Зеркальная параболическая антенна со спиральным облучателем

Московский  авиационный институт

(Государственный  технический университет) «МАИ»

Факультет радиоэлектроники летательных аппаратов

Кафедра 406 «Радиофизика, антенны и микроволновая техника»

 

 

 

 

 

Курсовая работа по

«Антеннам и устройствам  СВЧ»

Зеркальная параболическая антенна со спиральным облучателем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:      студент гр. 04-427

 Беляков  Л.С.

Проверил:                к.т.н., доцент

Волков  О.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2008 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

Задание  ……………………………………………………………………………………………………………  2

Введение ……………………………………………….…………………………………………………………  4

Расчёт облучателя  ……………………………………………………………………………………..……  5

Расчёт зеркала  ………………………………………………………………………………………………  11

Расчёт вращающегося сочленения  ……………………………………………………………...  19

Выбор линии питания  ……………………………………………………………………………………  23

Электрическая схема антенны  ……………………………………………………………………..  24

Расчёт КПД  ………………………………..……………………………………………………………….….. 25

Описание конструкции  …………………………………………………………………….…………… 26

Список литературы  ………………………………………………………………………….……………. 27 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В настоящее  время зеркальные антенны широко применяются в радиостанциях  различного назначения – радиолокационных, навигационных, радиорелейных и в ряде других радиосистем СВЧ диапазона.

Зеркальные  антенны являются антеннами оптического  типа. Они состоят из облучателя и отражающего металлического или  металлизированного зеркала. Облучатель располагается в центре зеркала  и представляет собой слабонаправленный  излучатель. Отражающее зеркало может быть выполнено в виде параболоида вращения или может иметь специальный профиль, обеспечивающий получение требуемой диаграммы направленности.

Зеркальные  антенны нашли широкое применение благодаря следующим свойствам: сравнительной простоте конструкции; надёжности работы; надёжности работы; хорошим диапазонным свойствам (определяется диапазонностью облучателя); способности формировать диаграммы направленности различной формы.

Однако  зеркальные антенны обладают рядом  существенных недостатков. Механический способ широкоугольного сканирования требует громоздких и тяжёлых механизмов вращения. Уровень первых боковых лепестков составляет 15÷26 дБ.

В современных  конструкциях зеркальных антенн могут  быть приняты меры для ослабления или устранения вышеперечисленных  недостатков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт  облучателя

Вид спиральной антенны выбираем по заданному диапазону волн. В задании  дана требуемая полоса частот ±20% (диапазон частот 40%). Следовательно, ширина диапазона  не превышает 55 %  и выбирается цилиндрическая спираль.

Длина витка спирали принимается  равной средней длине волны заданного  диапазона (обеспечивает осевое излучение)

 

Шаг спирали находится из условия, учитывающего получение круговой поляризации  поля

 

Зададим число витков спирали

 

Число витков спирали влияет на ширину диаграммы направленности облучателя. С ростом числа главный лепесток диаграммы направленности становится уже. В нашем случае ДН должна обеспечивать одно из амплитудных распределений в раскрыве. Так же на число витков накладывается следующее ограничение , которое было получено на основании экспериментальных исследований. При главный лепесток ДН облучателя имеет наибольшую ширину из всех возможных вариантов.

Определим длину антенны

 

Радиус спирали находится из выражения

 

Для расчёта диаграммы направленности цилиндрической спиральной антенны  используем следующее приближённое выражение

 

 

 

Таблица результатов расчёта

θ	F(θ)	Fнорм(θ)	|Fнорм(θ)|
-180	-0,197	-0,216	0,216
-170	-0,192	-0,211	0,211
-160	-0,174	-0,191	0,191
-150	-0,140	-0,154	0,154
-140	-0,086	-0,095	0,095
-130	-0,021	-0,023	0,023
-120	0,036	0,040	0,040
-110	0,060	0,066	0,066
-100	0,042	0,046	0,046
-90	0,000	0,000	0,000
-80	-0,024	-0,026	0,026
-70	0,013	0,014	0,014
-60	0,127	0,140	0,140
-50	0,302	0,332	0,332
-40	0,496	0,545	0,545
-30	0,672	0,738	0,738
-20	0,805	0,885	0,885
-10	0,884	0,971	0,971
0	0,910	1,000	1,000
10	0,884	0,971	0,971
20	0,805	0,885	0,885
30	0,672	0,738	0,738
40	0,496	0,545	0,545
50	0,302	0,332	0,332
60	0,127	0,140	0,140
70	0,013	0,014	0,014
80	-0,024	-0,026	0,026
90	0,000	0,000	0,000
100	0,042	0,046	0,046
110	0,060	0,066	0,066
120	0,036	0,040	0,040
130	-0,021	-0,023	0,023
140	-0,086	-0,095	0,095
150	-0,140	-0,154	0,154
160	-0,174	-0,191	0,191
170	-0,192	-0,211	0,211
180	-0,197	-0,216	0,216

 

 

 

 

Диаграмма направленности цилиндрической спиральной антенны

Диаметр диска экрана принимается  равным

В нашем случае диаметр диска  экрана

Диаметр провода спирали берётся  порядка 

 

Длина провода 

Входное сопротивление спирали  почти чисто активное и определяется из выражения

 

Поскольку входное сопротивление  линии передачи 50 Ом, а сопротивление спирали 140 Ом, то для согласования надо применить согласующее устройство.

В качестве согласующего устройства применим ступенчатый трансформатор. Ступенчатый трансформатор представляет собой каскадное включение отрезков линии передачи с различными волновыми сопротивлениями (рис. 1), но имеющими одинаковую длину l. Волновые сопротивления соседних ступенек отличаются на небольшую величину, и отражения от них невелики. Принцип работы ступенчатого трансформатора заключается в том, что всегда найдётся хотя бы пара ступенек, отражение от которых компенсируется. Чем больше ступенек, тем лучше согласование и шире полоса пропускания. Структура трансформатора определяется числом ступенек n, длиной ступеньки l и отношением волновых сопротивлений соседних ступенек.

Расчёт основных параметров ступенчатого трансформатора

Рабочий диапазон волн характеризуется  коэффициентом его перекрытия

 

Относительная ширина диапазона

 

Приведённое значение волнового сопротивления

 

Длина ступенек l определяется по формуле

 

Зададим число ступенек , так как требуется согласовать относительно небольшую полосу частот (±20%).

Уровень согласования, обеспечиваемый переходом, определяется коэффициентом матрицы передачи, равным

 

Полученное значение позволяет  по заданному перепаду волновых сопротивлений  соединяемых линий  и заданной ширине рабочего диапазона определить максимальный коэффициент отражения в линии

 

Полученная величина нас вполне устраивает.

Найдём распределение коэффициентов  отражения от ступенек в чебышевском  переходе:

 

Где

 

 

 

 

Определим величины приведённых волновых сопротивлений

 

 

Определим волновые сопротивления  отрезков

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт  зеркала

Для расчёта диаграммы направленности параболической антенны необходимо найти амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала. По известной диаграмме направленности облучателя, используя метод геометрической оптики, можно рассчитать распределение амплитуды поля в раскрыве зеркала из соотношения

 

Где  нормированная диаграмма направленности облучателя.

