Диаграмма направленности такого облучателя в Е плоскости рассчитывается по формуле [11]
Рисунок 5 – ДН облучателя в плоскости Е
а в Н плоскости - по формуле
Рисунок 6 – ДН облучателя в плоскости H
Эти формулы справедливы для E и H менее .
Таблица 2 – Расчет ДН конического рупора
, град
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1
0.995
0.977
0.931
0.843
0.701
0.503
0.258
0.087
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0.27
0.513
0.708
0.848
0.934
0.978
0.996
Расчет распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам:
где F0(Y) – диаграмма направленности облучателя,
Y0 – угол раскрыва,
Y – текущий угол.
Зависимость угла Y от текущего радиуса r:
,
ρ, м
Инженерный расчёт пространственной диаграммы направленности ДН параболической антенны часто сводится к определению ДН идеальной круглой синфазной площадки с неравномерным распределением напряжённости возбуждающего поля. В данном случае распределение напряжённости возбуждающего поля в основном определяется ДН облучателя в соответствующей плоскости. Выражение для нормированной ДН зеркальной параболической антенны при этом имеет вид:
где J1, J2 – цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка.
- Коэффициент, показывающий во сколько раз амплитуда возбуждающего поля, на краю раскрыва меньше амплитуды в центре раскрыва в соответствующей плоскости с учётом различий расстояний от облучателя до центра зеркала и до края зеркала;
Екр, Емах – амплитуды поля на краю и в центре раскрыва.
ДН зеркальной параболической антенны имеет следующий вид (рисунок 2.5).
Приближенно коэффициент направленного действия зеркальной антенны определяется выражением:
, г
де
S – площадь раскрыва;
υрез – результирующий коэффициент использования поверхности
F(ϴ)
ϴ, рад
Рисунок 8 – Пространственная ДН параболической антенны
Коэффициент использования поверхности:
Эффективная площадь антенны:
Коэффициент направленного действия:
Коэффициент усиления антенны:
Зеркальные антенны имеют наибольший КНД при синфазном возбуждении раскрыва (плоский фазовый фронт волны). Параболический профиль зеркала обеспечивает одинаковые длины электрических путей от облучателя, установленного в фокусе параболоида вращения, до каждой точки плоскости раскрыва (свойство параболы). В полярной системе координат парабола описывается уравнением
Где r, Y - полярные координаты;
f = 3.572 м - фокусное расстояние;
Y изменяется от 0 до Y0=0.95 рад.
Таблица 3 – Расчет профиля зеркала
, рад
-0.95
-0.85
-0.75
-0.65
-0.55
-0.45
-0.35
-0.25
-0.15
4.516
4.303
4.125
3.977
3.856
3.759
3.683
3.628
3.592
-0.05
0.05
0.15
0.25
0.35
0.45
0.55
0.65
0.75
3.574
0.85
0.95
С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность зеркала часто выполняется перфорированной, или сетчатой
Рисунок 10 – Конструкция зеркала
При такой конструкции зеркала часть энергии просачивается сквозь него, образую нежелательное излучение. Допустимым является значение коэффициента прохождения в обратном направлении.
где Рпад, Робр – мощность излучения падающего на зеркало и в обратном направлении, соответственно.
Двухлинейная сетка работает удовлетворительно при расстоянии между проводниками меньше 0.1l и диаметре проводов не менее 0.01l.
dп = 0.1 × 0.3 = 3 см;
d = 0.01 × 0.3 = 3 мм.
Неточность изготовления зеркала вызывает несинфазность поля в раскрыве. Допустимыми являются фазовые искажения поля в раскрыве зеркала не более ± p/4. При этом уменьшение коэффициента усиления антенны не превышает нескольких процентов.
Пусть поверхность параболоида имеет некоторые неровности (выступы и углубления). Наибольшее отклонение от идеальной поверхности в направлении r обозначим через Δr.
