Проектирование антенны СВЧ – параболическая однозеркальная с двухщелевым облучателем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский федеральный университет»

Институт инженерной физики и радиоэлектроники

Кафедра «Радиотехника»

Курсовой проект

Проектирование антенны СВЧ - параболическая однозеркальная с двухщелевым облучателем

Преподаватель Рязанцев Р.О.

Студент РФ15-34

Мутовин А.А.

Красноярск 2019

1. Техническое задание

1.1 Требования к проектируемой антенне

1.2 Патентный поиск

2. Анализ технического задания

3. Выбор и расчет антенно-фидерного устройства

3.1 Расчет размеров облучателя

3.2 Определение необходимого ослабления амплитуды поля на краях зеркала

3.3 Выбор облучателя и угла раскрыва зеркала

3.4 Нахождение диаметра параболоида

3.5 Определение фокусного расстояния

3.6 Расчет профиля параболы

3.7 Нахождение поля излучения антенны

3.8 Нахождение поля в раскрыве антенны

3.9 Определение поля излучения

4. Расчет параметров спроектированной антенны

5. ЭМС и экология

Вывод

Список использованных источников

1. Техническое задание

1.1 Требования к проектируемой антенне

Таблица 1. Входные данные для проекта

Таблица 2. Данные для расчета антенны

1.2 Патентный поиск

Перед началом теоретических расчетов по техническому заданию был осуществлен патентный поиск согласно заданной теме.

Патент РФ 2273921, дата подачи заявки 2004-02-18

Облучатель параболической антенны

Реферат:

Изобретение относится к антенной технике и используется в системах связи и телевизионного приема, эксплуатируемых на наземных и спутниковых радиолиниях. Технический результат заключается в адаптировании к различным зеркалам и обеспечении управления диаграммой направленности, а также в повышении коэффициента усиления антенны за счет более полного использования поверхности зеркала. Сущность изобретения состоит в том, что между ортогональными симметричными вибраторами и крестообразным контррефлектором на расстоянии от последнего на цилиндрической штанге установлено металлическое кольцо радиусом и шириной , расположенного поверх радиопрозрачного защитного кожуха. Расстояние при настройке антенны по максимуму коэффициента усиления в зависимости от геометрических параметров зеркала варьируется в пределах .

Известны вибраторные облучатели, питаемые при помощи коаксиальных линий. Несмотря на простоту, данные облучатели по направленным свойствам не адаптированы к размерам параболических антенн, а поэтому не обеспечивают полной засветки их внутренней поверхности. Вследствие снижения коэффициента использования поверхности зеркала из-за неравномерности его облучения не удается полностью реализовать энергетический потенциал антенны.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание облучателя параболической антенны с управляемой диаграммой направленности, адаптируемого к различным зеркалам и обеспечивающего повышение коэффициента усиления антенны за счет более полного использования поверхности зеркала.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемой конструкции облучателя. Он состоит из ортогональных симметричных вибраторов с крестообразным контррефлектором, закрепленных на оси зеркала. Облучатель снабжен металлическим кольцом, установленным между вибратором и контррефлектором.

Размещение пассивного элемента в форме кольца в непосредственной близости от симметричных вибраторов изменяет распределение тока вдоль плеч, а соответственно и характеристику направленности облучателя, адаптируя ее под геометрические размеры зеркала.

На рисунке 1 показан общий вид облучателя параболической антенны, где

1 - система ортогональных вибраторов;

2 - цилиндрическая штанга;

3 - контррефлектор;

4 - защитный кожух;

5 - металлическое кольцо;

6 - коаксиальный кабель;

7 - узел крепления

Рисунок 1. Общий вид облучателя

На рисунке 2 показан общий вид параболической антенны с предлагаемой конструкцией.

Рисунок 2. Общий вид параболической антенны с облучателем

2. Анализ технического задания

Согласно техническому заданию, в данном курсовом проекте необходимо рассчитать однозеркальную параболическую антенну с двухщелевым облучателем. При этом необходимо обеспечить заданные параметры ширины диаграммы направленности и уровня боковых лепестков на рабочей частоте антенны.

Зеркальная параболическая антенна состоит из металлической поверхности, выполненной в виде параболоида вращения и небольшой слабонаправленной антенны - облучателя, установленной в фокусе параболоида и облучающей внутреннюю поверхность зеркала.

Двухщелевой облучатель представляет собой Т-образный волновод с двумя параллельным щелями. Наличие двух щелей позволяет увеличить направленность антенны.

