Реферат: Двухзеркальная антенна по схеме Кассергена

Министерство образования Российской Федерации

УГТУ-УПИ имени С.М.Кирова

КафедраВЧСРТ

группа Р-398

оценка

двухзеркальная антенна

по схемекассергена

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

КУРСОВОй ПРОЕКТ

по курсу: Устройства СВЧ и Антенны

201600 000000 013 ПЗ

Зачётная книжка №: 09832013

Студент: Аникин К. С. DATE@ «dd.MM.yy» 08.10.08

подпись дата

Руководитель: Наймушин М. П.

подпись

дата

ЕКАТЕРИНБУРГ

2001год

содержание

TOC o «1-3» введение… PAGEREF_Toc515702163 h 1

1. исходныеданные и задание на проектирование… PAGEREF_Toc515702164 h 2

2. Расчётосновных конструктивных элементов антенны и линии передачи… PAGEREF_Toc515702165 h 3

2.1. расчёт размера рефлекторов, фокусных расстояний, угловыхразмеров. PAGEREF _Toc515702166 h 3

2.2. расчёт размеров облучателя.… PAGEREF_Toc515702167 h 6

2.3. выбор типа линии передачи и расчёт её параметров.… PAGEREF_Toc515702168 h 9

3. электрическиехарактеристики антенны.… PAGEREF_Toc515702169 h 13

3.1. диаграмма направленности облучателя.… PAGEREF_Toc515702170 h 13

3.2. поле в раскрыве рефлекторов.… PAGEREF_Toc515702171 h 15

3.3 диаграмма направленности и коэффициент усиления всей антенны. PAGEREF_Toc515702172 h 16

4. конструкцияантенны.… PAGEREF_Toc515702173 h 17

заключение.… PAGEREF_Toc515702174 h 18

библиографический список.… PAGEREF_Toc515702175 h 19

приложение 1. (Д.Н.облучателя).… PAGEREF_Toc515702176 h 20

приложение 2. (Распределениеполя в раскрыве).… PAGEREF_Toc515702177 h 21

приложение 3. (Д.Н.всейантенны).… PAGEREF_Toc515702178 h 22

приложение 4. (Конструкцияоблучателя).… PAGEREF_Toc515702179 h 23

приложение 5.(Общий вид антенны).… PAGEREF_Toc515702180 h 24

приложение 6. (Профилисечения зеркал).… PAGEREF_Toc515702181 h 25

введение

Зеркальные антенны являютсянаиболее распространёнными остронаправленными антеннами. Их широкое применениев самых разнообразных радиосистемах объясняется простотой конструкции,возможностью получения разнообразных видов Д.Н., высоким КПД, малой шумовойтемпературой, хорошими диапазонными свойствами и т.д. В радиолокационных примененияхзеркальные антенны позволяют легко получить равносигнальную зону, допускаютодновременное формирование нескольких Д.Н. общим зеркалом (в том числесуммарных и разностных). Некоторые типы зеркальных антенн могут обеспечиватьдостаточно быстрое качание луча в значительном угловом секторе. Зеркальныеантенны являются наиболее распространённым типом антенн в космической связи ирадиоастрономии, и именно с помощью зеркальных антенн удаётся создавать гигантскиеантенные сооружения с эффективной поверхностью раскрыва, измеряемой тысячамиквадратных метров.

Двухзеркальняантенна по схеме Кассегрена представляет собой систему состоящую из двухотражающих поверхностей – софокусных параболоида и гиперболоида – и облучателя,установленного во втором фокусе гиперболоида. Все расстояния по ломанной линииот фокуса до раскрыва одинаковы, что обеспечивает синфазность поля в раскрыве.Двухзеркальная антенна является более компактной, чем однозеркальная, иобеспечивает более равномерное распределение возбуждения по раскрыву, а такжеявляется более помехозащищённой, даёт возможность укоротить тракт СВЧ, иразместить основную часть конструкции облучателя за зеркалом, что особенноудобно в моноимпульсных радиолокаторах. При оптимизации размеров облучателя ималого зеркала удаётся получить КИП (0,60¸

0,65). Недостатоксистемы – затенение раскрыва малым её зеркалом, а также обратная реакция малогозеркала на облучатель.

Принцип работыдвухзеркальной антенны по схеме Кассегрена состоит в том, что электромагнитноеполе от облучателя, отражаясь от второго зеркала (гиперболоида) попадает наповерхность первого зеркала (параболоида), аотражённое о него, наконец, излучаетсяв пространство причём вид излучаемого в простанство поля совпадает с полемизлучаемым плоской синфазной поверхностью.

1.

Выбрать и расчитать:

Ø

Вычертить:

Ø

Расчётный вариант№42.

В данном варианте при расчётах необходимо учесть ипридерживаться следующих исходных данных:

Ø

F, ГГц. 11

Ø

Dqпо уровню –3дБ (град.) 1,5

Ø

dв дБ. -23

Ø

PИ, кВт. 80

Ø

‑‑

Ø

: диэлектрическая антенна.

2.

2.1.

Перед началом расчётов основных конструктивных параметровзеркал двух зеркальной антенны по схеме Кассегрена рассмотрим рисунок 2.1., на котором показаны основныепараметры зеркал.

<img src="/cache/referats/7665/image003.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1200"> Рис.2.1. Эквивалентный параболоид.

На рисунке 2.1.: e–эксцентриситет гиперболического зеркала; y

0– угол раскрыва большого зеркала(или параболоида); j0– угол зрения на малоезеркало (или угол раскрыва эквивалентного параболоида); f– фокусное расстояниебольшого зеркала (или параболоида); fЭ– фокусное расстояние эквивалентногопараболоида; rj‑ расстояние довторого фокуса гиперболоида; ry‑ расстояние до первогофокуса гиперболоида; D–диаметр раскрыва большого зеркала (или параболоида); d– диаметр раскрыва малогозеркала (или гиперболоида).

Эксцентриситет гиперболического зеркала определяетсясоотношением:

<img src="/cache/referats/7665/image005.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> (2.1.) И поскольку длянашей антенны выбраны j

0 =15°, а y00=90°, то значение эксценнтриситета e=1,303.

С учётом того, что нам заданы: ширина диаграммынаправленности по уровню (–3дБ), т.е. D

q‑3дБ=1,5°и уровень боковых лепестков d =-23 дБи с учётом расчётных соотношенийдля круглого раскрыва, которые предоставлены в [1] (таблица 3.2, с. 26),рассчитаем диаметр большого зеркала Dвоспользовавшись соотношением:

<img src="/cache/referats/7665/image007.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> (2.2.) ‑ где l

с вдлинаволны в свободном пространстве.

<img src="/cache/referats/7665/image009.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (2.3.) ‑где С – скорость света 3×

108 м/с, а F– заданнаярабочая частота антенны 11 ГГц.

Таким образом, получаем расчётное значение диаметра раскрывабольшого зеркала:

D=1290,023мм.

Используя соотношение, связывающее диаметр раскрыва большогозеркала D, угол раскрыва большогозеркала y

0 и фокусноерасстояние большого зеркала f,описанное в [1] на с. 23, найдём фокусное расстояние большого зеркала поформуле:

<img src="/cache/referats/7665/image011.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> (2.4.)

Воспользовавшись соотношениями 3.16 на с. 30 в [1] рассчитаемfЭпоформуле:

<img src="/cache/referats/7665/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> (2.5.)

Используя соотношение 3.17 (тот же источник, и та жестраница) произведём расчёт по формуле:

<img src="/cache/referats/7665/image015.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> (2.6.)

Используя соотношения 3.18 и 3.19 из [1] с 31 найдём r

yи rjпоформулам:

Профиль сечения зеркал z(x)определяется для большого зеркала из уравнения параболоида вращения впрямоугольной системе координат (x, y, z), имеющего вид:

<img src="/cache/referats/7665/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> (2.9.)

