Расчет геометрических и электродинамических характеристик облучателя.

Расчет сводится к определению геометрических размеров облучателя, при которых уменьшение амплитуды поля на краю раскрыва зеркала происходит до одной трети амплитуды поля в центре раскрыва, и диаграммы направленности облучателя.

 

Диаграммы направленности рупорной антенны рассчитываются по формулам:

 

В плоскости H

 

Рисунок 5 – ДН в плоскости Н

 

 

В плоскости E

 

 

Рисунок 6 – ДН в плоскости Е

 

где ,

Ширина луча оптимального пирамидального рупора на уровне 0.5 по мощности (рад) определяется по формулам:

В плоскости H

В плоскости E

где значения определяются по аппроксимированной диаграмме направленности . Для этого построим ее в прямоугольной системе координат (рисунок 7):

 

Рисунок 7 – Аппроксимированная нормированная ДН облучателя

.

Найдем поперечные размеры рупора:

,

Для оптимального рупора (наибольший КНД) продольные и поперечные размеры связаны между собой соотношениями:

в плоскости E

в плоскости H

где - длины рупора в соответствующих плоскостях.

Расчет распределения поля в апертуре зеркала.

Расчет распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам.

где - диаграмма направленности облучателя,

- угол раскрыва,

- текущий угол.

Распределение поля в апертуре зеркала в плоскости E:

Распределение поля в апертуре зеркала в плоскости H:

На рисунке 8 представлен график распределения поля в апертуре зеркала.

Рисунок 8 – Распределение поля в апертуре зеркала

Расчет диаграммы направленности параболической антенны.

Инженерный расчёт пространственной ДН параболической антенны часто сводится к определению ДН идеально круглой синфазной площадки с неравномерным распределением напряжённости возбуждающего поля. В данном случае распределение напряжённости возбуждающего поля в основном определяется ДН облучателя в соответствующей плоскости. Выражение для нормированной ДН зеркальной параболической антенны при этом имеет вид:

 

где J₁ и J₂ – цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка;

k₁=Е_кр/Е_max=cos(Ψ₀/2)F_обл(Ψ₀) – коэффициент, показывающий во сколько раз амплитуда возбуждающего поля, на краю раскрыва меньше амплитуды в центре раскрыва, в соответствующей плоскости с учётом различий расстояний от облучателя до центра и края зеркала.

 

Нормированная ДН зеркальной параболической антенны в плоскости E:

 

 

 

Нормированная ДН зеркальной параболической антенны в плоскости H:

 

 

Рисунок 9 - Нормированная ДН зеркальной параболической антенны в плоскости H и E

Вектор Пойнтинга (также вектор Умова Пойнтинга) - вектор плотности потока энергии электромагнитного поля, один из компонент тензора энергии-импульса электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга S можно определить через векторное произведение двух векторов:

где Е и Н – векторы напряженности электрического и магнитного полей соответственно:

Рисунок 10 – Вектор Пойнтинга

Вычисление шумовых температур антенной системы.

,

где u=0.02,

a₁=1- cosⁿ⁺¹Y₀=0.914.

,

,

К.

 

Расчет полного коэффициента использования площади, эффективной площади, коэффициента направленного действия и коэффициента усиления антенны.

Приближенно коэффициент направленного действия зеркальной антенны определяется выражением:

где S – площадь раскрыва,

ν_рез – результирующий коэффициент использования поверхности.

Точное определение параметров антенны.

Коэффициент использования поверхности:

где a₁=1- cosⁿ⁺¹Y₀=0.931.

,

,

,

–точность выполнения профиля зеркала (обычно в пределах 0.4·10^-3 – 10^-5).

При u=0.02 и :

,

,

,015

.

 

Эффективная площадь антенны:

м².

Коэффициент направленного действия:

Коэффициент усиления антенны:

.

Конструктивный расчет антенны.

Выбор конструкции зеркала.

С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность зеркала

выполняют перфорированной или сетчатой (рисунок 11).

Рисунок 11 - Конструкция зеркала

При такой конструкции зеркала часть энергии просачивается сквозь него, образуя обратное нежелательное излучение. Допустимым является значение коэффициента прохождения в обратном направлении

где , - мощность излучения в обратном направлении и падающая на зеркало, соответственно.

Выберем поверхность зеркала сетчатой. Двухлинейная сетка работает удовлетворительно при расстоянии между проводниками меньше 0.1λ, т. е. меньше 1.9·10^-3 м и диаметре проводников не менее 0.01λ, т. е. не менее 0,19·10^-3 м.

9. Сопоставление расчетного и заданного уровня боковых лепестков, выработка рекомендаций для обеспечения соответствия этих уровней.

По рисунку 9 определим ширину диаграммы направленности параболической антенны в плоскости E и H.

Рассчитанные параметры:

-уровень боковых лепестков;

- отклонение боковых лепестков от заданного значения;

-уровень боковых лепестков;

- отклонение боковых лепестков от заданного значения.

 

При большом отклонении боковых лепестков от заданного значения, для снижения УБЛ предлагаются следующие способы:

1. подбирать (изменять) радиус раскрыва зеркала;

2. антенну выполняют неосесимметричной с вынесенным облучателем, незатеняющим основное зеркало;

3. нанесения на антенну радиопоглощающего покрытия (РПП), разработанного на основе композитного материала, обладающего искусственными магнитными свойствами на СВЧ;

4. диэлектрические стержни выбираются конической формы;

5. уменьшают КНД или увеличивают размеры антенны;

6. использование импедансных покрытий.

 

 

 

 

ВЫВОД

В данной курсовой работе был произведен конструктивный расчет зеркальной параболической антенны с облучателем в виде пирамидального рупора, с рабочей частотой 16 ГГц. Для антенны были определены геометрические параметры: диаметр раскрыва, фокусное расстояние и угол раскрыва. Также были рассчитаны полный коэффициент использования площади, эффективная площадь, КУ и КНД антенны. По построенным амплитудным диаграммам направленности параболической антенной по полю в прямоугольной системе координат в плоскостях E и H была определена ширина ДН на уровне половинной мощности в плоскости E и в плоскости H соответственно. Полученные значения соответствовали заданным, поэтому в оптимизации антенны не было необходимости. Уровень боковых лепестков и в первом и во втором случае удовлетворял заданным значениям.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988. – 432 с.

2. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. Учебник для вузов. –М.: Радио и связь, 1989. – 352 с.

3. Хмель В. Ф. Антенны и устройства СВЧ. Сборник задач. – Киев: Вища школа, 1976. – 216 с.

4. Ерохин Г. А. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учебник для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2004. – 491 с.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

 

Оптимальные параметры конического рупора для Е плоскости:

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ B

 

Оптимальные параметры конического рупора для H плоскости:

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ C

 

Рупор пирамидальный: