Двухзеркальная антенна по схеме Кассергена

Двухзеркальная антенна по схеме Кассергена

Двухзеркальня антенна по схеме Кассегрена представляет собой систему состоящую из двух отражающих поверхностей – софокусных параболоида и гиперболоида – и облучателя, установленного во втором фокусе гиперболоида. Все расстояния по ломанной линии от фокуса до раскрыва одинаковы, что обеспечивает синфазность поля в раскрыве.

Двухзеркальная антенна является более компактной, чем однозеркальная, и обеспечивает более равномерное распределение возбуждения по раскрыву, а также является более помехозащищённой, даёт возможность укоротить тракт СВЧ, и разместить основную часть конструкции облучателя за зеркалом, что особенно удобно в моноимпульсных радиолокаторах. При оптимизации размеров облучателя и малого зеркала удаётся получить КИП (0,60 0,65). Недостаток системы – затенение раскрыва малым её зеркалом, а также обратная реакция малого зеркала на облучатель.

Принцип работы двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена состоит в том, что электромагнитное поле от облучателя, отражаясь от второго зеркала (гиперболоида) попадает на поверхность первого зеркала (параболоида), аотражённое о него, наконец, излучается в пространство причём вид излучаемого в простанство поля совпадает с полем излучаемым плоской синфазной поверхностью. 1. Выбрать и расчитать: Вычертить: Расчётный вариант №42. В данном варианте при расчётах необходимо учесть и придерживаться следующих исходных данных: F , ГГц. 11 D q по уровню –3дБ (град.) 1,5 d в дБ. -23 P И , кВт. 80 : диэлектрическая антенна. 2. 2.1. Перед началом расчётов основных конструктивных параметров зеркал двух зеркальной антенны по схеме Кассегрена рассмотрим рисунок 2.1., на котором показаны основные параметры зеркал. Рис. 2.1. Эквивалентный параболоид. На рисунке 2.1.: e – эксцентриситет гиперболического зеркала; y 0 – угол раскрыва большого зеркала (или параболоида); j 0 – угол зрения на малое зеркало (или угол раскрыва эквивалентного параболоида); f – фокусное расстояние большого зеркала (или параболоида); f Э – фокусное расстояние эквивалентного параболоида; r j расстояние до второго фокуса гиперболоида; r y расстояние до первого фокуса гиперболоида; D – диаметр раскрыва большого зеркала (или параболоида); d – диаметр раскрыва малого зеркала (или гиперболоида). Эксцентриситет гиперболического зеркала определяется соотношением: (2.1.) И поскольку для нашей антенны выбраны j 0 =15 ° , а y 0 0 =90 ° , то значение эксценнтриситета e =1,303. С учётом того, что нам заданы: ширина диаграммы направленности по уровню (–3дБ), т.е. D q 3дБ =1,5 ° и уровень боковых лепестков d =-23 дБ и с учётом расчётных соотношений для круглого раскрыва, которые предоставлены в [1] (таблица 3.2, с. 26), рассчитаем диаметр большого зеркала D воспользовавшись соотношением: (2.2.) где l с в длина волны в свободном пространстве. (2.3.) где С – скорость света 3 10 8 м/с , а F – заданная рабочая частота антенны 11 ГГц. Таким образом, получаем расчётное значение диаметра раскрыва большого зеркала: D=1290,023мм.

Используя соотношение, связывающее диаметр раскрыва большого зеркала D, угол раскрыва большого зеркала y 0 и фокусное расстояние большого зеркала f , описанное в [1] на с. 23, найдём фокусное расстояние большого зеркала по формуле: (2.4.) Воспользовавшись соотношениями 3.16 на с. 30 в [1] рассчитаем f Э по формуле: (2.5.) Используя соотношение 3.17 (тот же источник, и та же страница) произведём расчёт по формуле: (2.6.) Используя соотношения 3.18 и 3.19 из [1] с 31 найдём r y и r j по формулам: Профиль сечения зеркал z ( x ) определяется для большого зеркала из уравнения параболоида вращения в прямоугольной системе координат ( x , y , z ) , имеющего вид: (2.9.) а для малого зеркала из уравнения гиперболоида вращения: (2.10.) Здесь : ; ; c=a e Размеры теоретически рассчитанных профилей сечения зеркал незначительно отличается от рассчитанных по программе (смотрите приложение 6), поскольку для обеспечения заданной D q пришлось уменьшить теоретически рассчитанное по (2.4) фокусное расстояние f до 290мм., воспользовавшись при этом методическими указаниями из [1] с. 44, в которых говорится о том, что если расчётная ширина главного лепестка или коэффициента усиления антенны отличается от заданных значений на (10 20)%, то можно произвести коррекцию зеркал, умножая все их линейные размеры на отношение: D q ПОЛУЧЕННОЕ / D q ЗАДАННОЕ При этом, размеры облучателя и угловые размеры зеркальной системы остаются неизменными и сохраняется функция распределения поля и уровень боковых лепестков. 2.2. В нашем случае в качестве облучателя в двухзеркальной антенне по схеме Кассегрена используется диэлектрическая стержневая антенна (вид антенн бегущей волны). Как и все антенны бегущеи волны стержневая диэлектрическая антенна реализует режим осевого излучения и выполняется на осное замедляющей системы, способной поддерживать поверхностные волны.

Диэлектрические стержневые антенн применяются на частотах от 2ГГц и выше и представляют собой диэлектрические стержни (иногда трубки ) круглого или прямоугольного поперечного сечения длиной L (смотрите рис. 2.2.) длиной несколько длин волн, возбуждаемые отрезком круглого или прямоугольного металлического волновода. В диэлектрическом стержне используется низшая гибридная замедленная электромагнитная волна HE 11 (смотрите рис. 2.3.). Наибольшее распространение получили диэлектрические антенны со стержнем круглого сечения, вставленным в круглый волновод.

Коэффициенты замедления волны HE 11 .
Рис. 2.2. Диэлектрические стержневые антенны. На рисунке 2.2 .: а) цилиндрическая; б) коническая; D 1 = d MAX ; D 2 = d MIN ; 1 – цилиндрический стержень (или трубка); 2 конец круглого волновода. На частотах менее 3 ГГц круглый волновод обычно возбуждается от коаксиального кабеля (при этом диэлектрическая антенна – цилиндрический стержень), а на частотах выше 3 ГГц чаще используется волноводное возбуждение с плавным переходом от прямоугольного волновода к круглому (при этом диэлектрическая антенна – конический стержень). В нашем случае рабочая частота 11 ГГц, поэтому в качестве облучателя зеркальной антенны будем использовать диэлектрическую стержневую антенну конической формы. Кроме того, диэлектрические стержни формы выбираются конической формы для уменьшения отражения поля от конца диэлектрической антенны и снижения уровня боковых лепестков (в волноводе коническая часть стержня, не учитывающаяся при расчёте длины диэлектрической антенны L и равная 1,5 l В , где l В длина волны в волноводе, так же используется для уменьшения отражения поля от конца диэлектрического стержня большего диаметра поперечного сечения). Материал конического диэлектрического стержня выберем фторопласт с относительной диэлектрической проницаемостью e r=2 . Расчитаем размеры данного облучателя.

Диэлектрическая антенна, как антенна бегущей волны имеет максимальный коэффициент направленного действия КНД (см. [1] с. 9): =6,971 (2.11.) Для эффективного возбуждения стержня его начальный диаметр должен быть в соответствие с соотношением из [1] на с. 10 приблизительно равен: =15,38 мм. (2.12.) Фазовая скорость волны в конце стержня должна соответствовать фазовой скорости волны в свободном пространстве и в соответствие с выражением из [1] на с. 10 диаметр конца диэлектрического стержня обращённого во внешнее пространство определяется по формуле: =9,72 мм. (2.13.) Поскольку диаметр сечения диэлектрического стержня переменный то необходимые значения L , и d расчитываются исходя из предположения, что x ОПТ определяется средним значением диаметра стержня: =12,55 мм. (2.14.) На основе рассчитанного среднего диаметра d СР диэлектрического стержня выберем оптимальный коэффициент замедления фазовой скорости волны в стержне (близкий к 1) из рис. 1.6 в [1] на с. 9 (из рисунка видно, что величина замедления зависит от диаметра и материала стержня) x ОПТ @ 0,95, т.е. используя соотношение 1.7 из [1] можем расчитать длину диэлектрического стержня по формуле: =258,91 мм. (2.15.) Для того, чтобы в стержне не возбуждались высшие типы волн искажающие диаграмму направленности диэлектрической стержневой антенны, необходимо выполнять соотношение: (2.16) У нас это соотношение выполняется т.к. d = 12,55 мм. 33,25 мм.

Пример диэлектрической линии передачи.
Рис. 2.3. Структура поля гибридной волны HE 11 . 2.3. В качестве линии передачи выберем прямоугольный волновод с размерами а и b (а-широкая стенка волновода, b -узкая стенка волновода), который вместе с плавным переходом от волновода прямоугольного сечения к круглому и диэлектрической конической стержневой антенной (облучателем) образует линию питания антенны. В прямоугольном волноводе могут распостраняться волны электрических ( E mn , m , n = l ,2,3,...) и магнитных (Н mn , m , n = l ,2,3...) типов.

Электромагнитная волна типа E mn ( H mn ) распостраняется по волноводу, если выполняется условие: (2.17.) для частоты. (2.18.) для длины волны Где: (2.19.) критическая частота волны типа E mn ( H mn ) (2.20.) критическая длина волны типа E mn ( H mn ) m, n индексы, показывающие число вариаций (полуволн) компонентов поля соответственно вдоль осей X и Y. Волну, обладающую в волноводе заданных размеров а и b наименьшей критической частотой, называют основной волной. Все остальные волны называются волнами высших типов. Из формул (2.19.), (2.20.) следует, что при a > b основной волной будет волна Н 10 . На рисунке 2.4. изображено распределение поля основной волны Н 10 в прямоугольном волноводе. Рис. 2.4. прямоугольный волновод. Рис. 2.4. Структура поля основной волны Н 10 в прямоугольном волноводе (———— линии электрического поля; — — — линии магнитного поля). Исходя из мощности передатчика в импульсе и частоты генератора линии питания, из таблицы 7.7 [5] с. 186 выберем волновод R-120 со следующими параметрами: Номинальные размеры: а =19,03 мм., b=9,525 мм.; Критическая частота волны Н 10 , f KP = 7,869 ГГц; Рабочий диапазон частот 1,25f KP …1,9f KP , для волны Н 10 =9,84...15,0 ГГц; Номинальная рабочая частота 1,5f KP =11,8 ГГц; 1,5f KP a =0,133 дБ/м; Р ПР =0,201 МВт; S =1,27 мм.; m =0,72 кг. Для основной волны Н 10 : мм. (2.21.) мм.(2.22.) Следующей по критической частоте в выбранном прямоугольном волноводе будет волна Н 20 с ( Диапазон частот, при которых в волноводе может распространяться только основная волна Н 10 , задается неравенством: (2.24.) 7,877 f ГГц.

Следовательно, в выбранном волноводе в одномодовом режиме на заданной частоте 11 ГГц будет распространяется с волна Н 10 , а другие типы волн на данной частоте в прямоугольном волноводе распространяться не будут.

Возбуждение волны Н 11 в круглом волноводе возможно с помощью плавного перехода с постепенной деформацией поперечного сечения от прямоугольного волновода к круглому. Для того, что бы влияние отражения было незначительным, длину такого перехода берут 2 l СВ . Теперь необходимо выбрать круглый волновод для того чтобы питать облучатель.

Рассчитанный ранее конец стержня конической диэлектрической антенны с наибольшим диаметром поперечного сечения 15,38 мм. и будет приблизительно определять диаметр поперечного сечения круглого волновода.

Выбираем круглый волновод из таблицы 7.14 [5] на с. 193 С 120 который имеет следующие конструктивные и электрические параметры: Критическая частота ГГц колебаний вида: H 11 : 10,0; Е 01 : 13,1; H 21 : 16,7; H 01 : 20,9; Внутренний диаметр в мм.: Номинал – 17,475; Допуск – 0,017; Номинальная толщина стенок в мм. – 1,27. Частота в ГГц – 12,07; Затухание колебаний вида H 11 в дБ/м : Теоретически рассчитанное – 0,1524; Затухание колебаний вида H 11 в дБ/м максимальное значение отсутствует в таблице.

Структура поля волны H 11 в круглом волноводе имеет вид такой же как на рис. 2.5. Рис. 2.5.Структура поля H 11 в круглом волноводе Рис. 2.5. Структура поля H 11 в круглом волноводе:(———— линии элек-трического поля; — — — линии магнитного поля.

Электромагнитная волна типа E mn ( H mn ) распостраняется по волноводу, если ыполняется условие (2.18.). Критическая длина волны для волн типа H mn определяется из соотношения: (2.25.) где h m n – « n »-ый корень производной функции Бесселя «m»-го –порядка. Для волн типа E mn : (2.26.) где x mn – «n»-ый корень функции Бесселя « m »-го порядка.

Расчитаем критические длины волн для волн, которые могут распостраняться на частоте 11 ГГц в выбранном круглом волноводе. Для основной волны H 11 : Для волны E 01 Для волны H 21 : Для волны H 01 : Волны E 01 , H 21 , H 01 , на зданной частоте распосграняться не будут, так как не выполняется условие (2.18). Примерный вид конструкции спользуемого для согласования плавного перехода от прямоугольного волновода к круглому изображён на рис. 2.6. и в приложении 4. 24 мм. на круглый диаметром 70 мм. 3. 3.1.

X
Y
Z
q
a
j
Гиперболоид
Диэлектрический стержень
Как было определено ранее, в качестве облучателя зеркальной антенны был выбран конический диэлектрический стержень (он изображён на рис. 2.4., причём в центре осей координат расположен фазовый центр диэлектрической антенны и второй фокус гиперболоида (или малого зеркала), а также угол q = j 0 , где j 0 – угол зрения на край малого рефлектора). рис. 2.4. Диаграмма направленности диэлектрической антенны изображённой на рис. 2.4. может быть рассчитана по приближённой формуле: (2.27.) Где угол q отсчитывается от оси диэлектрического стержня, а также: в плоскости (2.28.) в плоскости (2.29.) Ширину главного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности приближённо можно рассчитать по формуле: ° (2.30.) Расчётные формулы взяты из [1] на с. 10 Диаграмма направленности диэлектрической антенны должна получиться такой, чтобы нули главного лепестка приходились на такой угол q , что нулевое излучение диэлектрической антенны приходилось на края гиперболоида.

Рассчитанная диаграмма направленности изображена в приложении 1. 3.2. Наиболее просто направленные свойства параболической антенны рассчитываются так называемым апертурным методом, т.е. по полю в её раскрыве. При установке в фокусе главного рефлектора облучателя с диаграммой направленности F ОБЛ ( y , a ) в раскрыве зеркала наводится синфазное поле с амплитудным распределением и это амплитудное распределение поля можно рассчитать воспользовавшись формулой из [1] на с. 23, которая учитывает, что облучателем параболоида является гиперболоид: (2.31.) При этом координаты точек раскрыва x p , y p , f p , a p связаны с углами y и a соотношениями, обусловленными геометрией задачи (смотрите рис. 2.5.): (2.32.) (2.33.) (2.34.) (2.35.)

X
Z
y
F
X
Y
Y
f
r( y )
r
R
a
y
F
Рис. 2.5.
приложении 2. 3.3 По известному полю в раскрыве рефлекторов рассчитывается F ( q , j ) по формуле: (3.1.) Где: (3.2.); S поверхность раскрыва; S T – площадь проекции на раскрыв затеняющих элементов.

Коэффициент усиления антенны с учётом апертурного коэффициента исполизования g а (или КИП), обусловленного амплитудной неравномерностью поля в раскрыве, и коэффициента перехвата мощности облучателя зеркалом g п рассчитывается по формуле: (3.3.) Где: Общая эффективность антенны g а = g а g п определяется из соотношения: (3.5.) Все расчётные соотношения взяты из [1] на с. 23-24. Рассчитанная диаграмма направленности всей антенны по схеме Кассегрена вместе с параметрами изображена в приложении 3. 4. С учетом рисунка 4.1. и 4.2., а также рассчитанных ранее размеров рефлекторов в соответствующем пункте 2 предлагается, конструкция антенны (смотрите приложение 5) позволяющая реализовать данную антенну.

Рис. 4.1. Двухзеркальная параболическая антенна по схеме Кассегрена.
4 .2.
а – схема и ход лучей; б – распределение излучающих токов по радиусу. заключение. В ходе курсового работы была спроектирована двухзеркальная параболическая антенна по схеме Кассегрена и произведены основные расчеты параметров, характеризующих работу антенны, построены диаграммы направленности всей антенны и облучателя, т.е. стержневой конической диэлектрической антенны. В процессе проектирования удалось реализовать антенно-фидерное устройство удовлетворяющее исходным данным курсового проекта, а именно обеспечить работу двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена на частоте 11 ГГц с шириной ДН D q по уровню –3 дБ в 1,5 градуса с уровнем боковых лепестков не более –18,3 дБ, коэффициентом усиления 41 дБ и коэффициентом использования поверхности КИП равным 0,704. Все основные рассчитаные данные имеются на рисунке в приложении 6. Было выяснено, что: Ширина диаграммы направленности синфазного раскрыва обратно пропорциональна размеру раскрыва, выраженного в длинах волн, а также зависит от его формы и распределения поля на нём; Чем сильнее спадает поле в раскрыве к его краям, тем при тех же размерах антенны больше ширина главного лепестка и ниже уровень боковых лепестков; Затенение раскрыва зеркала облучателем, или другими элементами антенны может значительно повысить уровень боковых лепестков по сравнению с незатенённым раскрывом; Фазовый центр облучателя должен совпадать со вторым фокусом гиперболоида и незначительные сдвиги или изменение размеров облучателя сильно влияют на диаграмму направленности и распределение поля в раскрыве главного рефлектора антенны; В качестве облучателей параболической антенны по схеме Кассегрена могут использоваться простые слабонаправленные облучатели: рупорные, вибраторные, спиральные, щелевые, полосковые. Форма диаграммы направленности облучателя должна соответствовать форме раскрыва главного зеркала.

Таможенное право

Медицина

Литература, Лингвистика

Технология

Физика

Культурология

История

Уголовное право

Разное

Философия

Экскурсии и туризм

Маркетинг, товароведение, реклама

Программирование, Базы данных

Бухгалтерский учет

Микроэкономика, экономика предприятия, предпринимательство

Охрана природы, Экология, Природопользование

Политология, Политистория

Право

География, Экономическая география

Физкультура и Спорт

Педагогика

Историческая личность

Иностранные языки

Экономическая теория, политэкономия, макроэкономика

Правоохранительные органы

Материаловедение

Юридическая психология

Религия

Муниципальное право России

Ценные бумаги

Биология

Геология

Трудовое право

Радиоэлектроника

Социология

Транспорт

Психология, Общение, Человек

Программное обеспечение

Компьютеры и периферийные устройства

Международные экономические и валютно-кредитные отношения

Математика

Искусство

Металлургия

Техника

Менеджмент (Теория управления и организации)

Сельское хозяйство

Теория государства и права

Военная кафедра

Ветеринария

Теория систем управления

Банковское дело и кредитование

Международное частное право

Государственное регулирование, Таможня, Налоги

Химия

История экономических учений

Компьютерные сети

Здоровье

Налоговое право

Финансовое право

Биржевое дело

Музыка

Астрономия

Экологическое право

Римское право

История политических и правовых учений

Криминалистика и криминология

Семейное право

Административное право

Экономико-математическое моделирование

Пищевые продукты

Жилищное право

Подобные работы

Двухзеркальная антенна по схеме Кассергена

echo "Двухзеркальня антенна по схеме Кассегрена представляет собой систему состоящую из двух отражающих поверхностей – софокусных параболоида и гиперболоида – и облучателя, установленного во втором фо

Технология соединения деталей радиоэлектронной аппаратуры

echo "Кстати, не надо путать температуру припоя с температурой жала паяльника, для которого рекомендуется в среднем 315°С. Дело в том, что тепло в соединение передается не мгновенно, поэтому для подде

Многокаскадные усилители

echo "Суммарный фазовый сдвиг, вносимый усилителем, равен сумме фазовых сдвигов каждого каскада. Сквозной коэффициент усиления K общ = k вх K общ где k вх = Z вх /(Z г + Z вх) – коэффициент передачи

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

echo "Причем только недавно были созданы экспериментальные методы , позволяющие изучать эффекты переноса вещества в столь малых пространственных масштабах. Основная цель доклада рассмотреть диффузион

Влияние гистерезиса и вихревых токов на ток катушки с ферромагнитным сердечником

echo "Площадь, ограниченную контуром 3-4-5-3, нужно считать отрицательной. Энергия, пропорциональная этой площади, возвращается источнику. На участке 5-6-7 петли гистерезиса напряженность поля и прир

Расчёт и проектирование маломощных биполярных транзисторов

echo "Торопчин В. И. САРАТОВ 1999г. Оглавление. TOC o '1-3' h z Оглавление. .................................................................................................... PAGEREF _Toc469756976

Триоды. Устройство и принцип действия

echo "Объектом управления является пространственный заряд электро нов, эмиттированных катодом. Степень влияния определяется расстоянием соответствующего электрода к катоду. Управляющая сетка располо

Радиорелейная связь

echo "Развитие многоканальной радиорелейной связи относится к началу 40-х годов, когда появляются первые 12-канальные радиолинии, использующие тот же, что и для кабельных линий, способ частотного разд