а для малого зеркала из уравнениягиперболоида вращения:

<img src="/cache/referats/7665/image023.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> (2.10.)

Здесь: <img src="/cache/referats/7665/image025.gif" v:shapes="_x0000_i1035">; <img src="/cache/referats/7665/image027.gif" v:shapes="_x0000_i1036">; c=a×

Размеры теоретически рассчитанных профилей сечения зеркалнезначительно отличается от рассчитанных по программе (смотрите приложение 6),поскольку для обеспечения заданной D

q пришлось уменьшить теоретически рассчитанноепо (2.4) фокусное расстояние fдо 290мм.,воспользовавшись при этом методическими указаниями из [1] с. 44, в которыхговорится о том, что если расчётная ширина главного лепестка или коэффициентаусиления антенны отличается от заданных значений на (10 ‑ 20)%, то можнопроизвести коррекцию зеркал, умножая все их линейные размеры на отношение:

D

qПОЛУЧЕННОЕ/ DqЗАДАННОЕ

При этом, размеры облучателя и угловые размеры зеркальнойсистемы остаются неизменными и сохраняется функция распределения поля и уровеньбоковых лепестков.

2.2.

В нашем случае в качестве облучателя вдвухзеркальной антенне по схеме Кассегрена используется диэлектрическаястержневая антенна (вид антенн бегущей волны). Как и все антенны бегущеи волныстержневая диэлектрическая антенна реализует режим осевого излучения ивыполняется на осное замедляющей системы, способной поддерживать поверхностныеволны. Диэлектрические стержневые антенн применяются на частотах от 2ГГц и вышеи представляют собой диэлектрические стержни (иногда трубки ) круглого илипрямоугольного поперечного сечения длиной L (смотрите рис. 2.2.) длиной несколько длин волн, возбуждаемыеотрезком круглого или прямоугольного металлического волновода. В диэлектрическомстержне используется низшая гибридная замедленная электромагнитная волна HE11(смотрите рис. 2.3.). Наибольшеераспространение получили диэлектрические антенны со стержнем круглого сечения, вставленным вкруглый волновод.

Коэффициенты замедления волны HE11.

<img src="/cache/referats/7665/image029.gif" v:shapes="_x0000_s1206 _x0000_s1201 _x0000_s1203">
Рис. 2.2. Диэлектрические стержневыеантенны.

На рисунке 2.2.: а) цилиндрическая; б) коническая; D1=dMAX; D2=dMIN; 1 – цилиндрический стержень (или трубка); 2 ‑ конец круглоговолновода.

На частотах менее 3 ГГц круглый волновод обычновозбуждается от коаксиального кабеля (при этом диэлектрическая антенна –цилиндрический стержень), а на частотах выше 3 ГГц чаще используется волноводноевозбуждение с плавным переходом от прямоугольного волновода к круглому (приэтом диэлектрическая антенна – конический стержень).

В нашем случае рабочая частота 11 ГГц, поэтому в качествеоблучателя зеркальной антенны будем использовать диэлектрическую стержневуюантенну конической формы. Кроме того, диэлектрические стержни формы выбираютсяконической формы для уменьшения отражения поля от конца диэлектрической антенныи снижения уровня боковых лепестков (в волноводе коническая часть стержня, неучитывающаяся при расчёте длины диэлектрической антенны L и равная 1,5×

lВ, где ×lВ‑ длина волны в волноводе, так же используетсядля уменьшения отражения поля от конца диэлектрического стержня большегодиаметра поперечного сечения). Материал конического диэлектрического стержнявыберем фторопласт с относительной диэлектрической проницаемостью er=2. Расчитаем размеры данного облучателя.

Диэлектрическая антенна, как антенна бегущей волны имеетмаксимальный коэффициент направленного действия КНД (см. [1] с. 9):

<img src="/cache/referats/7665/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1037"> =6,971 (2.11.)

