Расчёт и проектирование зеркальной антенны

4.1 Источники фазовых ошибок и их влияние.

Технические допуски на точность изготовления зеркальных антенн определяются допустимой величиной отклонения фазового фронта в раскрыве зеркала от синфазного. Источниками фазовых ошибок в  раскрыве антенны могут быть:

1. отклонение формы зеркала от расчетной;
2. смещение фазового центра облучателя из фокуса параболоида;
3. отклонение волнового фронта поля облучателя от сферического;

При отклонении формы зеркала от расчетной на величину Dr фазовая ошибка Dy в раскрыве зеркала равна:

[21] 

 

Максимально допустимыми искажения диаграммы направленности будут при Dy<p/4, отсюда получаем величину допуска на точность изготовления зеркала:

 

[22] 

Максимальная точность выполнения профиля зеркала должна быть у  вершины:

[23] 

Dr< 0.375 см

 

При смещении из фокуса зеркала фазового центра облучателя вдоль оси параболоида, в раскрыве  появляется ошибка:

 

[24] 

 

При Dy<p/4  допуск на смещение облучателя из фокуса равен:

                                                       [25] 

где y₀ = 65º – угол раскрыва зеркала.

Dr< 1.299 см

При смещении облучателя вдоль оси  параболоида в раскрыве зеркала  возникает квадратичная фазовая  ошибка. Направление основного лепестка диаграммы направленности остается неизменным, увеличивается лишь его  ширина и уровень бокового излучения.

При небольшом смещении облучателя в направлении, перпендикулярном оси  параболоида, в раскрыве зеркала  возникает линейная фазовая ошибка. В результате диаграмма направленности зеркальной антенны отклоняется  от оси параболоида в сторону, противоположную стороне, в которую смещается облучатель, на угол

a = arc sin (Dr/R)                                                      [26]

a = 4.776.

Форма диаграммы направленности не меняется, так как a<2Q_0.7, где 2Q_0.7 = 4.9 – ширина диаграммы направленности антенны при несмещенном облучателе.

4.2 Коэффициент усиления антенны с учетом неточности изготовления зеркала:

На практике зеркало антенны  всегда выполняется с некоторыми погрешностями. Отклонение Dr профиля реального зеркала от идеального при правильно организованном технологическом  процессе носит случайный характер. Максимальная величина случайной ошибки определяется уровнем технологии и для зеркальных антенн с вероятностью 99% может быть определена следующим образом:

 

[27] 

где n = 3 для обычного серийного производства;  n = 4…5 – при специальной технологии.

Можно считать, что отклонение профиля Dr подчиняется нормальному закону распределения с нулевым средним значением и дисперсией (Dr)². При этом с вероятностью 99% максимальное отклонение профиля не превышает:

[28] 

Дисперсия фазовой ошибки в раскрыве – результат случайного характера Dr и равна:

 

[29] 

При n = 3  -  s² =0.0006.

С учетом этого коэффициент усиления зеркальной антенны будет равен:

 

[30] 

где S = pR² – площадь раскрыва; g = 0.82 – эффективность зеркальной антенны.

 

G = 218.698 = 23,5 дБ

5. Расчет фидерного тракта антенны.

5.1 Расчет прямоугольного волновода.

 

_{Так как антенна  рассчитана на сантиметровые  длины волн, в качестве основного фидерного  тракта используем прямоугольный  волновод с волной H10.}

_{Схематическое изображение  его части представлено на след. рисунке:}

 

Рис. 7

_{Размеры поперечного  сечения волновода  выбираются так, чтобы  волна H10 находилась в докритическом режиме, а волны высших типов, в частности H20 и H01,  в закритическом режиме.}

_{Размер широкой  стенки: 0.6l < a <0.9l,   3.6 см. < a < 5.4 см. Выбираем a = 4.0 см.}

_{Размер узкой  стенки: b < l/2,  b < 3 см. Выбираем b = 3.0 см.}

_{Материал –  латунь.}

_{Толщина стенки – 1.5 мм.}

 

 

 

_{Предельная  мощность, пропускаемая волноводом:}

 

 

                                                                         _[31] 

_{Епред=30 кВ/см – напряженность электрического поля пробоя.}

 

Р_пред 5.5 кВт.

 

Допустимая мощность - это предельная мощность пропускания, умноженная на коэффициент запаса электрической прочности. Она учитывает неоднородности, вызывающие местные концентрации электрического поля, климатические факторы и наличие стоячей волны. Допустимая мощность Р_доп равняется:

 

Р_доп  =  (1/3…1/5) * Р_пред.                                                 [32]

 

Р_доп = 1.1 кВт.

5.2 Расчет круглого волновода.

 

_{При вращении одной  части волновода  относительно другой должна сохраняться  осевая симметрия  поля. Это обеспечивается в круглых волноводах с волной типа E01 и H01.}

 

Из-за сложности возбуждения волны  Н₀₁ в круглом волноводе в чистом виде (одновременно возбуждаются волны типа Н₁₁, Е₀₁, Н₂₁,Е₁₁) использование вращающихся сочленений на основе данного типа волны не получило широкого практического применения. В результате во вращающихся сочленениях как правило используется волна E₀₁.

Рис. 8

Радиус основного круглого волновода  сочленения R определяется из условия распространения волны Е₀₁ (R>0.38l) и затухания высших типов волн (R<0.48l), т.е.

2.28 см. < R < 2.88см.

R = 2.5 см.

Проверка круглого волновода на максимальную пропускаемую мощность не производится, так как в прямоугольном  волноводе с волной Н₁₀ электрический пробой наступает быстрее, чем пробой в круглом волноводе при любом типе волны.

 

5.3 Расчет вращающегося сочленения.

 

Чтобы выполнить дроссельное соединение диаметр внутреннего проводника d должен быть не менее 6мм, возьмём d = 0,5 см. Диаметр наружного проводника выбирается из следующих условий: D/d = 2,72.

D

1,4 см.

Рис.9

Проверим коаксиальную линию на невозможность распространения  высших типов волн, которые ухудшают в сочленение условия передачи энергии. Чтобы в линии распространялась только основная волна и не распространялись волны высших типов, необходимо выполнить условие: λmin > π*((D+d)/2).

Условие выполняется: 5,4 см > 3 см.

 

Проверка сочленения на максимальную пропускаемую мощность производить  нецелесообразно, так как в прямоугольном  волноводе с волной Н₁₀ электрический пробой наступает быстрее, чем пробой в круглом волноводе при любом типе волны.

5.4 Дроссельно-фланцевые соединения.

Для соединения отрезков волноводных  линий передачи используются дроссельные  соединения в круглых, вращающихся  друг относительно друга волноводах и контактные фланцевые соединения в прямоугольных волноводах.

 

В качестве дроссельной секции в  круглом волноводе применяется  полуволновая замкнутая линия, состоящая  из двух параллельных четвертьволновых участков. Использование притертого фланца при тщательной обработке  и соблюдении параллельности фланцевых поверхностей позволяет получить в месте соединения двух неподвижных друг относительно друга отрезков волноводных линий хороший электрический контакт.

5.5 Переход от прямоугольного волновода к круглому.     

Для согласования волнового сопротивления прямоугольного волновода с круглым волноводом используются индуктивные диафрагмы, которые впаиваются с двух сторон в прорези в узких стенках прямоугольного волновода, емкостные диафрагмы в виде кольцевого выступа в круглом волноводе, индуктивные штыри, впаиваемые в прорези в широкой стенке прямоугольного волновода. Их положение и размеры подбираются экспериментально.

5.6 Переход от коаксиального  кабеля к круглому волноводу

Переход от коаксиального кабеля к  волноводу круг-лого сечения можно  представить себе как удаление из кабеля центральной жилы. Однако известно, что силовые линии электрического поля должны быть нормальны поверхности проводника. При наличии двух проводников в линии выполнение этого условия достигается тем, что силовые линии начинаются на поверхности одного проводника и заканчиваются на поверхности второго

 

6. Заключение.

    В данной курсовой  работе был произведен расчет  зеркальной параболической антенны  сантиметрового диапазона с облучателем  в виде пирамидального рупора. Подвод энергии осуществляется по волноводному тракту. Конструкцией обеспечивается угол сканирования в горизонтальной плоскости 360°.

 

   После ознакомления с  методиками расчета и соответствующей  литературой в процессе выполнения  курсовой работы можно сделать  вывод, что существующие методики дают результат, несколько отличающийся от реального, что требует обязательного макетирования антенны и доводки рассчитанной конструкции. Это потребует наименьших временных и трудовых затрат по сравнению с учетом в математической модели всех факторов, влияющих на конструкцию. Исключение составляют антенны больших габаритов, макетирование и испытание которых по понятным причинам затруднено.

 

   Рассчитанная конструкция  будет обладать как минимум  одним недостатком - несимметричностью ДН относительно горизонтальной оси вследствие затенения части зеркала питающим волноводом. При необходимости сохранения симметричности ДН следует дополнить конструкцию дополнительным симметрирующим волноводом, энергия по которому подводится не будет. Также это повысит жесткость конструкции.

Список использованной литературы:

 

 

1. _{«Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию по антенно-фидерным устройствам. Часть I».Под ред. Д.И. Воскресенского. МАИ,1973 г.}
2. _{«Расчет антенн СВЧ. Пособие к курсовому проектированию по антенно-фидерным устройствам. Часть II».Под ред. Д.И. Воскресенского. МАИ,1973 г.}
3. _{«Справочник по элементам волноводной техники». Фельдштейн, Явич. Сов.радио,                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       1967 г.}
4. «Антенны и устройства СВЧ». Д.И. Воскресенский, В.Л. Гостюхин,

      Л.И. Пономарев, В.М. Максимов. МАИ, 1999 г.

5. Лекции по предмету «Антенны  и устройства СВЧ».