Расчет характеристик и геометрических размеров двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена. Распределение поля в раскрыве. Выбор типа линии передачи и устройства СВЧ, применяемых для получения необходимого типа волны в линии. Расчет профиля сечения зеркал.
Аннотация к работе
Существуют различные типы зеркальных антенн: параболические зеркала (параболоид, усеченный параболоид и параболический цилиндр), сферические зеркала, плоские и уголковые зеркала, а также зеркальные антенны специальной формы, двух-и многозеркальные антенны, зеркально-рупорные антенны. Зеркальная параболическая антенна состоит из металлической поверхности, выполненной в виде параболоида вращения и небольшой слабонаправленной антенны - облучателя, установленной в фокусе параболоида и облучающий внутреннюю поверхность последнего. В двухзеркальной антенне используются две отражающие поверхности: основная - большое параболическое зеркало и вспомогательная - малое зеркало в виде гиперболоида (антенна Кассегрена) или эллипсоида вращения (антенна Грегори). При этом вследствие геометрических свойств гиперболы отражаемая малым зеркалом сферическая волна как бы исходит из первого фокуса, совмещаемого с фокусом большого зеркала. А недостатки - затенение раскрыва малым зеркалом и элементами его крепления, переливание энергии облучателя через края этого зеркала (это, тем не менее, не так опасно как для однозеркальной антенны, так как вызывает только рост УБЛ), а также реакция малого зеркала на облучатель и связанное с этим ухудшение диапазонных свойств.Коэффициент направленного действия антенны.При этом облучатель должен создавать в пределах угла его раскрыва сферическую или близкую к ней волну. ДН облучателя должна обеспечивать требуемое амплитудное распределение в раскрыве при малом переливании энергии через края зеркала, по возможности обладать осевой симметрией и минимальным уровнем боковых и задних лепестков. Облучатель и его тракт питания следует рассчитывать и конструировать так, чтобы заданная мощность пропускалась без возможности пробоя диэлектрика. Отраженная от конца стержня волна приводит к появлению в ДН дополнительных боковых лепестков, соответствующих излучению антенны в обратную сторону. Для эффективного возбуждения стержня диэлектрической антенны его начальный диаметр должен удовлетворять требованию: Фазовая скорость волны на конце стержня должна соответствовать фазовой скорости волны в свободном пространстве, что примерно выполняется, если диаметр на конце стержня соответствуетДля возбуждения облучателя (диэлектрической антенны) используется круглый волновод типа С140. Основные характеристики волновода приведены в следующей таблице: fkp, ГГЦ Внутренний диаметр, мм Толщина стенок, мм Затухание колебаний типа Н11, ДБ/м Предельная мощность, переносимая волной Н11 в круглом волноводе, рассчитывается по формуле: , где Е0=3*106 В/м - пробивная напряженность электрического поля при заполнении волновода воздухом; Данная мощность превышает заданную мощность передатчика в импульсе (Р=5 КВТ) с большим запасом, значит, круглый волновод способен подводить к диэлектрической антенне необходимую мощность от передатчика без электрического пробоя. Для преобразования волны Н10 в прямоугольном волноводе в волну Н11 в круглом волноводе используются плавные и ступенчатые переходы.Для главного зеркала профиль сечения z(x,y) можно найти, используя формулу: , Преобразуем к виду: . Для малого зеркала профиль сечения z(x,y) можно найти, используя формулу: , где: , , .В ходе выполнения работы по техническому заданию был произведен расчет двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена. В соответствие с техническим заданием в качестве облучателя антенны использовалась диэлектрическая стержневая антенна. Высшие типы волн, искажающие диаграмму направленности, в антенне не возникают. В ходе расчетов также была проведена коррекция размеров диэлектрической антенны для обеспечения более точного выполнения технического задания. Для возбуждения диэлектрической антенны был выбран круглый волновод (типа С140 в соответствии с рекомендациями МЭК) диаметром d=15.1мм, работающий на основном типе волны H11, который плавно переходит к прямоугольному волноводу (тип R140 в соответствии с рекомендациями МЭК) с размерами 15.799? 7.899.ДН облучателя в плоскости ЕРазмещено на .
Вывод
В ходе выполнения работы по техническому заданию был произведен расчет двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена.
В соответствие с техническим заданием в качестве облучателя антенны использовалась диэлектрическая стержневая антенна. Был произведен расчет ее геометрических размеров, в качестве диэлектрического материала был взят фторопласт-4. Форма диэлектрической антенны для обеспечения более качественных характеристик (уменьшения отражения от конца диэлектрической антенны и снижения уровня боковых лепестков) была выбрана конической. Высшие типы волн, искажающие диаграмму направленности, в антенне не возникают. В ходе расчетов также была проведена коррекция размеров диэлектрической антенны для обеспечения более точного выполнения технического задания. Таким образом, облучатель имеет следующие параметры: Больший диаметр стержня dmax, мм15
Меньший диаметр стержня dmin, мм9.4
Длина стержня L, мм106
Диэлектрическая проницаемость диэлектрика er 2
Коэффициент замедления x0.91
Для возбуждения диэлектрической антенны был выбран круглый волновод (типа С140 в соответствии с рекомендациями МЭК) диаметром d=15.1мм, работающий на основном типе волны H11, который плавно переходит к прямоугольному волноводу (тип R140 в соответствии с рекомендациями МЭК) с размерами 15.799? 7.899. Диэлектрический стержень крепится в круглом волноводе без клея, плотным вставлением в него.
Конструкция облучателя приведена в Приложении 4. ДН диэлектрической антенны - в Приложении 2
Расчет антенны Кассегрена был произведен с помощью программы "Расчет двухзеркальной антенны Кассегрена". Программа позволила рассчитать основные параметры антенны: ДН облучателя, распределение поля в раскрыве, ДН антенны; коэффициент использования поверхности КИП. В ходе расчетов были внесены некоторые коррективы в параметры антенны для более точного соответствия техническому заданию. Получены следующие параметры и характеристики двухзеркальной антенны Кассегрена с диэлектрическим облучателем: Диаметр основного зеркала D, мм618
Диаметр малого зеркала d, мм81
Эквивалентный фокус Fэ, мм1.174
Уровень боковых лепестков d, ДБ17
Ширина главного лепестка ДН DQ-3ДБ2
КИП0.607
Полученное значение затенения d/D=0.131 удовлетворяет требованию d/D<0.2, что необходимо для уменьшения уровня боковых лепестков. В соответствие с техническим заданием удалось реализовать узкий луч ДН 2Дб. Общая эффективность антенны получилась равной 0.607, что является достаточно неплохим результатом. Общий вид антенны приведен в Приложении 3.
Также проводился расчет линии питания. Расчеты показали, что волноводы, использующиеся в качестве линии питания, имеют следующие основные эксплуатационные характеристики: Круглый волновод
Размер d, мм15.1
Толщина стенок ,мм1.015
Затухание (медь) ,ДБ/м0.1893
Прямоугольный волновод
Размер a?b, мм15.799 ? 7.899
Толщина стенок ,мм1.015
Затухание (медь) ,ДБ/м0.176
Круглый волновод соединен с прямоугольным через плавный переход.
Список литературы
1. Фельдштейн_Явич_Смирнов, Справочник по элементам волноводной техники.
2. Файл программы Mathcad Расчет профиля сечения зеркал, Двузеркальная антенна по схеме Кассегрена (2000) диэлектрическая антенна
3. Методические указания по проектированию и задания к курсовому проекту для студентов всех форм обучения радиотехнических специальностей.