Для эффективного возбуждения стержня его начальныйдиаметр должен быть в соответствие с соотношениемиз [1] на с. 10 приблизительно равен:

<img src="/cache/referats/7665/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1038"> =15,38 мм. (2.12.)

Фазовая скорость волны в конце стержня должна соответствоватьфазовой скорости волны в свободном пространстве и в соответствие с выражениемиз [1] на с. 10 диаметр конца диэлектрического стержня обращённого во внешнеепространство определяется по формуле:

<img src="/cache/referats/7665/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1039"> =9,72 мм. (2.13.)

Поскольку диаметр сечения диэлектрического стержня переменныйто необходимые значения L, и dрасчитываются исходя из предположения, что x

ОПТопределяется средним значением диаметра стержня:

<img src="/cache/referats/7665/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> =12,55 мм. (2.14.)

На основе рассчитанного среднего диаметра dСРдиэлектрического стержня выберем оптимальный коэффициент замедления фазовойскорости волны в стержне (близкий к 1) из рис. 1.6 в [1] на с. 9 (из рисункавидно, что величина замедления зависит от диаметра и материала стержня) x

ОПТ@0,95, т.е. используя соотношение1.7 из [1] можем расчитать длину диэлектрического стержня по формуле:

<img src="/cache/referats/7665/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> =258,91 мм. (2.15.)

Для того, чтобы в стержне не возбуждались высшие типы волнискажающие диаграмму направленности диэлектрической стержневой антенны, необходимовыполнять соотношение:

<img src="/cache/referats/7665/image041.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> (2.16)

У нас этосоотношение выполняется т.к. d= 12,55 мм.<

33,25 мм.

Пример диэлектрической линии передачи.

<img src="/cache/referats/7665/image043.gif" v:shapes="_x0000_s1208 _x0000_s1202 _x0000_s1207">
Рис. 2.3. Структура поля гибриднойволны HE11.

2.3.

В качестве линии передачи выберемпрямоугольный волновод с размерами аи b(а-широкая стенка волновода, b-узкаястенка волновода), который вместе с плавным переходом от волноводапрямоугольного сечения к круглому и диэлектрической конической стержневойантенной (облучателем) образует линию питания антенны.

В прямоугольном волноводемогут распостраняться волны электрических (Emn, m,n=l,2,3,...) и магнитных(Нmn, m,n=l,2,3...)типов. Электромагнитная волна типа Emn(Hmn)распостраняется по волноводу, если выполняется условие:

<img src="/cache/referats/7665/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> (2.17.)

длячастоты.

<img src="/cache/referats/7665/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1044"> (2.18.)

для длиныволны

Где:

<img src="/cache/referats/7665/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1045"> (2.19.) ‑критическая частота волны типа Emn(Hmn)

<img src="/cache/referats/7665/image051.gif" v:shapes="_x0000_i1046"><img src="/cache/referats/7665/image053.gif" v:shapes="_x0000_i1047"> (2.20.) ‑критическая длина волны типа Emn(Hmn)

m, n‑ индексы,показывающие число вариаций (полуволн) компонентов поля соответственно вдольосей X и Y.

Волну, обладающую вволноводе заданных размеров а и b наименьшей критической частотой, называютосновной волной. Все остальные волны называются волнами высших типов. Из формул(2.19.), (2.20.) следует, что при a>bосновной волной будет волна Н10.

На рисунке 2.4. изображено распределение поля основной волны Н10 в прямоугольномволноводе.

<img src="/cache/referats/7665/image055.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1210">Рис. 2.4.прямоугольный волновод.

Рис. 2.4. Структура поля основной волны Н10 в прямоугольном волноводе (———— линии электрического поля; — — — линиимагнитного поля).

Исходя из мощностипередатчика в импульсе и частоты генератора линии питания, из таблицы 7.7 [5]с. 186 выберем волновод R-120 соследующими параметрами:

Ø

Номинальные размеры:

а=19,03 мм., b=9,525мм.;

Ø

Критическая частотаволны Н10, fKP=7,869 ГГц;

Ø

Рабочий диапазончастот 1,25fKP…1,9fKP,для волны Н10=9,84...15,0ГГц;

Ø

Номинальная рабочаячастота 1,5fKP =11,8 ГГц;

Ø

1,5fKP ‑ a=0,133 дБ/м;

Ø

РПР =0,201МВт;

Ø

S=1,27 мм.;

Ø

m =0,72 кг.

Для основной волны Н10:

<img src="/cache/referats/7665/image057.gif" v:shapes="_x0000_i1048"> мм. (2.21.)

<img src="/cache/referats/7665/image059.gif" v:shapes="_x0000_i1049"> мм.(2.22.)

Следующей по критическойчастоте в выбранном прямоугольном волноводе будет волна Н20с (<img src="/cache/referats/7665/image061.gif" v:shapes="_x0000_i1050">

Диапазон частот, при которыхв волноводе может распространятьсятолько основная волна Н10,задается неравенством:

<img src="/cache/referats/7665/image063.jpg" v:shapes="_x0000_i1051"> (2.24.)

7,877<f<15,754ГГц.

Следовательно, в выбранномволноводе в одномодовом режиме на заданной частоте 11 ГГц будетраспространяется с волна Н10,а другие типы волн на данной частоте впрямоугольном волноводе распространяться не будут.

Возбуждение волны Н11в круглом волноводе возможно с помощью плавного переходас постепенной деформацией поперечногосечения от прямоугольного волновода к круглому. Для того, что бы влияниеотражения было незначительным, длину такогоперехода берут 2×

lСВ.

Теперь необходимо выбратькруглый волновод для того чтобы питать облучатель.

Рассчитанный ранее конецстержня конической диэлектрической антенны с наибольшим диаметром поперечногосечения <img src="/cache/referats/7665/image065.gif" v:shapes="_x0000_i1052"> 15,38 мм. и будетприблизительно определять диаметр поперечного сечения круглого волновода.

Выбираем круглый волновод из таблицы 7.14 [5] на с. 193 С‑120который имеет следующие конструктивные и электрические параметры:

Ø

Критическая частотаГГц колебаний вида:

H11: ‑ 10,0;

Е01: ‑ 13,1;

H21: ‑ 16,7;

H01: ‑20,9;

Ø

Внутренний диаметр вмм.:

Номинал – 17,475;

Допуск – 0,017;

Ø

Номинальная толщинастенок в мм. – 1,27.

Ø

Частота в ГГц –12,07;

Ø

Затухание колебанийвида H11 в дБ/м:

Теоретически рассчитанное – 0,1524;

Ø

Затухание колебанийвида H11 в дБ/м максимальное значение отсутствует втаблице.

Структура поля волны H11 в круглом волноводе имеет вид такой же как на рис.2.5.

<img src="/cache/referats/7665/image068.gif" align=«left» v:shapes="_x0000_s1218 _x0000_s1211 _x0000_s1217"> Рис. 2.5.Структура поля H11в круглом волноводе

Рис. 2.5. Структура поля H11 в круглом волноводе:(———— линииэлек-трического поля; — — — линии магнитного поля.

Электромагнитная волна типа Emn(Hmn)распостраняется по волноводу, если ыполняется условие (2.18.).

Критическая длина волны для волн типа Hmnопределяется из соотношения:

<img src="/cache/referats/7665/image070.gif" v:shapes="_x0000_i1053"> (2.25.)

где ‑ h

mn– «n»-ый корень производной функции Бесселя«m»-го –порядка.

Для волн типа Emn:

<img src="/cache/referats/7665/image072.gif" v:shapes="_x0000_i1054"> (2.26.)

где ‑x

mn– «n»-ый корень функцииБесселя «m»-го порядка.

Расчитаем критические длины волн для волн, которые могутраспостраняться на частоте 11 ГГц в выбранном круглом волноводе.

Для основной волны H11:

Для волны E01

Для волны H21:

Для волны H01:

Волны E01, H21, H01, назданной частоте распосграняться не будут, так как не выполняется условие (2.18).

Примерный вид конструкции спользуемого для согласованияплавного перехода от прямоугольного волновода к круглому изображён на рис. 2.6. и в приложении 4.

<img src="/cache/referats/7665/image082.jpg" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1216">´

24мм. на круглый диаметром 70 мм.

3.

3.1.

q

a

j

Гиперболоид

Диэлектрический стержень

<img src="/cache/referats/7665/image083.gif" v:shapes="_x0000_s1145 _x0000_s1140 _x0000_s1131 _x0000_s1127 _x0000_s1061 _x0000_s1062 _x0000_s1063 _x0000_s1069 _x0000_s1071 _x0000_s1077 _x0000_s1078 _x0000_s1088 _x0000_s1090 _x0000_s1091 _x0000_s1097 _x0000_s1099 _x0000_s1101 _x0000_s1103 _x0000_s1104 _x0000_s1105 _x0000_s1107 _x0000_s1108 _x0000_s1113 _x0000_s1118 _x0000_s1124 _x0000_s1125 _x0000_s1126 _x0000_s1128 _x0000_s1129 _x0000_s1130 _x0000_s1134 _x0000_s1135 _x0000_s1136 _x0000_s1137 _x0000_s1138 _x0000_s1139 _x0000_s1141 _x0000_s1142 _x0000_s1143 _x0000_s1144">
Как было определено ранее, в качестве облучателя зеркальной антенны был выбранконический диэлектрический стержень (он изображён на рис. 2.4., причём в центре осей координат расположен фазовый центрдиэлектрической антенны и второй фокус гиперболоида (или малого зеркала), атакже угол q= j0,где j0– угол зрения на край малого рефлектора).

рис. 2.4.

Диаграмма направленностидиэлектрической антенны изображённой на рис.2.4. может быть рассчитана по приближённой формуле:

<img src="/cache/referats/7665/image085.gif" v:shapes="_x0000_i1059"> (2.27.)

Где угол q

отсчитывается от оси диэлектрического стержня,а также:

<img src="/cache/referats/7665/image087.gif" v:shapes="_x0000_i1060"> ‑ в плоскости <img src="/cache/referats/7665/image089.gif" v:shapes="_x0000_i1061"> (2.28.)

<img src="/cache/referats/7665/image091.gif" v:shapes="_x0000_i1062"> ‑ в плоскости <img src="/cache/referats/7665/image093.gif" v:shapes="_x0000_i1063"> (2.29.)

Ширину главного лепесткадиаграммы направленности по уровню половинной мощности приближённо можнорассчитать по формуле:

<img src="/cache/referats/7665/image095.gif" v:shapes="_x0000_i1064">°

(2.30.)

Расчётные формулы взяты из [1] на с. 10

Диаграмманаправленности диэлектрической антенныдолжна получиться такой, чтобы нули главного лепестка приходились на такой уголq

,что нулевое излучение диэлектрической антенны приходилось на края гиперболоида.

Рассчитанная диаграмма направленности изображена в приложении 1.

3.2.

Наиболее просто направленныесвойства параболической антенны рассчитываются так называемым апертурнымметодом, т.е. по полю в её раскрыве.

При установке в фокусе главногорефлектора облучателя с диаграммой направленности FОБЛ (y

,a) в раскрыве зеркаланаводится синфазное поле с амплитудным распределением и это амплитудноераспределение поля можно рассчитать воспользовавшись формулой из [1] на с. 23,которая учитывает, что облучателем параболоида является гиперболоид:

<img src="/cache/referats/7665/image097.gif" v:shapes="_x0000_i1065"> (2.31.)

При этом координаты точек раскрыва xp, yp, fp, a

p связаны с углами <span Times New Roman"; mso-hans

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Расчёт и проектирование маломощных биполярных транзисторов

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Диффузионные процессы в тонких слоях пленок при изготовление БИС методом толстопленочной технологии

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Радиотехническая система связи

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Выпрямители

29 Августа 2013