Воскресенский Д.И. Расчет зеркальных антенн - файл n1.doc

приобрести
Воскресенский Д.И. Расчет зеркальных антенн
скачать (607.8 kb.)
Доступные файлы (2):
n1.doc678kb.21.11.2010 22:07скачать
n2.pdf399kb.21.11.2010 05:08скачать

n1.doc



министерство общего и профессионального образования

российской федерации

______________________
московский авиационный институт

(государственный технический университет)

пособие к курсовому проектированию
по курсу устройства СВЧ и антенны
Расчет зеркальных антенн


Под ред. проф. Д.И. Воскресенского


Утверждено

на заседании редсовета

дата

Москва
Издательство МАИ

2005

предисловие

При проведении курсового проектирования возникает необходимость как в точных, так и в упрощенных методиках расчета зеркальных антенн, которые позволили бы лицам, знакомым лишь с общей теорией антенн выполнять курсовой проект. Применение пакетов прикладных программ, разработанных для расчета характеристик зеркальных антенн, затруднено для курсового проектирования, так как время разработки ограничено и требуется предварительный расчет и выбор основных параметров зеркальных антенн, исходя из задания.

Поэтому возникла необходимость в переиздании учебного пособия «Пособие по расчету антенн сверхвысоких частот», изданного в 1957 г., широко используемого при курсовом проектировании, но ставшего библиографической редкостью.

В приводимом ниже пособии излагается наиболее простой способ предварительного выбора вариантов построения зеркальных антенн, исходя из задания на курсовой проект. Для определения характеристик направленности зеркальных антенн в пособии использован апертурный метод, позволяющий наиболее просто и быстро выполнить расчет. В отличие от ранее изданного пособия, данное пособие дополнено конструкцией и основными характеристиками современных облучателей. После проведения предварительного проектирования могут быть использованы учебные пособия [1-3], в которых более полно изложены методы расчета и определения характеристик зеркальных антенн.


зеркальные Антенны

ВВЕДЕНИЕ



Зеркальные антенны - один из основных типов антенн СВЧ, нашедший широкое применение в различных отраслях радиоэлектроники (спутниковое телевидение, радиолокация, бортовые и корабельные радиоэлектронные системы, радиосвязь, радиоастрономия и др.). Антенны обладают рядом преимуществ: конструктивная простота, возможность получения огромных усилений (дальняя космическая радиосвязь, радиоастрономия), работа в широкой полосе частот (радиометрия) [6].

Зеркальная антенна состоит из рефлектора и облучателя. В зависимости от формы рефлектора существуют различные типы зеркальных антенн: цилиндрические, сферические, параболические, с плоским рефлектором, с уголковым рефлектором и с рефлектором специальной формы. Наиболее распространенным типом являются зеркальные антенны с параболическим рефлектором. В приложении 1 показан пример электрической схемы зеркальной антенны с механическим сканированием.

Параболическая антенна работает по принципу оптической системы. В фокус зеркала помещается первичный слабонаправленный излучатель, излучающий сферическую электромагнитную волну. Под действием электромагнитной волны облучателя на поверхности параболического рефлектора возникают электрические токи, которые возбуждают электромагнитные поля. Распределение токов по поверхности параболоида соответствует формированию синфазных электромагнитных полей в апертуре. Поле излучения зеркальной антенны представляет собой сумму полей, создаваемых токами, распределенными по поверхности зеркала. Если размеры зеркала много больше длины волны, то для анализа характеристик зеркальных антенн можно воспользоваться методами геометрической и волновой оптики. В соответствии с методом геометрической оптики, расходящиеся от источника в фокусе лучи после отражения от параболического рефлектора становятся параллельными. Таким образом, параболический рефлектор преобразует сферические волны источника в плоские волны в раскрыве. Если используют цилиндрический параболоид с линейным облучателем, то цилиндрическая волна облучателя так же преобразуется в параллельный пучок лучей и синфазное поле в раскрыве.

Строгое определение поля параболической зеркальной антенны требует решения задачи дифракции сферической волны на параболической поверхности. Эта задача трудоемкая, а получающиеся результаты необходимы только для решения ряда частных задач. На практике широко используются приближенные методы расчета: апертурный, токовый и геометрической теории дифракции (ГТД). Апертурный метод обеспечивает достаточную точность расчета главного лепестка диаграммы направленности (ДН) и ближайших боковых лепестков в угловом секторе от оси ДН до угла , а токовый метод – до угла рис.1. Дальнее боковое излучение и поле в области тени зеркальных антенн рассчитывают методом ГТД [1-3,9,10]. Токовый метод расчета зеркальных антенн подробно рассмотрен в литературе [7,8].



Рис.1. К расчету зеркальной параболической антенны.

1. ВЫБОР ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОГО

ЗЕРКАЛА. КОЭФФИЦИЕНТ НАПРАВЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

Зеркальная антенна для формирования луча и образования синфазного поля в апертуре должна иметь форму параболоида вращения. Параболоид вращения получается вращением параболы вокруг фокальной линии, соединяющей фокус с вершиной параболы. Парабола – геометрическое место точек, удовлетворяющее в декартовой системе координат уравнению , где F-фокус,- фокусное расстояние рис.1. При графическом построении зеркала иногда удобно пользоваться сферической системой координат R, ’,’ с началом в фокусе, в которой уравнение принимает вид:

(1)

Излагаемая ниже методика может быть также использована и для цилиндрического параболоида с прямоугольным излучающим раскрывом.

На практике также используют более сложные двухзеркальные системы типа Кассегрена, косекансные, моноимпульсные и другие специальные антенны [4].

Ниже рассматриваются только однозеркальные параболические антенны, имеющие круглый раскрыв и близкую к осесимметричной ДН с заданными характеристиками направленности.

При проектировании параболиче­ской антенны исходными данными могут быть: усиление (или КНД), ширина луча 20,7, УБЛ, рабочая частота или полоса частот. Методика проектирования может иметь ряд вариантов. Некоторые параметры могут быть исходными при проектировании, а другие параметры определяются в процессе расчета. В задание могут быть также включены энергетические характеристики (предельная мощность излучения, шумовая температура) и другие конструкторские, технологические и эксплуатационные требования. Так, может даваться место установки антенны, область использования, стоимость и другие требования. В процессе проектирования приходится задаваться или выбирать ряд параметров, для которых проводится расчет и эта итерация может быть проведена несколько раз для определения нужного варианта. В литературе известно несколько методов расчета зеркальных антенн. Ниже излагается следующая последовательность расчета. Начинаем расчет с выбора зеркала и далее для выбранной фокусирующей системы проводим расчет облучателя.

Форма амплитудного распределения в раскрыве зависит от характеристики направленности облучателя, фокусного расстояния и угла раскрыва зеркала. Характер амплитудного распределения определяет ширину луча, КИП и УБЛ. По заданным характеристикам направленности можно выбрать то или иное амплитудное распределение по таблице 1. Из задания берем необходимые характеристики направленности и определяем требуемое амплитудное распределение и диаметр зеркала 2R.

Таблица 1.

Круглый раскрыв: ,

20,7

УБЛ,

дБ

КИП


Амплитудное распределение

n

ДН



-17,6

1

1

-








-18,6

0.996




0,8










-19,8

0,98

0,6






-20,6

0,964

0,5






-21,5

0,943

0,4






-22,4

0,917

0,316






-23,5

0,87

0,2






-24,2

0,818

0,1






-24,6

0,75

0






-23,7

0,87




0,25

1






-22

0,92

0,5



-32,3

0,81

0,25

2



-26,5

0,88

0,5



-32,3

0,79

0,25

3



-30,8

0,87

0,5



-30,6

0,555








2







-36


0,438




3



-40,9

0,36




4



-34

0,74











-41,4

0,68













-22,5



0,9




0,268

1







-26

0,359

2



-27,8

0,375

3



-24



0,85

0,158

1



-28,2

0,273

2



-29

0,298

3



-24

0,8

0,072

1



-31,2

0,208

2



-17,6

1

**

1



0



-

-

-

0,8

-

-

-

0,67



-24,7

0,75

1


1




-23,7

0,87

0,8



-22

0,92

0,67



-33,7

0,55

1



2



-32,3

0,81

0,8



-26,5

0,88

0,67



-36,1

0,45

1



3



-32,3

0,79

0,8



-30,8

0,87

0,67

Диаметр раскрыва определяется по заданной ширине луча или КНД, обеспечивающего необходимый УБЛ. При выборе варианта антенны с тем или иным амплитудным распределением необходимо иметь в виду, что с уменьшением УБЛ уменьшается КИП и, соответственно, для заданной ширины луча и усиления растет диаметр зеркала. При жестких ограничениях на размер зеркала, необходимо стремиться к более равномерному распределению поля и соответствующему росту УБЛ. Выбрав апертуру, можно перейти к выбору фокусного расстояния и угла раскрыва. С увеличением фокусного расстояния растут габариты антенны, при заданном типе облучателя выравнивается распределение поля в апертуре, но часть энергии «переливается» через края и уменьшается КПД облучателя, т.е. отношение энергии волны, падающей на зеркало, к общей части излучаемой энергии в пространстве. В зависимости от ранжирования требований к антенне выбирается амплитудное распределение и фокусное расстояние. Если наиболее важным параметром является усиление антенны и КИП, то стараются обеспечить более равномерное поле в раскрыве. Если требуется обеспечить УБЛ, то реализуют более спадающее к краям распределение. Так, например, при слабонаправленном облучателе типа вибраторного для получения максимального коэффициента усиления можно использовать следующее соотношение [5]:

(2)

где f — фокусное расстояние (рис. 2);

R0— радиус раскрыва.

Для создания выбранного амплитудного распределения в апертуре нужно знать ДН облучателя. При проектировании возможны два случая: облучатель задан или обучатель подлежит выбору. Для полученного максимального коэффициента усиления зеркальной антенны с данным облучателем выбирается оптимальный угол раскрыва.

Оптимальный угол раскрыва зеркала в этом случае определяется из выражения для КНД антенны, полученного в теории зеркальных антенн [7].

(3)

где G – коэффициент направленного действия антенны; D – диаметр раскрыва антенны; 0 – искомый угол раскрыва антенны; - коэффициент направленного действия облучателя в направлении ; - диаграмма направленности облучателя. В этом выражении - коэффициент направленного действия антенны при полном использовании площади рас­крыва, т. е. при постоянстве фаз и амплитуд в раскрыве; остальная часть выражения представляет собой КИП или эффективность g

(4)

Если диаграмма направленности облучателя по мощности в пределах главно­го лепестка апроксимируется функцией,

(5)

то КНД облучателя в направлении определяется выражением:

(6)

и КИП определяется по формуле:

(7)

показатель степени n не ограничивается значениями натуральных чисел; он может быть любым положительным действительным числом. На рис.3 показана зависимость КИП от угла раскрыва для различных значений показателя степени n.



Рис.3.Зависимости КИП зеркала от угла раскрыва.

Таким образом, для заданного облучателя строится ДН по мощности, аппроксимируется функцией и для нее по графикам рис.3 определяется угол раскрыва зеркала.

При рассмотрении второго варианта, если не задан тип облучателя, то его выбирают. Исходными параметрами выбора облучателя являются: рабочий диапазон, полоса , требуемая поляризация поля излучения (основная), максимальная необходимая мощность излучения. Для выбранного типа облучателя рассчитывают и аппроксимируют ДН и выбирают оптимальный угол раскрыва для получения максимального КИП и КНД. Если исходным параметром является ширина диаграммы направленности с заданным УБЛ, то угол раскрыва выбирается исходя из облучения края раскрыва заданным уровнем по выбранному амплитудному распределению. В этом случае, по графикам рис.4, показывающим уровень облучения края зеркала в зависимости от требуемого УБЛ и ДН облучателя, подбирается угол раскрыва зеркала.



Рис.4.Зависимость УБЛ от относительного уровня облучения края зеркала.

Далее ДН облучателя аппроксимируется соотношением (5). Для выбранного угла раскрыва по графикам рис.3 можно определить КИП. После этого можно перейти к расчету ДН.


2. расчет характеристик направленности

Приведенный расчет дан для одной плоскости вертикальной или горизонтальной. У облучателя ДН в вертикальной и горизонтальной плоскости могут отличаться. Поэтому целесообразно провести аппроксимацию ДН облучателя в одной плоскости и провести определение оптимального угла в одной и другой плоскости. Если есть возможность регулировки диаграммы направленности облучателя в двух плоскостях, то такой расчет можно не проводить.

В начале проверяют получение амплитудного распределения в раскрыве для заданного облучателя, фокусного расстояния, и угла раскрыва 2. Наиболее простым методом определения распределения является метод геометрической оптики. Поясняет этот метод рис.5. Для каждого направления угла  значение ДН облучателя (отрезок ab) переносится на ось or (отрезок cd). Функцию перестраивают в функциюгде r- координата, отсчитываемая методом простой геометрии. Полученное распределение аппроксимируют функцией из таблицы 1.



Рис.5.

Если наиболее близкая аппроксимирующая функция E(r) совпадает с выбранной функцией для заданного УБЛ, то не требуется вторичной итерации изменения раскрыва. Для найденной функции определяется аппроксимация поля ДН в соответствии с теорией антенн СВЧ. Преобразования Фурье (т.е. переход от распределения поля к ДН) для распределений, которые были взяты, определяются в виде  - функций.  –функции – известные, табулированные функции, таблицы которых приведены в приложении 2. Кроме того, в приложении 2 приведено аналитическое выражение  – функции, которое позволяет рассчитать ДН на персональном компьютере. Для заданной длины волны строится ДН в декартовых координатах в одной или двух плоскостях. ДН достаточно хорошо отражает ДН зеркальной антенны в пределах основного и первых боковых лепестков. Если необходимо рассчитать дальние боковые лепестки, то применяется метод геометрической теории дифракции [3].

Если не задан тип облучателя и неизвестна его ДН, но известно амплитудное распределение поля в раскрыве, то для параболической зеркальной антенны можно определить ДН облучателя из следующего выражения:

(8)

где - ДН облучателя. Связь переменных r и показана на рис.5.

Для амплитудных распределений из таблицы 1, выражение (8) принимает вид:

(9)
3. Облучатели зеркальных параболических антенн.

В качестве облучателей зеркальных антенн используют слабонаправленные излучатели, которые излучают в пределах полупространства на зеркало и не излучают в обратном направлении (в свободное пространство). Теоретически оптимальной ДН является ДН рис.6.

Целесообразно остановиться на выборе облучателя в соответствии с диапазоном волн. Облучатель питается линией передачи СВЧ, соответствующего диапазона и удобно, чтобы облучатель был естественным продолжением питающей линии.

Рис.6.Оптимальная ДН облучателя.

Так в дециметровом диапазоне и длинноволновой части сантиметрового диапазона удобно использовать вибратор, который возбуждается коаксиальной линией, являющейся элементом крепления. Непосредственное соединение симметричного вибратора с коаксиальной линией приводит к возникновению тока на наружной поверхности линии, излучению коаксиальной линии и искажению ДН вибратора. Для соединения симметричного вибратора с коаксиальной линией применяют симметрирующие устройства [8] рис.7.

