Двохдзеркальна антена за схемою Кассергена

року міністерство освіти Російської Федерации.

УГТУ-УПИ імені С. М. Кирова.

Кафедра ВЧСРТ група Р-398 оцінка двухзеркальная антенна.

ПО СХЕМОЮ КАССЕРГЕНА.

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА.

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ.

ПО КУРСУ: УСТРОЮ НВЧ І АНТЕННЫ.

201 600 0 013 ПЗ.

ЗАчёТНАя КНИЖКА №: 9 832 013.

СТУДЕНТ: АНІКІН До. З. 06.03.02.

ПІДПИС ДАТА КЕРІВНИК: НАЙМУШИН М. П.

ПОДПИСЬ.

ДАТА.

ЕКАТЕРИНБУРГ.

2001ГОД.

ЗМІСТ запровадження 1 1. вихідні дані і завдання проектування 2 2. Розрахунок основних конструктивних елементів антени і лінії передачі 3.

2.1. розрахунок розміру рефлекторів, фокусних відстаней, кутових розмірів. 3.

2.2. розрахунок розмірів облучателя. 6.

2.3. вибір типу лінії передачі й розрахунок її параметрів. 9 3. електричні характеристики антени. 13.

3.1. діаграма спрямованості облучателя. 13.

3.2. полі раскрыве рефлекторів. 15.

3.3 діаграма спрямованості і коефіцієнт посилення всієї антени. 16 4. конструкція антени. 17 висновок. 18 бібліографічний список. 19 додаток 1. (Д.Н. облучателя). 20 додаток 2. (Розподіл поля була в раскрыве). 21 додаток 3. (Д.Н. всієї антени). 22 додаток 4. (Конструкція облучателя). 23 додаток 5. (Загальний вид антени). 24 додаток 6. (Профілі перерізу дзеркал). 25.

Дзеркальні антени є распространёнными остронаправленными антенами. Їх широке використання у найрізноманітніших радіосистемах пояснюється простотою конструкції, можливістю отримання різних видів Д.Н., високим ККД, малої шумовий температурою, хорошими диапазонными властивостями тощо. У радіолокаційних цілях дзеркальні антени дозволяють легко отримати равносигнальную зону, допускають одночасне формування кількох Д.Н. загальним дзеркалом (зокрема сумарних і разностных). Деякі типи дзеркальних антен можуть забезпечувати досить швидке хитання променя у великій кутовому секторі. Дзеркальні антени є распространённым типом антен у космічній зв’язку й радіоастрономії, і з допомогою дзеркальних антен вдається створювати гігантські антенні споруди з ефективної поверхнею раскрыва, вимірюваною тисячами квадратних метров.

Двухзеркальня антена за схемою Кассегрена є систему що складається з цих двох що відбивають поверхонь — софокусных параболоїда і гіперболоїда — і облучателя, встановленого у другому фокусі гіперболоїда. Усі відстані по ламаної лінії від фокусу до раскрыва однакові, що забезпечує синфазность поля була в раскрыве. Двухзеркальная антена є більш компактною, ніж однозеркальная, і відданість забезпечує більш рівномірний розподіл порушення по раскрыву, і навіть є помехозащищённой, дає можливість вкоротити тракт НВЧ, і розмістити основну частину конструкції облучателя за дзеркалом, що особливо зручно в моноимпульсных радиолокаторах. При оптимізації розмірів облучателя і малого дзеркала вдається отримати КВП (0,60(0,65). Недолік системи — затінення раскрыва малим її дзеркалом, і навіть зворотна реакція малого дзеркала на облучатель.

Принцип роботи двухзеркальной антени за схемою Кассегрена полягає у тому, що електромагнітне полі від облучателя, позначаючись від другого дзеркала (гіперболоїда) потрапляє на поверхню першого дзеркала (параболоїда), аотражённое про нього, нарешті, випромінюється у просторі причому вид випромінюваного в простанство поля збігаються з полем випромінюваним пласкою синфазной поверхностью.

1. вихідні дані і завдання на проектирование.

Вибрати і расчитать: > Параметри облучателя; > Основні геометричні розміри дзеркал; > Розподіл поля була в раскрыве; > Діаграми спрямованості в вертикальної і горизонтальній площинах; > Лінію передачі; > Коефіцієнт посилення і ефективність антени; > Профілі перерізу зеркал.