Щелевой облучатель удобен при работе в короткой части сантиметрового диапазона (5 см и ниже).

Основной задачей курсовой работы является: теоретическое определение параметров антенны, расчет профиля зеркала, расчет поля в апертуре зеркал, построение нормированной ДН антенны, выбор фидерного устройства, оптимизация геометрии антенны.

3. Выбор и расчет антенно-фидерного устройства

3.1 Расчет размеров облучателя

Частота излучаемого сигнала ГГц, соответственно длина волны м. Облучатель выполняется на основе -плоскостного волноводного Т-разветвителя. Разветвление при этом осуществляется в плоскости вектора волны .

Рисунок 3. Эскиз двухщелевого облучателя

Выберем стандартный волновод по заданному рабочему диапазону волн. Обычно размер широкой стенки выбирается равным примерно . Размер узкой стенки выбирают равным . То есть получаем мм; мм. Выбираем тип волновода WR-51 с размерами 13.0 x 6.5 мм.

Длина щели в облучателе выбирается равной мм.

Расстояние от щели до стенок должно быть равным . Так как используем волну , то критическая длина волны для данного типа колебаний мм. Длины волны в волноводе вычисляется как

мм.

Получаем мм.

Расстояние между щелями выбирается как в обычных антенных решетках мм.

Ширина щели выбирается из условия отсутствия электрического пробоя при заданной величине мощности излучения:

где - пробивное значение напряженности поля в материале щели. Для воздуха . - максимальное напряжение на щели, равное

3.2 Определение необходимого ослабления амплитуды поля на краях зеркала

Исходя из назначения антенны определим необходимое ослабление амплитуды поля на краях зеркала. Для антенн, предназначенных работать в составе радиолокационных, радиометрических систем, ослабление поля на краях зеркала обычно принимают равным 10 дБ. Антенны предназначенные для приема очень слабых сигналов (радиотелескопы, антенны космических радиолиний), обычно проектируются так, чтобы их собственная температура шумов была малой. Для этого они должны иметь малый уровень боковых лепестков. Вследствие этого у таких антенн ослабление поля на краях зеркала достигает 15-20 дБ.

На основании того, что для разрабатываемой антенны не предъявляются особые требования, касающиеся высокого ослабления на краях зеркала, примем его равным 5 дБ.

3.3 Выбор облучателя и угла раскрыва зеркала

Руководствуясь техническим заданием, необходимо спроектировать СВЧ антенну с двухщелевым облучателем. Для этого определим его диаграмму направленности по приближенным формулам.

Для двухщелевого облучателя обратного излучения:

А б

Рисунок 4. Приблизительная диаграмма направленности двухщелевого облучателя в H (а) и E (б) плоскостях

Теперь определим угол раскрыва зеркала . Он выбирается так, чтобы при избранном облучателе получить нужное ослабление амплитуды поля на краях зеркала. Угол определяется из равенства:

где - нормированное значение амплитуды поля на краю зеркала, - значение нормированной диаграммы направленности облучателя для угла .

Путем подбора получаем значение угла раскрыва зеркала .

3.4 Нахождение диаметра параболоида

Находим приближенный диаметр параболоида при помощи формулы , откуда

Коэффициент 70 - приближенный. Он зависит от диаграммы направленности облучателя и отношения .

Рисунок 5. Выбор коэффициента на основании уровня боковых лепестков

Для плоскости H выберем значение коэффициента равным 70, для того чтобы уровень бокового лепестка не превышал 20 дБ, согласно техническому заданию, для плоскости Е, выберем значение коэффициента равным 71.

Ширина диаграммы направленности на основании технического задания

Радиус параболоида:

3.5 Определение фокусного расстояния

Определим фокусное расстояние на основании формулы:

где - двойное фокусное расстояние

Откуда фокусное расстояние:

3.6 Расчет профиля параболы

Рассчитаем профиль параболоида по формуле:

Откуда:

Рисунок 6. Профиль параболы зеркала

3.7 Нахождение поля излучения антенны

Рисунок 7. Профиль антенны, для нахождения нормированной координаты точки в раскрыве зеркала

3.8 Нахождение поля в раскрыве антенны

Поле в раскрыве определяется методом геометрической оптики. Всегда выполняется условие , следовательно, зеркало находится в дальней зоне и падающую от облучателя волну на участке от фокуса до поверхности зеркала можно считать сферической.