Для обеспечения симметричного возбуждения с помощью U – колена, разность длин отрезков питающей линии выбирается равной ( - длина волны в линии), а наружные поверхности закорачиваются. Длина отрезка l1должна обеспечивать согласование активных составляющих входного сопротивления антенны и коаксиальной линии.


Рис.7. Симметрирующие устройства: U – колено (a), четвертьволновый стакан (б).

Четвертьволновый стакан представляет собой металлический цилиндр длиной , припаянный с нижней стороны к наружной поверхности коаксиальной линии. Короткозамкнутая на конце четвертьволновая линия, образованная стаканом и внешней поверхностью коаксиальной линии, имеет высокое входное сопротивление и препятствует ответвлению тока на внешнюю поверхность линии.

В сантиметровом диапазоне вибраторный облучатель может возбуждаться волноводом рис.8.



Рис.8. Вибраторный облучатель, возбуждаемый прямоугольным волноводом.

Для однонаправленности используют вибратор с контррефлектором в виде диска рис.9. Диаметр вибратора выбирают из условий получения нужного диапазона частот и достаточной механической прочности. Практи­чески диаметр вибратора часто полагают равным диаметру внутреннего провода питающей коаксиальной линии, чтобы уменьшить неоднородность в точке подключения вибратора, а также для удобства сборки. Диаметр контррефлектора реко­мендуется брать D=0,815 рис. 9.



Рис.9. Схема антенны с параболическим отражателем.

Такой контррефлек­тор дает достаточно хорошую экранировку переднего лепестка диаграммы вибратора и в то же время не слишком «затеняет» параболическое зеркало. Располагают рефлектор от вибратора на расстоянии ,что создает оптимальные условия для сложения поля активного вибратора и поля, отраженного от контррефлектора.

б) Расчет диаграммы направленности облучателя с контррефлектором

Воспользуемся принципом зеркального изображения и заменим действие металлической поверхности контррефлектора пассивным вибратором, расположенным на расстоянии от активного и несущим ток, сдвинутый по фазе на 180° относительно тока в актив­ном вибраторе рис. 10.



Рис.10.Зеркальное изображение вибратора с контррефлектором в виде диска.

Тогда в любой точке пространства поле будет определяться как сумма полей обоих вибраторов и может быть рассчитано умноже­нием диаграммы, одиночного полуволнового симметричного вибрато­ра F1() на множитель решетки F2()

(10)

где N — количество вибраторов (в рас­сматриваемом случае N=2);

d — расстояние между вибратора­ми;

— волновое число;

 — угол между линией располо­жения вибраторов и рассмат­риваемым направлением (рис.9).

После преобразования множитель решетки примет вид

(11)

Для одиночного, горизонтально расположенного вибратора диаграмма направленности в горизонтальной плоскости определяется выражением

(12)

где E— поле в рассматриваемом направлении;Emax— поле в направлении максимального излучения (=0°);—угол, отсчитываемый от нормали к вибратору.

Окончательно диаграмму направленности в горизонтальной пло­скости вибратора с контррефлектором можно записать в виде:

(13)

Диаграмма направленности системы в вертикальной плоскости определяется одним только множителем F2(), так как излучение одиночного горизонтального вибратора в этой плоскости ненаправ­ленное.

Учитывая, что форма диаграммы направленности как в горизон­тальной, так и вертикальной плоскостях для большинства применяю­щихся облучателей мало отличается друг от друга в пределах угла раскрыва зеркала, для упрощения в дальнейших расчетах исполь­зуется в обоих плоскостях более широкая из диаграмм направлен­ности.

в) Расчет входного сопротивления

Входное сопротивление полуволнового вибратора с контррефлектором в виде диска, расположенного на расстоянии , рассчитывается как сумма: Z1=Z1,1 +Z1,2, где Z1,1 — собственное сопротивление вибратора Z1,1 = (73,1+j42,5) ом;

Z1,2 — наведенное сопротивление, вносимое пассивным вибратором 2 в сопротивление активного вибратора 1.

Так как в рассматриваемом случае в пассивном вибраторе ток противоположен по фазе току в активном I2=-I1, то величина на­веденного сопротивления связывается с величиной взаимного сопро­тивления следующим образом:

Z1,2 =-Zвз.

Величину взаимного сопротивления полуволновых вибраторов можно определить по графи­кам приложения 3

Zвз= (- 13-j30) ом.

Таким образом, наведенное сопротивление можно записать так:

Z1,2=(13 +j30) ом,

а величина входного сопротивления вибратора с контррефлектором в виде диска определится из выражения

Z1=Z1,1 +Z1,2 = (86,11+j72,5) ом. (14)

Для согласования вибратора с питающим фидером желательно, чтобы входное сопротивление вибратора было чисто активным. Для получения чисто активного входного сопротивления вибратор уко­рачивают. Укорочение , необходимое для настройки в резонанс полуволнового вибратора, можно определить по формуле:

(15)

где l – длина плеча вибратора, aрадиус вибратора.

