Общая характеристика зеркальной антенны, ее назначение и применение. Расчет зеркальной параболической антенны сантиметрового диапазона с облучателем в виде пирамидального рупора. Определение коэффициента усиления с учетом неточности изготовления зеркала.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по теме

Расчёт и проектирование зеркальной антенны

Выполнил: Иванов А.В.

Проверил: Терёхин О.В.

Москва 2010 г.

Содержание

Введение

1. Исходные данные

2. Анализ задания

3. Расчёт геометрических размеров антенны и её основных характеристик

3.1 Геометрические размеры зеркала

3.2 Диаграмма направленности рупорного облучателя

3.3 Амплитудное распределение поля вдоль зеркала

3.4 Диаграмма направленности зеркальной антенны

3.5. Коэффициент полезного действия (КПД)

3.6 Коэффициент усиления антенны (КУ)

3.7 Коэффициент направленного действия (КНД) антенны

4. Точность изготовления антенны

4.1 Источники фазовых ошибок и их влияние

4.2 Коэффициент усиления антенны с учетом неточности изготовления зеркала

5. Расчет фидерного тракта антенны

5.1 Расчет прямоугольного волновода

5.2 Расчет круглого волновода

5.3 Расчет вращающегося сочленения

5.4 Дроссельно-фланцевые соединения

5.5 Переход от прямоугольного волновода к круглому

5.6 Переход от коаксиального кабеля к круглому волноводу

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Зеркальной антенной называют совокупность слабонаправленного облучателя и металлического отражателя (зеркала). Форма поверхности зеркала выбирается такой, чтобы сферический фронт волны, падающей от облучателя на зеркало, после отражения преобразовывался в плоский фронт волны. С позиций геометрической оптики лучи, расходящиеся от облучателя, после отражения от зеркала образуют параллельный пучок, формируя остронаправленную диаграмму направленности. По форме зеркала зеркальные антенны разделяются на параболоид вращения, параболический цилиндр, а также антенны со специальным профилем зеркала.

Зеркальные антенны могут формировать игольчатые диаграммы направленности, веерные, косекансные или диаграммы другого специального вида. Ширина игольчатой диаграммы направленности может составлять от десятка до долей градуса.

Широкоугольное сканирование в однозеркальных антеннах осуществляется механическим вращением всей антенной системы в заданной плоскости, а сканирование в пределах нескольких ширин диаграмм направленности осуществляется электромеханическим способом - вращением облучателя, вынесенного за фокус параболоида.

В настоящее время зеркальные антенны широко применяются в радиостанциях различного назначения - радиолокационных, навигационных, радиорелейных и в ряде других радиосистем СВЧ диапазона.

Зеркальные антенны нашли широкое применение благодаря следующим свойствам:

· сравнительной простоте конструкции;

· надежности работы;

· хорошим диапазонным свойствам (диапазонность однозеркальных антенн определяется диапазонностью излучателя);

· способности формировать диаграммы направленности различной формы;

· возможности многофункциональной работы при выборе соответствующей конструкции облучателя и ряда других положительных особенностей.

Однако зеркальные антенны обладают рядом существенных недостатков:

· механический способ сканирования, который является единственно возможным в однозеркальных антеннах;

· уровень боковых и задних лепестков в диаграмме направленности однозеркальных антенн трудно поддается ослаблению;

· большой объем по сравнению с объемом всей системы (до 50%);

· затенение облучателем поля зеркальной антенны.

зеркальная параболическая антенна облучатель

1. Исходные данные

Рабочий диапазон волн: л = 6 см

Требуемая полоса частот ±10%

Ширина диаграммы направленности по уровню 0.707 поля в горизонтальной плоскости 4,9^о в вертикальной плоскости 4,9^о

Мощность на выходе передатчика в импульсе: P = 1 кВт

Допустимый уровень боковых лепестков - 28 дБ

Сектор электрического (механического) сканирования луча:

в горизонтальной плоскости ± 360^о Длина линии передачи 1,1 м

Минимальная допустимая величина КБВ в линии передачи 0,86

Антенна устанавливается на летательном аппарате.

2. Анализ задания

В процессе проектирования необходимо выбрать оптимальную схему и тип облучающей системы, определить геометрические размеры зеркала, амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала, рассчитать диаграмму направленности антенны, её коэффициент усиления, коэффициент полезного действия и разработать конструкцию в целом.

Рупорный облучатель является наиболее распространенным облучателем зеркальных антенн сантиметрового диапазона. Объясняется это возможностью получения диаграммы направленности заданной ширины в обеих плоскостях, большой диапазонностью и простотой их конструкции. Однако применение данного облучателя осложняется тем, что волновод, питающий рупор, вызывает заметное затенение зеркала и искажает диаграмму направленности антенны. Облучатель зеркальной антенны имеет фазовый центр, который располагается в фокусе параболоида вращения.

3. Расчёт геометрических размеров антенны и её основных характеристик

3.1 Геометрические размеры зеркала

R - радиус раскрыва зеркала

f - фокусное расстояние

h - глубина параболоида

ш₀ - угол раскрыва

Используя таблицу аппроксимирующих функций [Таблица 2] из пособия по расчёту антенн СВЧ Воскресенского, по заданному допустимому уровню боковых лепестков выбираем закон изменения поля в раскрыве зеркала:

[1]

D=0,3 - нормированное значение поля на краю раскрыва зеркала.

При выбранном распределении, ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности составляет: 67,6*l/2R

Отсюда R=15,6 см

Определим площадь раскрыва зеркала:

S=pR²=764,53 см²

Для определения эффективности реальных облучателей их диаграмма направленности в передней полусфере аппроксимируется функцией вида F(y) = cosⁿ(y), где n = 1, 2, 3, … - целые числа.

q - коэффициент использования поверхности антенны.

Максимальная эффективность зеркальной антенны достигается при n = 1.?Тогда y_?=65, где 2y_? - угол раскрыва зеркала.

Фокусное расстояние зеркальной антенны:



[2]

f = 12,244 см.

Глубина зеркала:

[3]

h = 4,969 см.

3.2 Диаграмма направленности рупорного облучателя

Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркальной антенны пропорционально диаграмме направленности облучателя.

[4]

Где F(Ш) - нормированная диаграмма направленности излучателя в исследуемой плоскости.

Координата раскрыва зеркала, соответствующая углу y, рассчитывается так:

[5]

Воспользовавшись формулами [1], [4] и [5], получаем формулу для расчета диаграммы направленности облучателя:

[6]

Диаграмма направленности рупорного облучателя, построенная по известному закону изменения поля в раскрыве зеркала:

Ширина диаграммы направленности рупорного облучателя: 2Q_{_.7}=70.

Найдём размеры раскрыва рупорного облучателя с оптимальной длинной, для этого воспользуемся таблицей 3 из учебного пособия по апертурным антеннам СВЧ Пономарёва:

Выбираем пирамидальный тип рупора:

в плоскости Н: в плоскости Е:

a = 6.857 см b = 4.543 см

Продольное сечение рупорного облучателя:

Рис. 3

Оптимальная длинна рупорного облучателя:

1.71 R_опт 2.61

R_опт=2 см.

Зная размеры раскрыва рупорного облучателя, построим амплитудную диаграмму направленности рупора в плоскостях Е и Н:

Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Н:

[7]

Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Е: