Расчет и проектирование зеркальной антенны. КурАнт. Курсовая работа по дисциплине антенны и устройства свч тема расчёт и проектирование зеркальной антенны. Вариант 30. Выполнил Кроль Илья Михайлович

Название	Курсовая работа по дисциплине антенны и устройства свч тема расчёт и проектирование зеркальной антенны. Вариант 30. Выполнил Кроль Илья Михайлович
Анкор	Расчет и проектирование зеркальной антенны
Дата	10.02.2023
Размер	7.12 Mb.
Формат файла
Имя файла	КурАнт.doc
Тип	Курсовая #930098

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КАФЕДРА 406

Курсовая работа

по дисциплине «антенны и устройства свч»

тема: расчёт и проектирование зеркальной антенны.

Вариант №30.
ВЫПОЛНИЛ:

Кроль Илья Михайлович

ГРУППА: 04-315
ПРОВЕРИЛ:

Пономарёв Леонид Иванович

МОСКВА – 2003

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

Зеркальные антенны являются антеннами оптического типа. Они состоят из 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. Лучи, расходящиеся от облучателя, после отражения от зеркала образуют параллельный пучок, формируя остронаправленную диаграмму направленности шириной от десятка градусов до долей градуса.

Широкоугольное сканирование в однозеркальных антеннах осуществляется механическим вращением всей антенной системы в заданной плоскости.

Зеркальные антенны нашли широкое применение благодаря следующим свойствам: сравнительно простоте конструкции, надежности работы, хорошим диапазонным свойствам, способности формировать диаграммы направленности различной формы и ряда других положительных особенностей.

Однако зеркальные антенны обладают рядом существенных недостатков: затенение облучателем поля зеркальной антенны, механический способ сканирования, который является единственно возможным в однозеркальных антеннах, не обеспечивает высокой скорости управления диаграммой направленности при большом весе и сложности механизма вращения, уровень боковых и задних лепестков в диаграмме направленности однозеркальных антенн трудно поддается ослаблению.
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.

Электрическая принципиальная схема антенны

_{Расчёт основных характеристик и геометрических размеров антенны.}
_{Рабочая длина волны:}___{= 8,5 см.}

Ширина диаграммы направленности: 2_ 10º.

Допустимый уровень боковых лепестков: q = -24 дБ.

Полоса частот: 4%
Геометрические размеры зеркала:

По уровню боковых лепестков выбираем формулу аппроксимации закон изменения поля в раскрыве зеркала:

Нормированное значение поля на краю раскрыва

Ширина диаграммы направленности: 2_66,3*/2R.

R=28.2 см. – радиус параболоида.
Для определения эффективности реальных облучателей их диаграмма направленности в передней полусфере аппроксимируется функцией вида F() = cosⁿ(), где n = 1, 2, 3, … - целые числа. В нашем случае максимальная эффективность зеркальной антенны достигается при n = 1.Тогда _=66, где 2_- угол раскрыва зеркала.
Фокусное расстояние зеркальной антенны:

f = 20.87 см.
Глубина зеркала:

Схематическое изображение антенны с ее основными геометрическими размерами.

Диаграмма направленности рупорного облучателя:

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

Ширина диаграммы направленности рупорного облучателя: 2_110.
_{Найдём размеры раскрыва рупорного облучателя с оптимальной длинной}

_{в плоскости Н: в плоскости Е:}

_a_{= 8.29 см.}_b_{= 5.49 см.}

Оптимальная длина рупорного облучателя:

R_опт=3.12 см.

Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Н:

Диаграмма направленности рупорного облучателя в плоскости Е:

Диаграммы направленности теоретическая и в плоскостях Е и Н представлены на следующем графике:

На следующем графике в полярной системе координат представлено соответствие полученных диаграмм направленности облучателя использованной при выборе угла раскрыва зеркала и зависимости фокусного расстояния от радиуса зеркала косинусной диаграмме направленности:

Амплитудное распределение поля вдоль зеркала:
Е(х) -- амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала в плоскости Е в зависимости от диаграммы направленности рупорного облучателя:
F(х) -- амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала в плоскости H в зависимости от диаграммы направленности рупорного облучателя:
A(x) - аппроксимирующая функция.

_{Графики амплитудных распределений в плоскостях}_E_и_H_{, а таккже аппроксимирующая функция представлены на следующем рисунке:}

Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала, построенное в зависимости от диаграммы направленности рупорного облучателя, практически совпадает с аппроксимирующей функцией, что свидетельствует о правильном выборе самой аппроксимирующей функции и геометрических размеров зеркальной антенны.
Диаграмма направленности зеркальной антенны:
Диаграмма направленности зависит от от угла направления через функции Бесселя J1 и J0 по следующим формулам:

_J_0,_J_{1-функции Бесселя нулевого и первого порядка.}

_₌_l₀₌_{8.5 см.}

Ширина диаграммы направленности: 2_9.86.

_{Уровень боковых лепестков:}_q_{= -27.17 дБ.}

_₌____{4% = 8.16 см. Отклонение длины волны на –4%.}

Ширина диаграммы направленности: 2_9.63.

_{Уровень боковых лепестков не изменился.}

_₌____{4% = 8.84 см. Отклонение длины волны на +4%.}

Ширина диаграммы направленности: 2_10.20.

_{Уровень боковых лепестков не изменился.}

_{При изменении рабочей длинны волны в пределах заданной полосы частот происходит незначительное расширение}_{(сужение) диаграммы направленности при сохранении уровня боковых лепестков.}

_{Коэффициент полезного действия (КПД).}
_{При аппроксимации диаграммы направленности облучателя функцией}_F₍__{) =}_cosⁿ₍__{) КПД антенны равен}__{= 1 –}_cos²ⁿ⁺¹₍_₀_{). При}_n_{= 1}_{}

_{Коэффициент усиления антенны (КУ).}
КУ (G) антенны показывает, во сколько раз необходимо увеличить подводимую к антенне мощность при переходе от направленной антенны к абсолютно ненаправленной антенне, чтобы получить то же значение напряженности поля в точке приема.

Коэффициент усиления зеркальной антенны равен:

S = R² – площадь раскрыва.

 - коэффициент использования поверхности (КИП) зеркальной антенны, определяется характером амплитудного распределения поля в раскрыве зеркала.

 - коэффициент полезного действия антенны.

g = эффективность зеркальной антенны.

Угол раскрыва зеркала был выбран из условия максимальной эффективности антенны g=0,82. Коэффициент усиления при этом равен:

_G_{= 355.734}

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны.

КНД показывает, во сколько раз мощность излучения в направлении максимума излучения больше мощности излучения в том же направлении абсолютно ненаправленной антенны с такой же подводимой к ней мощностью.
D = 4S².
D = 381.397

_{Точность изготовления антенны.}
Технические допуски на точность изготовления зеркальных антенн определяются допустимой величиной отклонения фазового фронта в раскрыве зеркала от синфазного. Источниками фазовых ошибок в раскрыве антенны могут быть:

отклонение формы зеркала от расчетной;
смещение фазового центра облучателя из фокуса параболоида;
отклонение волнового фронта поля облучателя от сферического;

При отклонении формы зеркала от расчетной на величину  фазовая ошибка  в раскрыве зеркала равна:

Максимально допустимыми искажения диаграммы направленности будут при <, отсюда получаем величину допуска на точность изготовления зеркала:

Максимальная точность выполнения профиля зеркала должна быть у вершины:

 0.553 см
При смещении из фокуса зеркала фазового центра облучателя вдоль оси параболоида, в раскрыве появляется ошибка:

При < допуск на смещение облучателя из фокуса равен:

, где ₀= 66º – угол раскрыва зеркала.
 1.863 см

При смещении облучателя вдоль оси параболоида в раскрыве зеркала возникает квадратичная фазовая ошибка. Направление основного лепестка диаграммы направленности остается неизменным, увеличивается лишь его ширина и уровень бокового излучения.

При небольшом смещении облучателя в направлении, перпендикулярном оси параболоида, в раскрыве зеркала возникает линейная фазовая ошибка. В результате диаграмма направленности зеркальной антенны отклоняется от оси параболоида в сторону, противоположную стороне, в которую смещается облучатель, на угол
arc sin (R).

= 3.79.

Форма диаграммы направленности не меняется, так как <2_,

где 2_{}10 – ширина диаграммы направленности антенны при несмещенном облучателе.

_{Коэффициент усиления антенны с учетом неточности изготовления зеркала:}

На практике зеркало антенны всегда выполняется с некоторыми погрешностями. Отклонение  профиля реального зеркала от идеального при правильно организованном технологическом процессе носит случайный характер. Максимальная величина случайной ошибки определяется уровнем технологии и для зеркальных антенн с вероятностью 99% может быть определена следующим образом:

где n = 3 для обычного серийного производства; n = 4…5 – при специальной технологии.

Можно считать, что отклонение профиля  подчиняется нормальному закону распределения с нулевым средним значением и дисперсией ()². При этом с вероятностью 99% максимальное отклонение профиля не превышает:

Дисперсия фазовой ошибки в раскрыве – результат случайного характера  -- равна:

² =0.00095 при n = 3.
С учетом этого коэффициент усиления зеркальной антенны будет равен:

где S = R² – площадь раскрыва; g = 0.82 – эффективность зеркальной антенны.
G = 328.584.

_{Расчет фидерного тракта антенны.}
_{1. Расчет прямоугольного волновода.}
_{Так как антенна рассчитана на сантиметровые длины волн, в качестве основного фидерного тракта используем прямоугольный волновод с волной}_H₁₀_.

_{Схематическое изображение его части представлено на след. рисунке:}

_{Размеры поперечного сечения волновода выбираются так, чтобы волна}_H₁₀_{находилась в докритическом режиме, а волны высших типов, в частности}_H₂₀_и_H_01,_{в закритическом режиме.}

_{Размер широкой стенки: 0.6}__<_a_<0.9__{, 5.1 см.}_{< a < 7}_{.65 см. Выбираем}_a₌_{6.0 см.}

_{Размер узкой стенки:}_b_<__,_b_{< 4.25 см. Выбираем}_b₌_{3.0 см.}

_{Материал – латунь.}

_{Толщина стенки – 1.5 мм.}

_{Предельная мошность, пропускаемая волноводом:}

_Е_пред_{=30 кВ/см – напряженность электрического поля пробоя.}
Р_пред

7.6 МВт.
Допустимая мощность -- предельная мощность пропускания, умноженная на коэффициент запаса электрической прочности. Она учитывает неоднородности, вызывающие местные концентрации электрического поля, климатические факторы и наличие стоячей волны. Допустимая мощность Р_доп равняется: Р_доп= (1/3…1/5) * Р_пред.

Р_доп= 1.52 кВт.

При повороте волновода на 90⁰, производить скругление изгиба не требуется, так как данная антенна работает в узкой полосе частот.

_{2. Расчет круглого волновода.}
_{При вращении одной части волновода относительно другой должна сохраняться осевая симметрия поля. Это обеспечивается в круглых волноводах с волной типа}_E₀₁_и_H_01.
Из-за сложности возбуждения волны Н₀₁ в круглом волноводе в чистом виде (одновременно возбуждаются волны типа Н₁₁, Е₀₁, Н₂₁,Е₁₁) использование вращающихся сочленений на основе данного типа волны не получило широкого практического применения. В результате во вращающихся сочленениях как правило используется волна E₀₁.

Диаметр основного круглого волновода сочленения D определяется из условия распространения волны Е₀₁ (D>0,76) и затухания высших типов волн (D<0,97), т.е.

6.46 см. < D < 8.25 см.

D = 8.116 см. R = 4.058 см.

Проверка круглого волновода на максимальную пропускаемую мощность не производится, так как в прямоугольном волноводе с волной Н₁₀ электрический пробой наступает быстрее, чем пробой в круглом волноводе при любом типе волны.

3. Дроссельно-фланцевые соединения.
Для соединения отрезков волноводных линий передачи используются дроссельные соединения в круглых, вращающихся друг относительно друга волноводах и контактные фланцевые соединения в прямоугольных волноводах.

В качестве дроссельной секции в круглом волноводе применяется полуволновая замкнутая линия, состоящая из двух параллельных четвертьволновых участков. Использование притертого фланца при тщательной обработке и соблюдении параллельности фланцевых поверхностей позволяет получить в месте соединения двух неподвижных друг относительно друга отрезков волноводных линий хороший электрический контакт.
4. Переход от прямоугольного волновода к круглому.

Для согласования волнового сопротивления прямоугольного волновода с круглым волноводом используются индуктивные диафрагмы, которые впаиваются с двух сторон в прорези в узких стенках прямоугольного волновода, емкостные диафрагмы в виде кольцевого выступа в круглом волноводе, индуктивные штыри, впаиваемые в прорези в широкой стенке прямоугольного волновода. Их положение и размеры подбираются экспериментально.

5. Подавление паразитных типов волн:
При переходе от прямоугольного волновода с волной Н₁₀ к круглому волноводу в последнем возникают волны: рабочая - Е₀₁ и более низкая паразитная - Н₁₁. Волна Н₁₁ имеет несимметричную структуру поля и её энергия в круглом волноводе равна

1%, поэтому необходимы специальные устройства для гашения этой волны (допустимое содержание паразитных волн составляет 0,1%). В конструкциях таких сочленений для подавления паразитных волн широко применяют «гасящие объемы» и резонансные кольца.
«Гасящий объем» представляет собой круглый волновод, включаемый последовательно с возбуждающим прямоугольным и основным круглым волноводами сочленения. Если длину волновода сделать кратной целому числу полуволн типа Е₀₁, то входное сопротивление волноводов для волны Е₀₁ будет мало, и эта волна без затухания будет распространяться в основном круглом волноводе. Если одновременно сделать длину волновода кратной нечетному числу четвертей длин волн для волны Н₁₁, то входное сопротивление гасящего волновода для этой волны будет велико, и волна Н₁₁ в основном круглом волноводе распространяться не будет. Следовательно, длина «гасящего объема» определяется из условий: l =  _ ; l = 3_ ,

где _₁= 16.99 см; _₁= 11.32см – длины волн в волноводе.

После подстановки получаем: l = 8.493 см.
Диаметр гасящего волновода определяется из соотношения:

d = 7.52 см.

Принцип действия резонансных колец заключается в следующем: линии вектора E перпендикулярны кольцу, поэтому при точной ориентировке кольца в волноводе в нем не возбуждаются токи и волна Е₁₀ распространяется без потерь. В то же время волна Н₁₁ возбуждает в кольце токи, имеющие резонанс при длине кольца, равной длине волны в воздухе. Текущие в кольце токи возбуждают в волноводе волну типа Н₁₁ с фазой поля, сдвинутой на 180⁰ по отношению к фазе возбуждающего поля. Поэтому в круглом волноводе за кольцом поля волны Н₁₁ взаимно уничтожаются.
r₀= 0.159 см. - радиус круглой проволоки для изготовления колец.

r = 1,65 см – внутренний радиус кольца.
L=(2n + 1) _ - расстояние между фильтрующими кольцами; n=1,2….

L = 14.5 см.
Расстояние от кольца до дна основного круглого волновода выбирается из конструктивных соображений. Так как оно больше четверти длины волны Н₁₁, то практически не влияет на резонансную частоту кольца.
L₁ = 5.75 см. - расстояние от кольца до дна основного круглого волновода.

_{Список использованной литературы:}

_{«Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию по антенно-фидерным устройствам. Часть}_II_{».Под ред. Д.И. Воскресенского.}_{МАИ,1973 г.}
_{«Апертурные антенны СВЧ». Л.И. Пономарев. МАИ, 1983 г.}
_{«Расчет и конструирование вращающихся сочленений». В.Г. Воропаева. МАИ, 1962 г.}
_{«Справочник по элементам волноводной техники». Фельдштейн, Явич. Сов.радио, 1967 г.}
«Антенны и устройства СВЧ». Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин,

Л.И. Пономарев, В.М. Максимов. МАИ, 1999 г.