Рисунок 11 – Допуски на точность изготовления зеркала
Путь луча, отраженного от неровности в месте наибольшего отклонения от r изменяется при этом на величину Dr + Dr × cosY, а соответствующий сдвиг фаз составит величину Dj = b×Dr×(1+cosY), и он не должен превышать величину p/4, отсюда получаем
Анализ полученного выражения для Dr показывает, что вблизи центра параболоида (Y = 0) необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной поверхности не должно превосходить величины l/16 (т.е. 0.0023) у кромки параболоида требования к точности получаются наименьшими. Точность установки облучателя также определяется нормами на наибольшие допустимые фазовые искажения поля в раскрыве. Пусть фазовый облучатель смещен на Dх (рисунок 4.4). Тогда длины путей лучей от фазового центра до раскрыва увеличиваются.
Рисунок 12 — Допуски на точность установки облучателя
Наибольшее удлинение пути происходит у лучей, падающих на вершину зеркала. Это удлинение путей при малых смещениях можно приблизительно определить как Dх×cosY. Тогда изменение фазы составит величину
, где
Dj0, Djа – фазовые искажения, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать p/4, отсюда получаем:
Таким образом, с увеличением угла раскрыва точность и установка облучателя в фокусе повышается.
По графику, изображенному на рисунке 8, найдем ширину ДН на уровне половинной мощности:
2QH0.5 = 44 мрад, что меньше заданного значения 2QH0.5 = 49 мрад на 10,2% и 2QЕ0.5=48 меньше значения 2QЕ0.5 = 54 мрад на 11,1%.
Для увеличения ширины ДН необходимо уменьшить радиус параболоида.
Пусть радиус параболоида будет равным м. Тогда получаем график ДН:
Рисунок 13 – ДН антенны
По графику определим ширину 2QH0.5 = 49 мрад, равно значению 2QH0.5 = 49 мрад и 2QЕ0.5 = 54 равное заданному значением 2QЕ0.5 = 54 мрад. Достигнут компромисс.
Уровень УБЛ возьму по максимальному уровню боковых лепестков.
Найдем УБЛ:
УБЛ = 0.11
дБ
Допустимое значение УБЛ = -17 дБ, значит вычисленное значение допустимо, потому что уровень боковых лепестков ослабляется дополнительно на 1.416 чем задано по условию, т.о. придавая ей большую узконаправленность.
В данной курсовой работе была спроектирована зеркальная параболическая антенна с облучателем в виде конического рупора. При расчете геометрических и электродинамических характеристик облучателя и параболоида исходные данные немного отклоняются от вычисленных значений: отклонение ширины ДН на уровне половинной мощности в плоскости E составляет 18,5%, а в плоскости H – 10,2%. Причиной этому явилась идеализация устройства (использовалась идеальная модель), использование аппроксимации при вычислениях. В реальных системах необходимо учитывать воздействие многих посторонних факторов, влияние которых может существенно повлиять на результат расчётов.
Однако внесение некоторых преобразований (уменьшение радиуса параболоида до м) позволяет прийти к компромиссу. При этом значении отклонения ширины ДН на уровне половинной мощности в плоскостях H и E отсутствуют.
1. Гончаров В.Л. Методические указания и задание к выполнению курсовой работе. Алматы: АИЭС – 2007
2. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток/ Под ред. проф. Д.И. Воскресенского. – М.: Советское радио, 1994.
3. Кочержевский Г.М., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. - М.: Радио и связь, 1989.
4. Регламент радиосвязи. Т.1. – М.: Радио и связь, 1995.
5. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. – М.: Высшая школа, 1988.
6. Спутниковая связь и вещание/ Под ред. Кантора Л.А. – М.: Радио и связь, 1987.
7. Хмель В.Ф., Чаплин А.Ф., Шумлянский И.И. Антенны и устройства СВЧ. – Киев: Вища школа, 1990.
.ru
Страницы: 1, 2
