Расчет двухзеркальной передающей антенны Кассергена

Страницы работы

17 страниц (Word-файл)

Содержание работы

Федеральное агентство по образованию РФ

Рязанский государственный радиотехнический университет

Кафедра РУС

Курсовая работа

По дисциплине «Устройства СВЧ и антенны»

на тему

«Двухзеркальная передающая антенна»

Выполнил ст. гр. 410

Коновалов Ю. Е.

Руководитель

Рубцов А. В.

Рязань 2007


1. Общие сведения

Двухзеркальная антенна состоит из слабонаправленного излуча­теля (облучателя) и двух металлических отражателей (зеркал). Одно из зеркал большое и имеет (как у однозеркалъных антенн) форму парабо­лоида. Второе зеркало значительно меньше параболического и имеет форму гиперболоида (антенна Кассегрена) или эллипсоида (антенна Грегори). В данной работе рассматривается антенна Кассергена.

Схема антенны Кассегрена представлена на рис. 1. Малое зеркало расположено так, что внутренний его фокус совмещен с фокусом большого зеркала. Облу­чатель расположен так, что его фа­зовый центр совмещен с внешним фокусом малого зеркала. Облуча­тель направлен на малое зеркало.

Принцип действия этой ан­тенны основан на хорошо извест­ном свойстве гиперболы: если на гиперболу выпустить пучок лучей, расходящихся из одного из ее фо­кусов, и отразить их по закону гео­метрической оптики, - отраженные лучи будут казаться расходящимися из второго фокуса гиперболы (рис. 2).

                    Рис. 1                                                                            Рис. 2

Двухзеркальная антенна дей­ствует следующим образом (рис. 3). Энергия излучения облучателя падает на малое зеркало. После от­ражения от малого зеркала она на­правляется на большое зеркало. После отражения большим зерка­лом электромагнитная энергия направляется в свободное про­странство. Так как фазовый центр облучателя совмещен с внешним фокусом малого (гиперболическо­го) зеркала, на последнее падает пучок лучей, расходящийся из его фокуса. В соответствии с только что названным свойством гипербо­лы отраженный от малого зеркала пучок лучей будет расходиться из второго фокуса малого зеркала, который совмещен с фокусом большого зеркала. Поэтому на большое (параболическое) зеркало (как и в однозеркальной антенне) падает пучок лучей, расходящийся из фокуса параболы. После отражения большим зеркалом такой пучок в силу известного свойства параболы становится параллельным, а сле­довательно, антенна формирует узкую характеристику направленности (ХН) излучения. На большом расстоянии от антенны в силу дифрак­ционных явлений лучи в некоторой степени расходятся. Однако если размеры большого зеркала достаточно велики в сравнении с длиной волны колебаний λ, расходимость их невелика и ХН получается уз­кой. Поверхность S называют излучающей поверхностью антенны.

                  Рис. 3

Можно считать, что эта антенна является однозеркальной, но ее облучатель представляет собой совокупность слабонаправленного из­лучателя (истинного облучателя) и малого зеркала. В связи с этим ста­новится понятным, что основные свойства однозеркальной антенны присущи и двухзеркальным.

Большое зеркало антенны обычно имеет форму симметричной вырезки из параболоида вращения. У такого зеркала (рис. 4) два гео­метрических размера, которые можно выбирать независимо друг от друга - диаметр а и угол раскрыва Ψ (угол, под которым зеркало видно из его фокуса F).

                    Рис. 4

Профиль зеркала (парабола) описывается формулой:

               Фокусное расстояние f выражается через диаметр зеркала и угол его раскрыва формулой:

               Малое зеркало системы обычно имеет форму симметричной вы­резки из гиперболоида вращения. У него три геометрических размера, которые можно выбирать независимо друг от друга - диаметр ат, внешний угол раскрыва (угол, под которым зеркало видно из внешнего фокуса) Ψm и расстояние между фокусами f0 (рис 5).

 Рис. 5

Профиль зеркала (гипербола) описывается формулой:

                Фокусное расстояние малого зеркала можно выразить через его диаметр, внешний угол раскрыва и расстояние между фокусами, решив следующее уравнение (см. рис. 5):

         В качестве облучателя двухзеркальных антенн чаще всего ис­пользуют «синфазные» (почти синфазные) пирамидальные или расфазированные конические рупоры. Последние могут быть с гладкими внутренними стенками (гладкостенные) или ребристые. Важнейшими характеристиками облучателя, существенно влияющими на свойства зеркальной антенны, являются форма и ширина его ХН. Форма ХН облучателя определяется его типом, а ширина - размерами излучающей поверхности облучателя. Чем больше размеры, тем уже ХН облучателя.

В данной работе будем считать ХН облучателя осесимметричной. При осесимметричной ХН облучателя распределение амплитуды поля на излучающей поверхности осесимметричного зеркала тоже по­лучается осесимметричным.

2.Приближенный расчет размеров антенны

               1. Выбор формы излучающей поверхности антенны и профиля зеркала

Т. к. по заданию ХН должна быть осесимметричной, то большое зеркало должно иметь форму осесимметричной вырезки из параболоида вращения (излучающая поверхность круглая).

2. Выбор типа излучателя

По заданию необходимо спроектировать передающую антенну, следовательно мощность излучения должна быть большой. Поэтому выбираем рупорный облучатель.

3. Выбор углов раскрыва зеркал

Угол раскрыва большого зеркала двухзеркальной антенны обычно находится в пределах от 100 до 160 °.

При слишком большом угле раскрыва этого зеркала становится очень маленьким его фокусное расстояние. Это делает необходимым и внешний угол раскрыва малого зеркала делать большим, что нежела­тельно (см. выбор угла раскрыва малого зеркала).

При слишком маленьком угле раскрыва становится очень боль­шим фокусное расстояние большого зеркала и оказывается неприемлемым продольный габаритный размер антенны.

Выберем угол раскрыва антенны Ψ = 130˚

При выборе Ψт следует учитывать следующее.

Если этот угол сделать слишком большим, теряются почти все преимущества двухзеркальной антенны перед однозеркальной: уменьшаются фокусное расстояние и угол раскрыва эквивалентного зеркала, что сводит на нет преимущество в КИП; уменьшается расстояние меж­ду фокусами малого зеркала f0 , что удаляет облучатель от большого зеркала и увеличивает длину фидера. Если угол Ψт сделать слишком маленьким, размеры облучателя требуются очень большие; условие равенства теней облучателя и малого зеркала становится невыполни­мым, а в итоге результирующая тень на излучающей поверхности из-за тени от облучателя становится слишком большой.

Учитывая сказанное, угол раскрыва малого зеркала выбирают в пределах от 50 до 100 °. Выберем угол раскрыва малого зеркала равным Ψm = 90 °.

4. Выбор желаемого распределения амплитуды поля на излучающей поверхности

Основные электрические характеристики антенны определяются ее размерами и распределением амплитуды поля на ее излучающей поверхности. Поэтому размеры антенны по заданным электрическим характеристикам невозможно определить, пока неизвестно распреде­ление амплитуды поля на излучающей поверхности. Но распределение амплитуды поля нельзя рассчитать, пока неизвестны размеры антенны.

Чтобы разорвать этот замкнутый круг, поступают следующим образом. Сначала определяют желаемое распределение амплитуды поля на излучающей поверхности проектируемой антенны, исходя из ее назначения. Затем рассчитывают размеры антенны, полагая, что реальное распределение амплитуды поля будет отличаться от желаемо­го не очень сильно. Достаточно хорошего совпадения реального рас­пределения с желаемым добиваются при расчете размеров антенны выбором размеров облучателя, т.к. реальное распределение амплитуды поля в первую очередь определяется характеристикой направленности облучателя, а она, в свою очередь, - размерами облучателя.

Установлено, что реальное распределение амплитуды поля на излучающих поверхностях зеркальных антенн хорошо аппроксимиру­ется следующей функцией:

где 1\х) — нормированное к единице распределение амплитуды поля на излучающей поверхности антенны (распределение фиктивного по­верхностного тока); Δ - относительный уровень амплитуды поля на краю излучающей поверхности.

Похожие материалы

Информация о работе