Таблица результатов расчёта

Ψ	A(Ψ)	|A(Ψ)|
-90	0	0
-85	-1,00E-02	1,00E-02
-80	-1,50E-02	1,50E-02
-75	-1,00E-02	1,00E-02
-70	9,49E-03	0,009491
-65	4,80E-02	0,048
-60	1,05E-01	0,105
-55	0,181	0,181
-50	0,272	0,272
-45	3,74E-01	0,374
-40	4,82E-01	0,482
-35	5,88E-01	0,588
-30	6,89E-01	0,689
-25	0,78	0,78
-20	0,857	0,857
-15	0,919	0,919
-10	0,964	0,964
-5	0,991	0,991
0	1	1
5	0,991	0,991
10	0,964	0,964
15	0,919	0,919
20	8,57E-01	0,857
25	0,78	0,78
30	0,689	0,689
35	5,88E-01	0,588
40	0,482	0,482
45	0,374	0,374
50	0,272	0,272
55	0,181	0,181
60	1,05E-01	0,105
65	4,80E-02	0,048
70	9,49E-03	0,009491
75	-0,01	0,01
80	-1,50E-02	0,015
85	-1,00E-02	0,01
90	0	0

 

Формулы для расчёта диаграммы  направленности синфазных круглых  раскрывов известны только для относительно простых функций распределения  поля вдоль раскрыва антенны. Вследствие этого приходится найденное распределение  амплитуды поля в раскрыве зеркала  аппроксимировать одной из функций, для которых известны направленности, УБЛ и другие параметры.

Построим на одном графике распределение амплитуды поля в раскрыве зеркала и несколько аппроксимирующих функций, положив (нормированное значение поля на краях раскрыва зеркала). Тем самым можно определить функцию, максимально точно совпадающую с реальнам распределением поля.

 

 

Наибольшее совпадение обеспечивает третья аппроксимация.

 

Для неё известно обеспечивающий необходимый УБЛ

При   уровень первого бокового лепестка  -19,8 (дБ)

Ширина ДН на уровне половинной мощности     (град)

Следовательно, по графику распределения амплитуды поля в раскрыве зеркала можно определить такой угол раскрыва зеркала, при котором нормированная величина поля на его краях составит 0.6, что обеспечит требуемый уровень боковых лепестков.

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим по графику этот угол.

Угол раскрыва:

Для выбранного амплитудного распределения  известно соотношение для ширины диаграммы направленности в градусах:

 

Выразим из него радиус раскрыва зеркала

 

Фокусное расстояние , радиус раскрыва , и угол раскрыва связаны между собой геометрическим соотношением:

 

Выразим из этой формулы фокусное расстояние

 

Глубина параболоида: 

Диаграмма направленности антенны, соответствующая  выбранной аппроксимирующей функции.

 

Где и – функции Бесселя первого и второго порядка.

Таблица результатов расчёта

U	F(U)	Fнорм(U)	|Fнорм(U)|
-10,00	-1,75E-03	-4,38E-03	0,00
-9,80	1,33E-03	3,32E-03	0,00
-9,60	4,55E-03	1,14E-02	0,01
-9,40	7,78E-03	1,95E-02	0,02
-9,20	1,10E-02	2,75E-02	0,03
-9,00	1,40E-02	3,50E-02	0,04
-8,80	1,60E-02	4,00E-02	0,04
-8,60	1,80E-02	4,50E-02	0,05
-8,40	0,019	4,75E-02	0,05
-8,20	0,02	5,00E-02	0,05
-8,00	0,019	4,75E-02	0,05
-7,80	0,018	4,50E-02	0,05
-7,60	0,015	3,75E-02	0,04
-7,40	0,012	3,00E-02	0,03
-7,20	7,98E-03	2,00E-02	0,02
-7,00	3,11E-03	7,77E-03	0,01
-6,80	-2,39E-03	-5,98E-03	0,01
-6,60	-8,32E-03	-2,08E-02	0,02
-6,40	-0,014	-3,50E-02	0,04
-6,20	-0,021	-5,25E-02	0,05
-6,00	-0,026	-6,50E-02	0,07
-5,80	-0,032	-8,00E-02	0,08
-5,60	-0,036	-9,00E-02	0,09
-5,40	-0,039	-9,75E-02	0,10
-5,20	-0,041	-1,03E-01	0,10
-5,00	-0,04	-1,00E-01	0,10
-4,80	-0,038	-9,50E-02	0,10
-4,60	-0,034	-8,50E-02	0,09
-4,40	-2,70E-02	-6,75E-02	0,07
-4,20	-1,70E-02	-4,25E-02	0,04
-4,00	-4,78E-03	-1,20E-02	0,01
-3,80	1,00E-02	2,50E-02	0,03
-3,60	2,80E-02	7,00E-02	0,07
-3,40	4,80E-02	1,20E-01	0,12
-3,20	7,00E-02	1,75E-01	0,18
-3,00	0,094	2,35E-01	0,24
-2,80	0,12	3,00E-01	0,30
-2,60	0,147	3,68E-01	0,37
-2,40	0,175	4,38E-01	0,44
-2,20	0,203	5,08E-01	0,51
-2,00	0,231	5,78E-01	0,58
-1,80	0,259	6,48E-01	0,65
-1,60	0,285	7,13E-01	0,71
-1,40	0,31	7,75E-01	0,78
-1,20	0,332	8,30E-01	0,83
-1,00	0,352	8,80E-01	0,88
-0,80	0,369	9,23E-01	0,92
-0,60	0,382	9,55E-01	0,96
-0,40	0,392	9,80E-01	0,98
-0,20	0,398	9,95E-01	1,00
0,00	0,4	1,00E+00	1,00
0,20	0,398	9,95E-01	1,00
0,40	0,392	9,80E-01	0,98
0,60	0,382	9,55E-01	0,96
0,80	0,369	9,23E-01	0,92
1,00	0,352	8,80E-01	0,88
1,20	0,332	8,30E-01	0,83
1,40	0,31	7,75E-01	0,78
1,60	0,285	7,13E-01	0,71
1,80	0,259	6,48E-01	0,65
2,00	2,31E-01	5,78E-01	0,58
2,20	2,03E-01	5,08E-01	0,51
2,40	0,175	4,38E-01	0,44
2,60	0,147	3,68E-01	0,37
2,80	0,12	3,00E-01	0,30
3,00	0,094	2,35E-01	0,24
3,20	0,07	1,75E-01	0,18
3,40	0,048	1,20E-01	0,12
3,60	0,028	7,00E-02	0,07
3,80	0,01	2,50E-02	0,03
4,00	-4,78E-03	-1,20E-02	0,01
4,20	-0,017	-4,25E-02	0,04
4,40	-0,027	-6,75E-02	0,07
4,60	-0,034	-8,50E-02	0,09
4,80	-0,038	-9,50E-02	0,10
5,00	-0,04	-1,00E-01	0,10
5,20	-0,041	-1,03E-01	0,10
5,40	-0,039	-9,75E-02	0,10
5,60	-0,036	-9,00E-02	0,09
5,80	-0,032	-8,00E-02	0,08
6,00	-0,026	-6,50E-02	0,07
6,20	-0,021	-5,25E-02	0,05
6,40	-0,014	-3,50E-02	0,04
6,60	-8,32E-03	-2,08E-02	0,02
6,80	-2,39E-03	-5,98E-03	0,01
7,00	3,11E-03	7,77E-03	0,01
7,20	7,98E-03	2,00E-02	0,02
7,40	0,012	3,00E-02	0,03
7,60	0,015	3,75E-02	0,04
7,80	0,018	4,50E-02	0,05
8,00	0,019	4,75E-02	0,05
8,20	0,02	5,00E-02	0,05
8,40	0,019	4,75E-02	0,05
8,60	0,018	4,50E-02	0,05
8,80	0,016	4,00E-02	0,04
9,00	0,014	3,50E-02	0,04
9,20	0,011	2,75E-02	0,03
9,40	7,78E-03	1,95E-02	0,02
9,60	4,55E-03	1,14E-02	0,01
9,80	1,33E-03	3,32E-03	0,00
10,00	-1,75E-03	-4,38E-03	0,00