В случае тонких вибраторов укорочение составляет 3-5% от длины ; для толстых вибраторов – 15-20%.

Щелевой облучатель

Щелевой облучатель удобен при работе в наиболее короткой части сантиметрового диапазона (=3 см и ниже), так как кон­струкция его наиболее компактна и проста для работы в этом диа­пазоне. Щелевой облучатель можно защитить от атмосферных влия­ний, закрыв его излучающие отверстия полистироловыми пластинками.



Рис.11.Щелевой излучатель с вертикальным (а) и горизонтальным (б) расположением щелей.

Конструкция двухщелевого облучателя может быть осуществле­на в виде закрытого на концах Т-образного прямоугольного волновода (рис.11). Щели в этом волноводе прорезаются симмет­рично относительно питающего волновода. В зависимости от задан­ной поляризации поля излучения облучатель располагается либо как оказано на рис.11а (для горизонтальной поляризации электри-ческого поля) либо как показано на рис. 11б (для вертикальной поляризации электрического поля).

Рекомендуется следующий порядок расчета такого двухщелево­го облучателя:

а) Длину щели выбирают равной 0,47, так как резонанс насту­пает не точно при длине щели ,а при несколько меньшей длине. Укорочение щели соответствует укорочению эквивалентного металлического вибратора.

б) При расчете согласования резонансной поперечной щели, про­резанной в широкой стенке прямоугольного волновода с волной H10, принимаем, что волновод закорочен с одного конца, а другой конец
в направлении от щели к генератору согласован или бесконечен.
Расстояние от закороченного конца до оси щели рис.11 при­нимается равным (длина волны в волноводе). Если резонансное сопротивление поперечной щели представить как последовательное сопротивление в эквивалентной схеме рис.12, то условие со­гласования щели с волноводом можно записать как равенство по­следовательного сопротивления щели волновому сопротивлению волновода.



Рис.12.Поперечная щель (а) и ее эквивалентная схема (б).

Сопротивление поперечной щели, прорезанной симмет­рично относительно оси, нормированное к волновому сопротивлению волновода, выражается следующим образом:

(16)

где a и b – размеры широкой и узкой стенок волновода;

-длина волны генератора.

Поэтому условие согласования имеет вид

(17)

Из равенства (15) находят размер узкой стенки b волновода при выбранном размере широкой стенки а.

Согласование Т-образного волновода с питающим волноводом осуществляется при помощи сужения уз­кой стенки b питающего волновода и изменения длины реактивного штыря, ввинчиваемого в торец Т-образного волновода на его широ­кой стенке по оси симметрии облучателя.

в) Расстояние между щелями выбирают из условия получения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, мало отличаю­щейся от формы диаграммы направленности в горизонтальной пло­скости. Выбранное из этого условия расстояние между щелями по-

лучается порядка.Для расположения щелей по рис. 3а диаграмму направленности двухщелевого облучателя в горизонталь­ной плоскости определяют из формулы

(18)
где - волновое число; dрасстояние между щелями; — угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей.

Диаграмму направленности в вертикальной плоскости в этом случае рассчитывают по формуле

(19)

где — угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от нормали к щели; ЕВ— поле в рассматриваемом направлении; EВmax—поле в направлении максимального излучения (=0).

Для расположения щелей по рис. 106 диаграмму направлен­ности в горизонтальной плоскости определяют из формулы

(20)

где  -угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от норма­ли к щели.

Диаграмму направленности в вертикальной плоскости рассчиты­вают следующим образом:

(21)


где  — угол в вертикальной плоскости, отсчитываемый от нормали к линии расположения щелей.

Для обеспечения синфазного питания щелей в обоих плечах по­перечного волновода щели должны быть расположены симметрично относительно питающего волновода. Каждое плечо рассчитывается на половинную мощность.

В сантиметровом диапазоне волн в качестве облучателя зеркальных антенн могут применяться стержневые и рупорные облучатели, возбуждаемые волноводом. Диэлектрические стержневые облучатели позволяют сузить ДН облучателя в двух плоскостях.

Также могут использоваться облучатели с вращающейся поляризацией право и левополяризованной волны: спиральные облучатели, волноводные или рупорные с вращающейся поляризацией поля.

Для создания антенн с широкой полосой необходимо иметь широкополосные облучатели. Известные широкополосные излучатели (логопериодические, биконические, взаимодополняющие структуры) обеспечивают перекрытие рабочего диапазона в несколько октав. Широкий интерес в настоящее время проявляется к излучателям Вивальди и к различным модификациям щелевых излучателей [15-18].

Рассмотренные широкополосные облучатели имеют недостаток: при работе в широкой полосе частот может перемещаться фазовый центр облучателя, что не обеспечивает фокусировку зеркала. Дефокусировка облучателя (аксиальная и по нормали) ухудшает ДН и приводит к отклонению луча. Известны требования к размерам ошибки дефокусировки облучателя - . Облучатель размещается в фокусе и к нему подводится линия передачи, которая желательно менее всего затеняла бы апертуру. Для устранения дефокусировки облучателя из-за конструкторско-технологических причин, климатических, эксплуатационных, нагрузочных, облучатель крепится и фиксируется с помощью волновода или дополнительных крепежных конструкций [19].

