ =0.1 см, отстоящих друг от друга на s =0.5 см.