Викреслити: > Конструкцію облучателя; > Загальний вид антени; > Профілі перерізу зеркал.

Расчётный варіант № 42.

У цьому варіанті при расчётах необхідно і дотримуватися наступних вихідних даних: > Частота F, ГГц. 11 > Ширина діаграми спрямованості ((за рівнем -3дБ (град.) 1,5 > Рівень бічних пелюсток (в дБ. -23 > Потужність передавача в імпульсі PИ, кВт. 80 > Коефіцієнт посилення — > Тип облучателя: диэлектрическая антенна.

2. Розрахунок основних конструктивних елементів антени і лінії передачи.

1. розрахунок розміру рефлекторів, фокусних відстаней, кутових размеров.

Перед початком розрахунків основних конструктивних параметрів дзеркал двох дзеркальній антени за схемою Кассегрена розглянемо малюнок 2.1., у якому показано основні параметри зеркал.

Рис. 2.1. Еквівалентний параболоїд. На малюнку 2.1.: e — ексцентриситет гіперболічного дзеркала; (0 — кут раскрыва великого дзеркала (чи параболоїда); (0 — кут зору мале дзеркало (чи кут раскрыва еквівалентного параболоїда); f — фокусне відстань великого дзеркала (чи параболоїда); fЭ — фокусне відстань еквівалентного параболоїда; ((- відстань до другого фокусу гіперболоїда; ((- відстань до першого фокусу гіперболоїда; D — діаметр раскрыва великого дзеркала (чи параболоїда); d — діаметр раскрыва малого дзеркала (чи гиперболоида).

Ексцентриситет гіперболічного дзеркала визначається соотношением:

[pic] (2.1.) І бо нашої антени обрані (0 =15(, а (0 0=90(, ті значення эксценнтриситета e=1,303.

З урахуванням те, що нам задано: ширина діаграми спрямованості по рівню (-3дБ), тобто. ((-3дБ =1,5(і культурний рівень бічних пелюсток (=-23 дБ і з урахуванням расчётных співвідношень для «круглого раскрыва, які надані в [1] (таблиця 3.2, з. 26), розрахуємо діаметр великого дзеркала D скориставшись соотношением:

[pic] (2.2.) — де (з в довжина хвилі у вільному просторі. [pic] (2.3.) — де З — швидкість світла 3(108 м/с, а F — задана робоча частота антени 11 ГГц.

Отже, отримуємо расчётное значення діаметра раскрыва великого зеркала:

D=1290,023 мм.

Використовуючи співвідношення, що пов’язує діаметр раскрыва великого дзеркала D, кут раскрыва великого дзеркала (0 і фокусне відстань великого дзеркала f, описане в [1] на із 23-ї, знайдемо фокусне відстань великого дзеркала по формуле:

[pic] (2.4.).

Скориставшись співвідношеннями 3.16 на з. 30 в [1] розрахуємо fЭ по формуле:

[pic] (2.5.).

Використовуючи співвідношення 3.17 (хоча б джерело, й та сторінка) произведём розрахунок по формуле:

[pic] (2.6.).

Використовуючи співвідношення 3.18 і 3.19 з [1] з 31 знайдемо ((і ((по формулам:

[pic]36,85 мм. (2.7.).

[pic]280,042 мм. (2.8.).

Профіль перерізу дзеркал z (x) визначається для великого дзеркала з рівняння параболоїда обертання в прямокутної системі координат (x, y, z), має вид:

[pic] (2.9.) а малого дзеркала з рівняння гіперболоїда вращения:

[pic] (2.10.).

Тут: [pic]; [pic]; c=a (e.

Розміри теоретично розрахованих профілів перерізу дзеркал не надто різниться від розрахованих за програмою (дивіться додаток 6), бо забезпечення заданої ((довелося зменшити теоретично розраховане по (2.4) фокусне відстань f до 290 мм., скориставшись при цьому методичними вказівками з [1] з. 44, у яких ідеться у тому, що якщо расчётная ширина головного лепестка чи коефіцієнта посилення антени відрізняється від заданих значень на (10 — 20)%, можна зробити корекцію дзеркал, примножуючи всі ці лінійні розміри на отношение:

((ОТРИМАНЕ/ ((ЗАДАННОЕ.

У цьому, розміри облучателя і кутові розміри дзеркальній системи залишаються незмінними й тепло зберігається функція розподілу поля і культурний рівень бічних лепестков.

2. розрахунок розмірів облучателя.

У нашому випадку як облучателя в двухзеркальной антени за схемою Кассегрена використовується диэлектрическая стрижнева антена (вид антен біжучому хвилі). Як і антени бегущеи хвилі стрижнева диэлектрическая антена реалізує режим осьового випромінювання та виконується на осное замедляющей системи, здатної підтримувати поверхневі хвилі. Діелектричні стрижневі антен застосовуються на частотах від 2ГГц і від і є діелектричні стрижні (іноді трубки) круглого чи прямокутного поперечного перерізу довжиною L (дивіться рис. 2.2.) довжиною кілька довжин хвиль, розпочаті відрізком круглого чи прямокутного металевого хвилеводу. У диэлектрическом стрижні використовується нижча гібридна уповільнена электромагнитная хвиля HE11 (дивіться рис. 2.3.). Найбільшого поширення набула отримали діелектричні антени зі стрижнем круглого перерізу, уставленим в круглий волновод.

Рис. 2.2. Діелектричні стрижневі антени. На малюнку 2.2.: а) цилиндрическая; б) конічна; D1=dMAX; D2=dMIN; 1 — циліндричний стрижень (чи трубка); 2 — кінець круглого волновода.

На частотах менш 3 ГГц круглий хвилевід зазвичай порушується від коаксіального кабелю (у своїй диэлектрическая антена — циліндричний стрижень), але в частотах вище 3 ГГц частіше використовується волноводное порушення з плавним переходом від прямокутного хвилеводу до круглого (при цьому диэлектрическая антена — конічний стержень).

У нашому випадку робоча частота 11 ГГц, у ролі облучателя дзеркальній антени використовуватимемо диэлектрическую стрижневу антену конічну форму. З іншого боку, діелектричні стрижні форми вибираються конічну форму зменшення відображення поля від кінця діелектричним антени та зниження рівня бічних пелюсток (в волноводе конічна частина стрижня, не учитывающаяся при розрахунку довжини діелектричним антени L і рівна 1,5((В, де ((У — довжина хвилі в волноводе, як і використовується для зменшення відображення поля від кінця диэлектрического стрижня більшого діаметра поперечного перерізу). Матеріал конічного диэлектрического стрижня виберемо фторопласт відносною діелектричним проницаемостью (r=2. Расчитаем розміри даного облучателя.

Диэлектрическая антена, як антена біжучому хвилі має максимальний коефіцієнт спрямованого дії КНД (див. [1] з. 9):

[pic] =6,971 (2.11.).

Для ефективного порушення стрижня його початковий діаметр повинен бути, у відповідність до співвідношенням з [1] на з десятьма приблизно равен:

[pic] =15,38 мм. (2.12.).

Фазовая швидкість хвилі наприкінці стрижня має відповідати фазової швидкості хвилі у вільному просторі й у відповідність до вираженням з [1] на з десятьма діаметр кінця диэлектрического стрижня обращённого у зовнішнє простір визначається по формуле:

[pic] =9,72 мм. (2.13.).

Оскільки діаметр перерізу диэлектрического стрижня перемінний то необхідні значення L, і d расчитываются виходячи з того, що (ОПТ визначається середнім значенням діаметра стержня:

[pic] =12,55 мм. (2.14.).

За підсумками розрахованого середнього діаметра dСР диэлектрического стрижня виберемо оптимальний коефіцієнт уповільнення фазової швидкості хвилі в стрижні (близька до 1) з мал. 1.6 в [1] на з. 9 (з малюнка видно, що обсяг уповільнення залежить від діаметра і матеріалу стрижня) (ОПТ (0,95, тобто. використовуючи співвідношення 1.7 з [1] можемо расчитать довжину диэлектрического стрижня по формуле:

[pic] =258,91 мм. (2.15.).

А, щоб у стрижні не порушувалися вищі типи хвиль спотворюють діаграму спрямованості діелектричним стрижневою антени, необхідно виконувати соотношение:

[pic] (2.16).

В Україні це співвідношення виконується т.к. d= 12,55 мм.(33,25 мм.

Рис. 2.3. Структура поля гібридної хвилі HE11.

1. вибір типу лінії передачі й розрахунок її параметров.

Як лінії передачі виберемо прямокутний хвилевід з розмірами, а і b (а-широкая стінка хвилеводу, b-узкая стінка хвилеводу), що разом з плавним переходом від хвилеводу прямокутного перерізу до круглого і діелектричним конічній стрижневою антеною (облучателем) утворює лінію харчування антенны.

У прямокутному волноводе можуть распостраняться хвилі електричних (Emn, m, n=l, 2,3,…) і магнітних (Нmn, m, n=l, 2,3…) типів. Электромагнитная хвиля типу Emn (Hmn) поширюється по волноводу, якщо виконується условие:

[pic] (2.17.) для частоты.

[pic] (2.18.) для довжини волны.

Где:

[pic] (2.19.) — критична частота хвилі типу Emn (Hmn).

[pic][pic] (2.20.) — критична довжина хвилі типу Emn (Hmn) m, n — індекси, що дають число варіацій (полуволн) компонентів поля відповідно вздовж осей X і Y.

Хвилю, що має в волноводе заданих розмірів чи b найменшої критичної частотою, називають основний хвилею. Решта хвилі називаються хвилями вищих типів. З формул (2.19.), (2.20.) слід, що при a>b основний хвилею буде хвиля Н10.

На малюнку 2.4. зображено розподіл поля основний хвилі Н10 в прямокутному волноводе. Рис. 2.4. прямокутний волновод.

Рис. 2.4. Структура поля основний хвилі Н10 в прямокутному волноводе.

(———— лінії електричного поля; — — — лінії магнітного поля).

З потужності передавача в імпульсі і частоти генератора лінії харчування, з таблиці 7.7 [5] з. 186 виберемо хвилевід R-120 з такими параметрами:

> Номінальні розміри: а=19,03 мм., b=9,525 мм.;

> Критична частота хвилі Н10, fKP= 7,869 ГГц;

> Робочий діапазон частот 1,25fKP…1,9fKP, для хвилі Н10=9,84…15,0.

ГГц;

> Номінальна робоча частота 1,5fKP =11,8 ГГц;

> Теоретичне згасання міді на 1,5fKP — (=0,133 дБ/м;

> Пробивна потужність РПР =0,201 МВт;

> Номінальна товщина стінки S=1,27 мм.;

> Погонная маса труби m =0,72 кг.

Для основний хвилі Н10:

[pic] мм. (2.21.).

[pic] мм.(2.22.).

Наступною по критичної частоти обраному прямокутному волноводе буде хвиля Н20 з ([pic]). (2.23.).

Діапазон частот, за яких волноводе може поширюватися лише основна хвиля Н10, задається неравенством:

[pic] (2.24.).

7,877 Внутрішній діаметр в мм.:

Номінал — 17,475;

Допуск — 0,017;

> Номінальна товщина стінок в мм. — 1,27.

> Частота в ГГц — 12,07;

> Згасання коливань виду H11 в дБ/м:

Теоретично розраховане — 0,1524;

> Згасання коливань виду H11 в дБ/м максимальне значення немає у таблице.

Структура поля хвилі H11 в круглому волноводе має вигляд той самий як на рис. 2.5.

Рис. 2.5.Структура поля H11 в круглому волноводе Рис. 2.5. Структура поля H11 в круглому волноводе:(———— лінії электрического поля; — — — лінії магнітного поля.

Электромагнитная хвиля типу Emn (Hmn) поширюється по волноводу, якщо ыполняется умова (2.18.).

Критична довжина хвилі для хвиль типу Hmn визначається з соотношения:

[pic] (2.25.) де — (m n — «n"-ый корінь похідною функції Бесселя «m"-го -порядка.

Для хвиль типу Emn:

[pic] (2.26.) де -(mn — «n"-ый корінь функції Бесселя «m"-го порядка.

Расчитаем критичні довжини хвиль для хвиль, що потенційно можуть распостраняться на частоті 11 ГГц в обраному круглому волноводе.

Для основний хвилі H11:

[pic]29,298 мм.

Для хвилі E01.

[pic]22,88 мм.

Для хвилі H21:

[pic]17,95 мм.

Для хвилі H01:

[pic]14,34 мм.

Хвилі E01, H21, H01, на зданной частоті распосграняться ні, так як і виконується умова (2.18).

Приблизний їх вид конструкції спользуемого за погодженням плавного переходу від прямокутного хвилеводу до круглого зображений на рис. 2.6. й у додатку 4.

Рис. 2.6. Конструкція плавного переходу з прямокутного хвилеводу з перерізом 48(24 мм. на круглий діаметром 70 мм.

3. електричні характеристики антенны.

1. діаграма спрямованості облучателя.

Як було встановлено раніше, як облучателя дзеркальній антени був обраний конічний діелектричний стрижень (він зображений на рис. 2.4., причому у центрі осей координат розташований фазовий центр діелектричним антени і друге фокус гіперболоїда (чи малого дзеркала), і навіть кут (= (0, де (0 — кут зору край малого рефлектора). рис. 2.4.

Діаграма спрямованості діелектричним антени изображённой на рис. 2.4. то, можливо розрахована по приближённой формуле:

[pic] (2.27.).

Де кут (відраховується від осі диэлектрического стрижня, а также:

[pic] - у площині [pic] (2.28.).

[pic] - у площині [pic] (2.29.).

Ширіну головного лепестка діаграми спрямованості за рівнем половинної потужності приближённо можна розрахувати по формуле:

[pic]= 22,72((2.30.).

Розрахункові формули взяті з [1] на з. 10.

Діаграма спрямованості діелектричним антени повинна вийти такий, щоб нулі головного лепестка припадали за показ такої кут (, що нульовий випромінювання діелектричним антени складали краю гиперболоида.

Розрахована діаграма спрямованості зображено при застосуванні 1.

1. полі раскрыве рефлекторов.

Найпростіше спрямовані властивості параболічної антени розраховуються так званим апертурным методом, тобто. полем у її раскрыве.

При установці в фокусі головного рефлектора облучателя з діаграмою спрямованості FОБЛ ((,() в раскрыве дзеркала наводять синфазное полі з амплитудным розподілом і це амплітудна розподіл поля можна розрахувати скориставшись формулою з [1] на із 23-ї, що враховує, що облучателем параболоїда є гиперболоид:

[pic] (2.31.).

У цьому координати точок раскрыва xp, yp, fp, (p пов’язані з кутами (і (співвідношеннями, обумовленими геометрією завдання (дивіться рис. 2.5.):

[pic] (2.32.).

[pic] (2.33.).

[pic] (2.34.).

[pic] (2.35.).

Розраховане за цими формулам амплітудний розподіл поля була в раскрыве рефлекторів зображено при застосуванні 2.

3. діаграма спрямованості і коефіцієнт посилення всієї антенны.

По відомому полю в раскрыве рефлекторів розраховується F ((, () по формуле:

[pic] (3.1.).

Где:

[pic] (3.2.);

P.S — поверхню раскрыва;

ST — площа проекції на розкривши затеняющих элементов.

Коефіцієнт посилення антени з урахуванням апертурного коефіцієнта исполизования (а (чи КВП), обумовленого амплітудної нерівномірністю поля була в раскрыве, і коефіцієнта перехоплення потужності облучателя дзеркалом (п розраховується за формуле:

[pic] (3.3.).

Где:

[pic](3.4.).

Загальна ефективність антени (а=(а ((п визначається з соотношения:

[pic] (3.5.).

Усі розрахункові співвідношення взяті з [1] на з. 23−24.

Розрахована діаграма спрямованості всієї антени за схемою Кассегрена разом із параметрами зображено при застосуванні 3.

4. конструкція антенны.

З урахуванням малюнка 4.1. і 4.2., і навіть розрахованих раніше розмірів рефлекторів у відповідній пункті 2 пропонується, конструкція антени (дивіться додаток 5) що дозволяє реалізувати цю антенну.

Рис. 4.1. Двухзеркальная параболічна антена за схемою Кассегрена. а — схема та перебіг променів; б — розподіл випромінюючих струмів по радиусу.

заключение

.

У результаті курсового роботи було спроектовано двухзеркальная параболічна антена за схемою Кассегрена і зроблено основні розрахунки параметрів, характеризуючих роботу антени, побудовано діаграми спрямованості всієї антени і облучателя, тобто. стрижневою конічній діелектричним антенны.

У процесі проектування вдалося реалізувати антенно-фидерное пристрій що задовольнить вихідним даним курсового проекту, саме забезпечити роботу двухзеркальной антени за схемою Кассегрена на частоті 11 ГГц із шириною ДН ((за рівнем -3 дБ в 1,5 градуси з рівнем бічних пелюсток трохи більше -18,3 дБ, коефіцієнтом посилення 41 дБ і коефіцієнтом використання поверхні КВП рівним 0,704. Усі основні рассчитаные дані є малюнку при застосуванні 6.

Було з’ясовано, що: > Ширина діаграми спрямованості синфазного раскрыва зворотно пропорційна розміру раскрыва, вираженого в довжинах хвиль, і навіть залежить з його форми і розподілу поля ньому; > Чим сильніший спадає полі раскрыве для її краях, тим за ті самі розмірах антени більше ширина головного лепестка і від рівень бічних пелюсток; > Затінення раскрыва дзеркала облучателем, чи іншими елементами антени може значно підвищити рівень бічних пелюсток проти незатенённым раскрывом; > Фазовий центр облучателя повинен збігатися з іншим фокусом гіперболоїда незначні зрушення чи зміну розмірів облучателя сильно впливають на діаграму спрямованості і розподіл поля була в раскрыве головного рефлектора антени; > Як облучателей параболічної антени за схемою Кассегрена можна використовувати прості слабонаправленные облучатели: рупорные, вибраторные, спіральні, щелевые, полосковые. > Форма діаграми спрямованості облучателя має відповідати формі раскрыва головного дзеркала. Необхідний спад інтенсивності опромінення до краях дзеркала обумовлений двома чинниками: загальної інтенсивністю антени і вищий рівень бічних пелюсток (УБЛ).

Також під час курсового проектування був кращим вивчене і закріплено матеріал курсу НВЧ пристрої і антени і отримано цінний практичного досвіду по розрахунком основних параметрів двухзеркальной антени за схемою Кассегрена.

бібліографічний список.

Література: [1], [2], [3], [4], [5].

1. «Проектування антенних систем НВЧ: Методичні вказівки і завдання до курсовому проекту для студентів всіх форм навчання радіотехнічних спеціальностей». Упорядники: Наймушин М. П., Панченко Б. А., Шабунин С. Н.;

Науковий редактор проф., буд — р. техн. наук Панченко Б. А. Екатеринбург:

УГТУ — УПИ, 1993 рік 48 с.

2. Драбкин О. Л., Зузенко В. Л., Кислов О. Г. «Антенно-фидерные устройства».

Вид. Рад. радіо, 1974. 536 стр.

3. Жук М. С., Молочков Ю. Б. «Проектування антенно-фидерных пристроїв». М.:

Енергія, 1996 рік 648 с.

4. Сазонов Д. М. «Антени та внутрішнього облаштування НВЧ: Підручник для радіотехнічних спеціальних вузів». М.: Высш. шк., 1988. — 432 з.: мул. ISBN 5−06−1 149;

6.

5. «Довідник конструктора РЭА: Компоненти, механізми, надёжность».

Барканов Н.А., Бердычевский Б. Е., Верхопятницкий П. Д. та інших.; Під. ред.

Варламова Р.Г. — М.: Радіо і зв’язок, 1985 — 384 з., мул. Упер.: 2р. 40 000 экз.

6. додаток 1. (Д.Н. облучателя).

додаток 2. (Розподіл поля була в раскрыве).

додаток 3. (Д.Н. всієї антенны).

додаток 4. (Конструкція облучателя).

додаток 5. (Загальний вид антенны).

додаток 6. (Профілі перерізу зеркал).

———————————;

Кут розвороту 0(.

Кут розвороту 90(.

Кут розвороту 0(.

Кут розвороту 90(.

Кут розвороту 0(.

Кут розвороту 90(.

Y.

X.

Z.

(.

(.

(.

Гиперболоид.

Діелектричний стержень.

X.

Z.

(.

F.

X.

Y.

Y.

f.

r (().

(.

R.

(.

(.

F.

Рис. 2.5.

Коефіцієнти уповільнення хвилі HE11.

Пример діелектричним лінії передачи.

4.2.