Кроме рассмотренных выше облучателей, можно применять конические гофрированные волноводные и рупорные облучатели [2,3]. При построении моноимпульсных антенн в системах с точной пеленгацией используют моноимпульсные облучатели [2-4].

Бортовые зеркальные антенны обычно закрываются обтекателем или защитными укрытиями для предохранения от внешних воздействий. В отсутствии таковых необходима изоляция герметизация волноводного тракта.

4. ПОРЯДОК РАСЧЕТА

В зависимости от исходных требований возможны различные варианты расчета. I. Заданы такие характеристики антенны как КНД, УБЛ, , рабочая длина волны, можно рекомендовать выполнять расчет в следующем порядке:

  1. По требованиям к характеристикам направленности выбирают диаметр раскрыва и необходимое амплитудное распределение, обеспечивающее заданные параметры (таблица 1).

  2. Выбирается облучатель по указанным требованиям полосы и поляризации. Рассчитываются ДН облучателя и необходимый угол раскрыва для получения максимального КНД зеркальной антенны используются графики рис.3, позволяющие определить для заданной ДН угол раскрыва.

  3. Поле в раскрыве аппроксимируется функцией, которая соответствует характеру облучателя и углу раскрыва.

  4. Рассчитывается ДН по формуле для выбранной аппроксимирующей функции, в одной или двух плоскостях.

  5. Значения основных характеристик (ширины луча и УБЛ), полученные в результате расчета ДН с применением таблицы 1 сравниваем с характеристиками, указанными в задании.

  6. Составляется эскиз антенны с возбуждающим устройством, элементами крепления, вращающимся сочленением и укрытием для защиты соединений от атмосферных воздействий. При разработке конструкции должны быть использованы ГОСТы и желательно максимальное число стандартизированных элементов: крепеж, линии передачи, разъемы, фланцы.

II. Задан тип облучателя зеркальной антенны и остальные параметры, то выполняют расчет в следующем порядке:

1. Повторяют пункт I1.

    1. Рассчитываются характеристики направленности облучателя

    2. Выбирается угол раскрыва, обеспечивающий максимальный КНД.

    3. Далее пункты, соответствующие предыдущей методике.



Приложения

Приложение 1

примеры электрических схем зеркальных антенн

с механическим сканированием

1. Зеркальная антенна с одномерным сканированием в горизонтальной плоскости



1 –Облучатель;

2 –Воздушная коаксиальная линия;

3 – Зеркальная антенна;

4 –Коаксиальный разъем;

5 – Вращающееся сочленение;

6 –Волноводное соединение с дросселем;

7 – Коаксиальная линия с диэлектрическим заполнением;

8 – Гибкий волновод;

9 – Антенный переключатель;

10 –Приемник;

11 –Передатчик;

12 – Согласующее устройство.
2. Зеркальная антенна с двумерным сканированием в горизонтальной плоскости вертикальной плоскостях



1 –Облучатель;

2 – Прямоугольный волновод;

3 – Зеркальная антенна;

4 – Волноводное соединение с дросселем;

5 – Вращающееся сочленение;

6 –Круглый волновод;

7 –Фланцевое волноводное соединение;

8 –Поворот волноводного тракта под прямым углом (изгиб);

9 –Скрутка;

10 –Подвижный короткозамыкатель;

11 –Постоянный короткозамыкатель;

12 – Устройство защиты приемника.


3. Зеркальная антенна с одномерным сканированием в горизонтальной плоскости


1 –Облучатель;

2 –Прямоугольный волновод;

3 – Зеркальная антенна;

4 – Фланцевое волноводное соединение;

5 –Согласующее устройство;

6 –Переход от волновода с прямоугольным сечением к волноводу с круглым сечением;

7 – Поворот волноводного тракта под прямым углом (изгиб);

8 –Круглый волновод;

9 – Вращающееся сочленение;

10 –Элемент связи;

11 –Подвижный короткозамыкатель;

