Техническое задание.
Вариант № 5.
Спроектировать параболическую антенну при следующих значениях:
Длина волны: λ=1.6 см.
Требование к ДН: ΔΘЕ=10.
КНД=3800.
Р=2кВт.
Поляризация: линейная.
Узел для разработки: сканирование в плоскости Е, вращающиеся сочленения.
Введение.
Зеркальные антенны являются наиболее широко распространенным типом антенн в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазонах волн. Такое широкое применение зеркальных антенн объясняется относительной простотой их конструкции, возможностью получения диаграммы направленности почти любого типа из применяемых на практике, высоким КПД, малой шумовой температурой и т. д.
Классическими являются параболические антенны, которые могут выполняться в виде параболоида вращения, параболического цилиндра или закрытой конструкции, ограниченной параллельными проводящими плоскостями. Параболоид вращения возбуждается слабонаправленным облучателем (например, рупором), помещенным
в фокусе зеркала, и преобразует сферический фронт волны в плоский. Параболический цилиндр возбуждается линейной антенной, помещенной на фокальной линии, и преобразует цилиндрический фронт волны в плоский. В этих антеннах, так же как и в линзах, используются оптические свойства радиоволн. Геометрические свойства параболы таковы, что лучи, направляемые из фокуса и отражаемые от параболы, становятся параллельными ее оси. Длина пути от фокуса
до параболы и затем до линии раскрыва, проходящей через края параболы, одинак-ова для любого угла Q. Таким образом, в раскрыве параболической антенны образуется синфазная поверхность, и излучение антенны оказывается остронаправленным.
|
|
В декартовой системе координат параболоид вращения определяется уравнением (начало координат совпадает с вершиной параболоида) x2+y2=4fz, а в сферической системе координат (начало координат совпадает с фокусом параболоида) – уравнением r(Q) = 2f/(1+cosQ)
Различают длиннофокусные и короткофокусные антенны. В длиннофокусной антенне фокус расположен вне антенны f>Dз/4 и угол раскрыва 2Qmax,под которым края зеркала видны из фокуса, удовлетворяет условию 2Qmax<p. В короткофокусных антеннах фокус находится внутри объема между зеркалом и его раскрывом, т.е. f< Dз/4 и 2Qmax>p.
Анализ технического задания.
Для решения поставленной задачи получения ширины ДН на уровне 0,707 ΔΘЕ=10 КНД=3800.
[7]
Для данного соотношения углов, целесообразней выбрать тип зеркала - параболический цилиндр.
В качестве излучателя выберем волновод, расположенный горизонтально.
Размеры облучателя будут соответствовать длине антенны в плоскости вектора Н и широкой стенке волновода. Будем считать, что антенная решётка даёт в плоскости Н равномерное амплитудное распределение, а в плоскости Е будем считать, что ДН решётки определяется по формуле F (θ)=cos n (θ)
Рис. 1 внешний вид антенны.
В декартовой системе координат цилиндрический параболоид определяется уравнением (начало координат совпадает с вершиной параболоида) x2=4fz. Рассчитываем основные геометрические размеры антенны (фокус, глубина зеркала, расстояние между облучателем и зеркалом). [3]
Рассчитав размеры антенны, и зная ДН облучателя, приступаем к расчету амплитудного распределения, которое определяется по следующей формуле g(θ)=Fобл(θ)cos2(θ/2). Аппроксимируя полученное амплитудное распределение по таблице, приведенной в методичке. Полученная функция представляется в виде линейной комбинации нормированных парциальных АР (
) со своими весами (
) 
. то ДН является линейной комбинацией соответствующих парциальных ДН (Fi) с теми же весами, умноженными на параметр амплитудного распределения (Mi), 
.
|
|
После чего рассчитаем для полученной антенной системы КИП, который будет представлять собой произведение трех составляющих: апертурный (
), 
КИП рассеяния (
) и КИП затенения (
). 
. [1]. Так как антенная решетка создает тень, то необходимо будет произвести расчет влияния тени на ДН в плоскости.
Выбор волновода.
Для того чтобы выбрать волновод, рассчитаем частоту.
ƒ=с/λ=3*108/0.016=18,75 ГГц.
Для данной частоты выберем волновод R220 со следующими параметрами:
f=17,6 – 26,7 ГГц
Внутренние размеры:
а=10,668мм
b=4,318мм
t=1.015мм
r1=0.4мм
Внешние размеры:
a1=12,7мм
b1=6,35мм
r2=0.5 – 1
Затухание на 21,1 ГГц: 0,37дБ/м - теоретическая;
Рис. 2 основные размеры волновода.
Рассчитаем значение критической мощности для данного волновода:
[8]
, где 
=1,2МВт/см2
Допустимая мощность в линии обычно принимается равной 25 – 30 % от критической мощности. [8]
Тогда РДОП=36кВт, что удовлетворяет условию задания.
Расчет облучателя.
К облучателю предъявляются следующие требования:
1. ДН должна обеспечивать выбранное амплитудное распределение в раскрыве и иметь минимальное излучение вне угла раскрыва.
|
|
2. Фазовая характеристика направленности должна иметь фазовый центр, совмещенный с фокусом зеркала.
3. Поперечные размеры облучателя не должны быть чрезмерно большими, чтобы избежать затемнения раскрыва.
4. Электрическая прочность облучателя должна быть достаточной для пропускания полной рабочей мощности радиосистемы без опасности пробоя.
5. Рабочая полоса частот облучателя должна соответствовать требуемой полосе частот радиосистемы [8].
Для данной антенны применяется линейная поляризация. Для ее реализации используем щели на широкой стенке прямоугольного волновода. У резонансных антенн расстояние между щелями равно λв, чем достигается синфазное возбуждение щелей.
= 
= 24.3мм
Длина щели равна λ/2 = 8мм
Даная антенна будет давать в плоскости вектора Е равномерное АР, а в плоскости Н вектора – рассчитывается исходя из выбранного угла засветки, который будет равен 60°. ДН облучателя в общем виде: Fобл(θ)=cosn(θ). Найдём n:
-10 = 20lgX
lgX = -0.5
cosn(60) = 0.316, откуда n = 1.66, следовательно ДН облучателя имеет вид:
Fобл(θ)=cos1.66(θ)
ДН облучателя.
