Выбор функции амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала, расчет рупорного облучателя, реального распределения поля и фридерного трака с целью конструирования зеркальной антенны, предназначенной для обнаружения радиолокационных сигналов.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

Зеркальные антенны являются наиболее распространенными остронаправленными антеннами. Их широкое применение в самых разнообразных радиосистемах объясняется простотой конструкции, возможностью получения разнообразных видов ДН, 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 ДН общим зеркалом. Некоторые типы зеркальных антенн могут обеспечивать достаточно быстрое качание луча в значительном угловом секторе. Зеркальные антенны являются распространенным типом антенн в космической связи и радиоастрономии, и именно с помощью зеркальных антенн удается создавать гигантские антенные сооружения с эффективной площадью раскрыва, измеряемой тысячами квадратных метров.

Анализ технического задания

В ТЗ необходимо рассчитать зеркальную антенну, предназначенную для РЛС обнаружения.

Так как заданный уровень УБЛ в плоскостях Е и Н довольно сильно отличается, то следует от круглого раскрыва перейти к прямоугольному.

В качестве облучателя антенны применим волноводно-рупорный облучатель, т.к. изменяя размеры рупора в плоскостях Е и Н можно реализовать практически любое требуемое амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала. Для облегчения зеркала и уменьшения парусности зеркало можно изготовить не сплошным.

Благодаря применению круговой поляризации удастся практически исключить влияние отраженных от зеркала волн на распределение поля в фидере.

Выбор функции амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала

ДН зеркальной антенны можно приближенно определить путем интегрирования по поверхности раскрыва полей излучения его элементов Гюйгенса. Интеграл можно взять строго лишь для ограниченного класса функций Е(хн).

Функция амплитудного распределения определяется значением уровня УБЛ первого лепестка в плоскостях Е и Н.

Для плоскости Е выбираем:

, (1)

где 0.45.

Это обеспечивает УБЛ -18.3 дБ, тогда как требуется -15.9 дБ.

По ширине ДН на уровне 0.5 определяем размер раскрыва A=2.2м.

В плоскости Н получаем:

, (2)

где .

Это обеспечивает УБЛ=-24.1, тогда как требуется -23.8 дБ.

По ширине ДН на уровне 0.5 определяем размер раскрыва B=2.334м.

Графики распределений представлены на рис1.

Рис.1.Функции распределения амплитуды поля в плоскостях Е и Н. xn- нормированная координата равная:

,

где a-линейный размер раскрыва в соответствующей плоскости.

Расчет ДН облучателя

Распределение поля в раскрыве зеркала легче всего определить методом геометрической оптики. В параболоиде вращения, который используется, облучатель должен создавать сферическую волну. У такой волны амплитуда поля убывает с удалением от источника обратно пропорционально . Поэтому можно записать связь ДН облучателя и поля в раскрыве Е(xn) в виде:

, (3)

Нормируя ДН, получим расчетную формулу для нормированной ДН облучателя(по напряженности):

, (4)

Координата xn в формуле (4) связана с углом соотношением:

, (5)

где -угол раскрыва в соответствующей плоскости.

Обычно значение выбирают в пределах (50-80)град.

Зададимся углом раскрыва в плоскости Е . Тогда фокусное расстояние найдем по формуле:

, (6)

Угол раскрыва в плоскости Н по найденному значению f:

, (7)

Подставляя численные значения получаем: f= 1.011м, 57.11 град.

ДН, рассчитанные по формуле (4) показаны на рис.2.

Рис.2. ДН облучателя в Е и Н плоскостях.

Выбор облучателя

К облучателю предъявляются следующие требования : a) он должен реализовывать рассчитанную ДН в секторе углов и иметь минимальное излучение вне этого сектора; b) его поперечные размеры должны быть минимальными для снижения затенения раскрыва; с) облучатель должен иметь устойчивый общий фазовый центр в двух плоскостях, совмещаемый с фокусом параболоида вращения(усеченного параболоида) d) электрическая прочность облучателя должна быть достаточной для пропускания полной рабочей мощности передатчика в импульсе без опасности пробоя ;

e) рабочая полоса частот облучателя должна соответствовать требуемой полосе частот радиосистемы в целом.

Наиболее широкое применение в современных ЗА нашли волноводно-рупорные облучатели , в частности пирамидальные рупоры.

Расчет рупорного облучателя

Расчет рупорного облучателя сводится к определению размеров пирамидального рупора и размеров питающего волновода.

Первоначальные значения размеров рупора можно получить по формулам:

, (8)

где , (см. рис.2).

Получаем, что ap=10.52 см, bp=4.541см.

Размеры a и b волновода находим по заданной длине волны из таблиц стандартных сечений, рекомендованных ГОСТом[1].

Получаем: a=7.2 см, b=3.4 см.

Проведенный анализ ошибки между реальной ДН рупора и требуемой показывает, что первоначальные значения размеров рупора не обеспечивают ошибки меньшей 7%. Поэтому скорректируем ap и bp так, чтобы ошибка в диапазоне углов раскрыва составляла менее 7%. Анализ ошибки показывает, что можно взять ap=8.5 см, bp=3.9 см.



Расчет реальной ДН рупора проведем по приближенным формулам:

, - плоскость Е, (9)

,

-плоскость Н,

где

, Г=

-модуль коэффициента отражения волны от раскрыва рупора.

Графики рассчитанных ДН и ошибок представлены на рис3,4,5,6.

Рис.3. ДН реального облучателя и требуемая ДН в плоскости Е.



Рис.4. Функция ошибки в секторе углов раскрыва в плоскости Е.

Рис.5. ДН реального облучателя и требуемая ДН в плоскости Н.

Рис.4. Функция ошибки в секторе углов раскрыва в плоскости Н.

Рассчитаем длины рупора Re и Rh. При выборе длин рупора необходимо выполнить два условия : допустимый уровень фазовых искажений и правильную стыковку рупора с питающим волноводом.

Первое условие выполняется в оптимальном рупоре. Он имеет максимальный КУ при фиксированной длине и минимальных поперечных размерах ap и bp. Для такого рупора справедливы формулы:

 (10)

Для рассчитанных bp и ap имеем:

1.133

Выбрав Rh=4 см, получим, что Re=22.667 см, что удовлетворяет условиям (10).

Второе условие заключается в том, что найденные размеры рупора должны обеспечивать допустимую величину квадратичных фазовых ошибок Фе, Фh в раскрыве рупора:

(11)

Для найденных размеров получаем: Фе=0.058 рад, Фh=1.559 рад, что удовлетворяет условиям (11).

Теперь определим положение фазовых центров рупора в главных плоскостях по формулам[1]:

,

откуда Xe=0.014 см, Xh=0.837 см.

Расстояние 0.5(Xe-Xh) должно удовлетворять допуску на смещение фазового центра облучателя из фокуса зеркала вдоль его оси:

.

Таким образом можно считать, что расчет рупорного облучателя завершен.

Расчет реального распределения поля и ДН зеркала

В параболоиде вращения (усеченном параболоиде) с реальной нормированной ДН облучателя справедливо .После нормировки получаем расчетную формулу:

(12)

Учитывая связь (5), рассчитаем реальное распределение поля, а также функцию ошибок и построим на одном графике зависимости Epe,h(xn) и Ee,h(xn) (см. рис5,6,7,8).

Рис.5. Зависимость реального и требуемого распределений поля в раскрыве зеркала в Е-плоскости.



Рис.6. График функции ошибок в Е-плоскости.

Рис.7. Зависимость реального и требуемого распределений поля в раскрыве зеркала в Н-плоскости.

Рис.8. График функции ошибок в Н-плоскости.

Рассчитаем реальную ДН антенны.

,

где ,

в плоскости Н-

,

где .

Нормированные ДН, переведенные в децибелы показаны на рис9,10.

Рис.9. Реальная, нормированная ДН зеркала в плоскости Н.

Рис.10. Реальная, нормированная ДН зеркала в плоскости Е.

Выбор фидерного тракта

Питающий антенну фидерный тракт должен соот...