12 –Антенный переключатель;
Приложение 2

- Функции





x











0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,0000

0,9988

0,9950

0,9888

0,9801

0,9691

0,9557

0,9400

0,9221

0,9021

0,8801

1,0000

0,9992

0,9967

0,9925

0,9867

0,9793

0,9703

0,9598

0,9477

0,9342

0,9192

1,0000

0,9994

0,9975

0,9944

0,9900

0,9845

0,9777

0,9698

0,9606

0,9504

0,9390

1,0000

0,9995

0,9980

0,9955

0,9920

0,9876

0,9821

0,9758

0,9684

0,9602

0,9510

1,0000

0,9996

0,9983

0,9963

0,9934

0,9896

0,9851

0,9798

0,9736

0,9667

0,9591

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

0,8562

0,8305

0,8031

0,7742

0,7439

0,7124

0,6797

0,6461

0,6117

0,5767

0,9029

0,8853

0,8664

0,8464

0,8252

0,8030

0,7799

0,7559

0,7311

0,7057

0,9266

0,9132

0,8987

0,8833

0,8670

0,8499

0,8319

0,8132

0,7938

0,7737

0,9410

0,9301

0,9184

0,9059

0,8926

0,8786

0,8639

0,8485

0,8325

0,8159

0,9507

0,9415

0,9317

0,9211

0,9099

0,8981

0,8856

0,8726

0,8589

0,8448

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

3,0

0,5412

0,5054

0,4695

0,4335

0,3977

0,3622

0,3271

0,2926

0,2589

0,2260

0,6796

0,6530

0,6260

0,5986

0,5710

0,5432

0,5153

0,4974

0,4597

0,4321

0,7530

0,7318

0,7100

0,6879

0,6654

0,6426

0,6195

0,5963

0,5729

0,5494

0,7987

0,7811

0,7629

0,7443

0,7253

0,7060

0,6863

0,6664

0,6463

0,6259

0,8301

0,8149

0,7993

0,7833

0,7668

0,7501

0,7329

0,7155

0,6979

0,6800

3,1

3,2

3,3

3,4

3,5

3,6

3,7

3,8

3,9

4,0

0,1941

0,1633

0,1337

0,1054

0,0785

0,053

0,02910

0,00675

-0,01397

-0,03302

0,4048

0,3778

0,3512

0,3251

0,2995

0,2746

0,2503

0,2268

0,2040

0,1821

0,5260

0,5025

0,4792

0,4560

0,4330

0,4103

0,3878

0,3657

0,3439

0,3226

0,6055

0,5849

0,5643

0,5437

0,5231

0,5025

0,4821

0,4618

0,4416

0,4217

0,6619

0,6436

0,6252

0,6067

0,5881

0,5695

0,5509

0,5323

0,5138

0,4953

4,1

4,2

4,3

4,4

4,5

4,6

4,7

4,8

4,9

5,0

-0,05038

-0,06602

-0,07995

-0,09217

-0,10072

-0,11154

-0,11876

-0,12437

-0,12845

-0,13103

0,1610

0,1408

0,1216

0,1033

0,0861

0,06979

0,05453

0,04030

0,02709

0,01490

0,3018

0,2814

0,2616

0,2424

0,2237

0,2057

0,1883

0,1715

0,1555

0,1401

0,4020

0,3826

0,3635

0,3447

0,3263

0,3082

0,2906

0,2734

0,2567

0,2404

0,4770

0,4588

0,4407

0,4229

0,4052

0,3878

0,3706

0,3537

0,3372

0,3209

5,1

5,2

5,3

5,4

5,5

5,6

5,7

5,8

5,9

6,0

-0,13219

-0,13201

-0,13055

-0,12791

-0,12416

-0,11940

-0,11374

-0,10725

-0,10005

-0,09223

0,00373

-0,00643

-0,01559

-0,02378

-0,03103

-0,03734

-0,04276

-0,04731

-0,05104

-0,05397

0,12542

0,11146

0,09822

0,08570

0,07389

0,06280

0,05243

0,04276

0,03379

0,02550

0,2246

0,2093

0,1945

0,1802

0,16648

0,15328

0,14063

0,12853

0,11697

0,10597

0,3050

0,2894

0,2742

0,2593

0,2449

0,2308

0,2172

0,2040

0,1912

0,1788

6,1

6,2

6,3

6,4

6,5

6,6

6,7

6,8

6,9

7,0

-0,08389

-0,07513

-0,06606

-0,05676

-0,04734

-0,03787

-0,02846

-0,01918

-0,01012

-0,00134

-0,05615

-0,05762

-0,05843

-0,05861

-0,05821

-0,05728

-0,05587

-0,05403

-0,05179

-0,04921

0,01789

0,01093

0,00462

-0,00108

-0,00618

-0,01070

-0,01466

-0,01809

-0,02101

-0,02345

0,09551

0,08561

0,07624

0,06741

0,05912

0,05134

0,04407

0,03731

0,03104

0,02524

0,16698

0,15541

0,14437

0,13378

0,12363

0,11393

0,10466

0,09584

0,08745

0,07949

7,1

7,2

7,3

7,4

7,5

7,6

7,7

7,8

7,9

8,0

0,00709

0,01509

0,02262

0,02963

0,03607

0,04190

0,04709

0,05163

0,05549

0,05866

-0,04633

-0,04321

-0,03987

-0,03637

-0,03275

-0,02904

-0,02529

-0,02154

-0,01780

-0,01412

-0,02543

-0,02699

-0,02815

-0,02893

-0,02936

-0,02948

-0,02930

-0,02886

-0,02818

-0,02729

0,01990

0,01502

0,01056

0,00653

0,00289

-0,00036

-0,00324

-0,00578

-0,00799

-0,00988

0,07195

0,06482

0,05811

0,05179

0,04587

0,04033

0,03516

0,03035

0,02589

0,02177

8,1

8,2

8,3

8,4

8,5

8,6

8,7

8,8

8,9

9,0

0,06114

0,06293

0,06403

0,06447

0,06426

0,06343

0,06200

0,06002

0,05751

0,05451

-0,01053

-0,00705

-0,00371

-0,00053

0,00247

0,00528

0,00788

0,01025

0,01240

0,01431

-0,02622

