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.
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.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