В сферической волне амплитуда поля изменяется обратно пропорционально расстоянию. Поэтому на указанном участке поле будет убывать пропорционально . После отражения от поверхности зеркала волна становится плоской и ее амплитуда до раскрыва зеркала с расстоянием не изменяется. Таким образом, если нам известна нормированная диаграмма направленности облучателя , поле в раскрыве зеркала легко находится.

Для удобства расчета введем нормированную координату точки в раскрыве зеркала:

На основании того, что:

При этом и меняются в пределах:

Нормированное значение амплитуды поля в раскрыве зеркала определяете выражением:

Из этой формулы видно, амплитуда поля в раскрыве зеркала зависит только от радиальной координаты . Такая осевая симметрия в распределении поля является следствием допущения, что диаграмма направленности облучателя является функцией только полярного угла и не зависит от азимутального угла о.

Вследствие этого можно ограничиться расчетом распределения поля в раскрыве только вдоль двух главных взаимно перпендикулярных направлений: параллельно оси x и оси y.

Система координат ориентируется так, чтобы эти направления лежали в плоскости вектора (плоскость xOz) и вектора (плоскость yOz).

Для упрощения последующих расчетов найденное значение амплитуды поля в раскрыве зеркала целесообразно аппроксимировать интерполяционным полиномом:

Узлами интерполяции, т.е. точками, где полином совпадает с функцией , будем считать точки раскрыва зеркала, соответствующие значениям .

Ограничимся тремя членами полинома, т.е. положим . Тогда:

В этом случае в качестве узлов интерполяции будут точки в центре раскрыва зеркала (), на краю зеркала () и приблизительно в середине между этими крайними точками (). Коэффициенты этого полинома определяются системой уравнений:

3.9 Определение поля излучения

Раскрыв зеркала представляет собой плоскую круглую площадку. Поле на площадке имеет линейную поляризацию. Фаза поля в пределах площадки неизменна, а распределение амплитуды описывается полиномом.

Полное поле в дальней зоне будет равно сумме полей, создаваемых каждым компонентом:

Выражение, определяемое суммой представляет собой ненормированную диаграмму направленности зеркальной антенны:

Для получения нормированной диаграммы направленности найдем максимальное значение . Максимальное излучение имеет место в направлении, перпендикулярном этой площадке, т.е. при . Этому значению соответствует значение . при любых n. Следовательно:

Если ограничится тремя членами полинома, т.е. положить , нормированная диаграмма направленности параболоидного зеркала опишется выражением:

Лямбда-функции находим как:

где - функция Бесселя n-го порядка от аргумента .

Рисунок 8. Диаграмма направленности параболоидного зеркала

Рисунок 9. Диаграмма направленности параболоидного зеркала в логарифмическом масштабе

Рисунок 10. Диаграмма направленности параболоидного зеркала в полярной системе координат

Рисунок 11. Эскиз спроектированной антенны

4. Расчет параметров спроектированной антенны

КНД:

КПД:

Коэффициент усиления:

Амплитудное распределение:

Рисунок 11. График амплитудного распределения

Напряженность электрического поля, создаваемая на антенне на расстоянии м:

5. ЭМС и экология

Современный этап развития общества характеризуется повсеместным внедрением инфокоммуникационных комплексов во все сферы человеческой деятельности. Значительный рост числа радиоэлектронных средств приводит к высокой территориальной плотности размещения источников радиоизлучения, усложнению электромагнитной обстановки и ухудшению электромагнитной экологии. В то же время освоение новых частотных диапазонов для широкого использования связано со значительными техническими трудностями и финансовыми затратами.

Одним из основных элементов радиоэлектронных систем, формирующих поле излучения, является антенна. Решением проблемы электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии является снижение уровня боковых и задних лепестков диаграммы излучения и рассеяния.

В спроектированной антенне УБЛ не превышает уровня -20 дБ, что все-таки влияет на состояние электромагнитной экологии.

Вывод

По результатам выполненной курсовой работы можно сделать следующие выводы:

Техническое задание было выполнено. Спроектированная зеркальная антенна удовлетворяет всем требованиям технического задания.

В ходе выполнения данной курсовой работы были закреплены теоретические знания, полученные при изучении курса «Устройства СВЧ и антенны» и курса «Электродинамика и РРВ».

Список использованных источников

антенна амплитуда зеркало

1. Устройства СВЧ и антенны. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов направления «Радиотехника». Для всех форм обучения. / Сост. Ю.П. Саломатов, А.М. Сержантов. - Красноярск, 2008.

2. Антенно-фидерные устройства. Драбкин А.Л. Изд. 2-е, доп. и перераб. М., «Сов. радио», 1974.

Размещено на Allbest.ru