-0,02498

-0,02360

-0,02211

-0,02053

-0,01887

-0,01716

-0,01542

-0,01367

-0,01191

-0,01147

-0,01280

-0,01386

-0,01468

-0,01528

-0,01567

-0,01588

-0,01591

-0,01580

-0,01554

0,01798

0,01449

0,01132

0,00842

0,00581

0,00346

0,00136

-0,00051

-0,00215

-0,00358

9,1

9,2

9,3

9,4

9,5

9,6

9,7

9,8

9,9

10

0,05108

0,04726

0,04310

0,03865

0,03395

0,02907

0,02405

0,01895

0,01381

0,00869

0,01597

0,01739

0,01857

0,01950

0,02020

0,02066

0,02090

0,02093

0,02075

0,02037

-0,01018

-0,00847

-0,00681

-0,00520

-0,00366

-0,00219

-0,00080

0,00049

0,00170

0,00280

-0,01516

-0,01467

-0,01408

-0,01342

-0,01269

-0,01190

-0,01107

-0,01021

-0,00933

-0,00843

-0,00481

-0,00586

-0,00673

-0,00744

-0,00801

-0,00843

-0,00873

-0,00892

-0,00900

-0,00899

Приложение 3

Графики Зависимости активной и реактивной

составляющих взаимных сопротивлений полуволновых вибраторов от относительного расстояния между ними




ЛИТЕРАТУРА


  1. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток): Учебн. пособие для вузов. Д.И. Воскресенский, Р.А. Грановская, Н.С. Давыдова и др./Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.:Радио и связь, 1981.

  2. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов /В.С. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др.; Под ред. Д.И. Воскресенского. – 2-е изд. доп. и перераб. - М.:Радио и связь, 1994.

  3. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов / Д.И. Воскресенский, В.И. Степаненко, В.С. Филиппов и др.; Под ред. Д.И. Воскресенского. – 3-е изд. доп. и перераб. - М.:Радио и связь, 2003.

  4. Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию/Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.:МАИ, 1973. – Ч.II.

  5. А.И. Ардабьевский, В.Г. Воропаева, К.И. Гринева. Пособие по расчету антенн сверхвысоких частот. - М.: Оборонгиз, 1957, 71 с.



Дополнительная литература.

  1. Сканирующие антенные системы СВЧ.: Пер с англ./ Под ред. Р. Хансена. - М.: Сов. радио, 1966-1970.-Т.1-3.

  2. Кюн Р. Микроволновые антенны. – М.: Судостроение, 1967.

  3. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. – М.: Связь, 1977.- Т.1,2. – 381 с.

  4. Нарбут В.П., Хмель В.Ф. Поляризация излучения зеркальных антенн.- Киев. Вища школа, 1978.

  5. Боровиков В.А., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. - М.Связь, 1978

  6. Бахрах Л. Д., Галимов Г. К. Зеркальные сканирующие антенны. – М.: Наука, 1981.
  7. Цейтлин Н. М. Антенная техника и радиоастрономия. – М.: Сов. радио, 1976.
  8. Гурбанязов М. А., Козлов А. Н., Тарасов Б. В. Современные проблемы построения зеркальных антенн. – А.: Ылым, 1992.
  9. Вуд П. Анализ и проектирование зеркальных антенн/ Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1984.

  10. Cohn S.B. Slot line on dielectric substrate // IEEE Trans. MTT, 1969. - v.17. – №10. – pp. 768-778.

  11. Mariani E.A., et al. Slot line characteristics// IEEE Trans. MTT, 1969. - v.17. – №12. – pp. 1091-1096.

  12. Itoh T., Mittra R. Dispersion characteristics of slot line// Electronics Letters, 1975. July, - v.7. – pp. 364-365.

  13. Гирич С.В., Пономарев И.Н. О широкополосных свойствах антенн на основе щелевых линий передачи // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ, 1993. - №3. – с.19-23.

  14. Диняева Н.С. Конструирование механизмов антенн: учебное пособие. – М.: МАИ, 2002г. – 340с.: ил.




 В.Г. Ямпольский, Г.Г. Цуриков. Минимизация ближнего бокового излучения апертурных антенн.// Антенны: Сб. статей. Вып. 37. /Под ред. А.А. Леманского.-М.: Радио и связь,1990.


**Антенны и устройства СВЧ/ Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин, В.М. Максимов, Л.И. Пономарев; Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.: Изд-во МАИ,1999. – 528с.: ил.

 Расчет и конструирование вращающихся сочленений. Пособие для курсового проектирования/ Под ред. Б.Я. Мякишева. – М.:МАИ, 1962.

 Таблицы -функций приведены в справочнике Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. Формулы, графики, таблицы.-М.: Наука, 1977.

 Таблицы значений взаимных сопротивлений приведены в книге А. А. Пистолькорс. Антенны.-М.: Связьиздат, 1947.



Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации