Материал: Схема и принцип действия параболической антенны

Схема и принцип действия параболической антенны

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

. Анализ технического задания

1.1 Основные геометрические свойства параболоида вращения

1.2 Схема и принцип действия параболической антенны

1.3 Направленные свойства параболической антенны

1.4 Эффективность параболической антенны. Оптимальный облучатель

1.5 Факторы, вызывающие уменьшение коэффициента направленного действия антенны

. Расчет параметров антенны

.1 Расчет геометрических размеров антенны

.2 Расчет геометрических размеров облучателя

.3 Расчет диаграммы направленности облучателя

.4 Расчет амплитудного распределения антенны

.5 Расчет приближенных диаграмм направленности

.6 Расчет диаграмм направленности на средней частоте

.7 Расчет диаграмм направленности с учетом тени, создаваемой облучателем

.8 Оценка погрешностей

.9 Расчет просачивания энергии

. Расчет параметров коаксиально-волноводного перехода.

. Разработка конструкции основных узлов антенны

. Корректировка расчетов диаграммы направленности

.Экономический раздел

.1 Основные понятия

.2 Расчет себестоимости зеркальной антенны

.3 Положительный эффект

. Раздел безопасности и экологичности

7.1 Характеристика условий труда оператора ЭВМ

7.2 Окраска и коэффициенты отражения

.3 Освещение

.4 Параметры микроклимата

.5 Шум и вибрация

.6 Электромагнитное и ионизирующее излучения

7.7 Режим труда

7.8 Обеспечение электробезопасности

.9 Расчет освещенности

7.10 Расчет уровня шума

Заключение

Список литературы

Введение

В данной работе проектируется облучатель в виде открытого конца прямоугольного волновода для однозеркальной антенны с заданными геометрическими размерами зеркала и диапазоном частот. Производится расчет и оценка основных параметров антенны, предлагается конструкция основных узлов и креплений спроектированного облучателя. Целью работы является изучение возможности расчета направленных свойств однозеркальной параболической антенны методом составного амплитудного распределения.

Параболическая антенна относится к апертурным антеннам. Апертурные антенны - это антенны, излучение у которых происходит через раскрыв, называемой апертурой.

Апертурные антенны применятся, главным образом, в диапазоне СВЧ. Малая длина волны позволяет сконструировать антенны, размеры которых много больше длины волны. Следовательно, возможно создание остронаправленных антенн, имеющих сравнительно небольшие размеры. Кроме того, возможно создание антенн, имеющих диаграмму направленности особой формы, определяемой специальным назначением антенны.

Апертурные антенны являются основным типом радиолокационных антенн. Они также находят широкое применение в радионавигации, радиоастрономии, в радиотехнических системах управления искусственными спутниками Земли и космическими кораблями, в тропосферных и радиорелейных линиях и т.п.

Рассмотрим зеркальные антенны более подробно. Зеркальными антеннами называются антенны, у которых поле в раскрыве формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала). Источником электромагнитной волны обычно служит электромагнитная антенна, называемая в этом случае облучателем зеркала или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны. Поверхности зеркала придаётся форма, обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболее распространёнными являются зеркала в виде параболоида вращения, усечённого параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля. Облучатель помещается в фокусе параболоида или вдоль фокальной линии цилиндрического зеркала. Соответственно для параболоида облучатель должен быть точечным, для цилиндра - линейным.

Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, возбуждает на ней токи, которые создают вторичное поле, обычно называемое полем отраженной волны. Для того чтобы на зеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу в направлении зеркала и не излучать в другую полусферу. Такие излучатели называются однонаправленными. Точечный облучатель (например, рупор или открытый конец волновода), расположенный в фокусе параболоида, создает у поверхности зеркала сферическую волну. Зеркало преобразует ее в плоскую волну, то есть расходящийся пучок лучей преобразуется в параллельный, чем и достигается формирование острой диаграммы направленности.

.    
Анализ технического задания

1.1 Основные геометрические свойства параболоида вращения

Широкое распространение в диапазоне СВЧ получили антенные устройства, аналогичные оптическим рефлекторам или прожекторам. Такие антенны состоят из источника первичной волны и одного или нескольких зеркал, преобразующих фронт волны этого источника в заданный, обычно плоский. Целесообразно, перед тем как перейти к рассмотрению зеркальных антенн СВЧ, напомнить основные геометрические соотношения, справедливые для параболоида вращения и параболического цилиндра, - поверхностей, на базе которых выполняется большинство зеркальных антенн.

Рисунок 1.1

Свяжем с параболоидом вращения (рисунок 1.1) прямоугольную систему координат с началом в вершине параболоида (точка О) и осью OZ, совмещенной с фокальной осью параболоида (прямая OF), и полярную - систему координат с центром в фокусе (точка F) и отсчетом угла ψ от прямой FO. Поверхность параболоида вращения в прямоугольной системе координат (X, Y, Z) описывается уравнением:

 (1.1)

а в полярной системе (p, ψ) - уравнением:

 (1.2)

где f=OF - фокусное расстояние параболоида.

Раскрывом, или апертурой параболоида назовем плоскую поверхность, ограниченную кромкой параболоида.

Радиус этой поверхности Ro (см. рисунок 1.1) назовем радиусом раскрыва, а угол 2ψ₀ - назовем углом раствора (ψ₀ - угол между фокальной осью и прямой, проведенной из фокуса к кромке параболоида). Для радиуса раскрыва Ro и угла раствора 2ψ₀ справедливы соотношения:

 (1.3)

 (1.4)

 (1.5)

Если угол раскрыва 2ψ₀<π, то соответствующий параболоид называется длиннофокусным, если угол раскрыва 2ψ₀>π, то - короткофокусным. У длиннофокусного параболоида Ro<2f, а у короткофокусного - Ro>2f

Напомним, что угол между радиусом , проведенным под углом ψ к фокальной оси, и нормалью к поверхности параболоида в этой точке равен ψ/2. Площадь рабочей поверхности антенны  зависит от размера раскрыва и утла раствора и может быть определена по формуле:

 (1.6)

Если разместить в фокусе параболоида источник сферической волны, то после отражения этой волны от параболоида фронт ее становится плоским.

Рисунок 1.2

Параболический цилиндр (рисунок 1.2) представляет собой поверхность, описываемую уравнением:

 (1.7)

Расстояние от фокальной линии FF до оси OY называется фокусным расстоянием и обозначается f. Если разместить вдоль линии FF синфазный линейный источник, то волновой фронт волны после отражения от параболического цилиндра становится плоским [1].

1.2 Схема и принцип действия параболической антенны

Схема параболической антенны приведена на рисунке (1.3). Антенна состоит из металлического зеркала в виде параболоида вращения и облучателя, помещенного в фокусе.

Рисунок 1.3

Остановимся сначала на принципе действия оптических параболических зеркал (прожекторов), которые так же, как и оптические линзы, служат для преобразования сферического фронта волны источника в плоский фронт. Принцип действия параболического зеркала описан в [6] и заключается в том, что расходящиеся лучи, идущие от источника находящегося в фокусе зеркала, после отражения от его поверхности становятся параллельными.

Рассмотрим два произвольных луча - 1 и 2, излученных источником, находящимся в фокусе, и падающих на параболическое зеркало (рисунок 1.3). Луч 1, падающий в точку а, образует угол  с осью, а луч 2, падающий в точку b, образует угол  с осью параболоида. Согласно описанным выше свойствам параболоида, лучи 1 и 2 образуют с нормалью к поверхности параболоида в точках а и b углы  и  соответственно. Так как угол отражения равен углу падения, то угол отражения луча 1 равен , а угол отражения луча 2 равен . Таким образом, отраженный луч 1 образует угол  с падающим лучом 1 и, следовательно, параллелен оси параболоида. Отраженный луч 2 образует угол  с падающим лучом 2 и также параллелен оси параболоида. Аналогично этому любой луч, исходящий из источника, помещенного в фокусе, после отражения от параболоида становится параллельным оси параболоида.

Параллельным лучам соответствует плоский фронт волны. В качестве отражающих поверхностей применяются металлические зеркала, дающие практически полное отражение падающих на них лучей без заметных потерь.

Концепция геометрической оптики, подробно описанная в [6], согласно которой каждый луч облучателя, падающий на какую-либо точку параболоида, создает определенный отраженный луч, для радиотехнических параболических зеркал неточна, так как она справедлива, если длина волны бесконечно мала по сравнению с размерами зеркала и радиусами его кривизны.

Работу параболической антенны можно описать следующим образом. Энергия, направляемая облучателем на зеркало, возбуждает его, т. е. возбуждает токи на его поверхности. Каждый элемент поверхности параболоида, обтекаемый током, может рассматриваться как элементарный источник, излучающий энергию по весьма широкой диаграмме.

Для получения узкой диаграммы направленности необходимо распределить энергию между большим числом элементарных вибраторов, расположенных и возбужденных таким образом, что в нужном направлении их поля оказываются синфазными [4]. В данном случае распределение энергии осуществляется облучателем, а роль элементарных вибраторов играют элементы возбужденной поверхности параболоида, причем распределение токов в пространстве таково, что в направлении оси Z все элементы поверхности параболоида создают поля одинаковой фазы.

1.3 Направленные свойства параболической антенны

Расчет диаграммы направленности параболической антенны может быть произведен по распределению токов на поверхности зеркала - токовый метод. Зная распределение тока на поверхности зеркала, можно определить направленные свойства параболической антенны. Для этого необходимо проинтегрировать по всей поверхности зеркала выражение для напряженности поля, создаваемого элементом поверхности зеркала, рассматривая его как элементарный электрический вибратор.

Расчет ДН антенны этим способом обеспечивает достаточно точные результаты в пределах главного лепестка и прилегающих к нему боковых лепестков. Существенный недостаток этого метода - относительная сложность и громоздкость выкладок [4].

Рассмотрим в качестве излучающей плоскую поверхность раскрыва. Если пренебречь токами, затекающими на наружную поверхность параболоида, то можно определить напряженность поля в любой точке пространства по распределению поля на поверхности раскрыва S. Для приближенного определения распределения поля на поверхности раскрыва можно воспользоваться методом геометрической оптики, согласно которому каждому лучу облучателя, падающему на поверхность зеркала, соответствует луч, отраженный от этой поверхности. Если облучатель расположен в фокусе параболоида, все отраженные от поверхности антенны лучи оказываются параллельными (плоская волна), и поэтому плотность энергии на пути от излучающей поверхности параболоида до излучающей поверхности не меняется. На пути от облучателя до поверхности параболоида амплитуда лучей убывает обратно пропорционально расстоянию.

Таким образом, если в фокусе параболоида размещен облучатель с диаграммой направленности (φ,ψ), то распределение поля Е(φ,ψ) в раскрыве антенны по методу геометрической оптики [6] определится равенством:

= (1.8)

В равенстве (1.8) постоянные множители, не представляющие интереса для настоящего рассмотрения, опущены. Диаграмма направленности раскрыва с распределением (1.8) определяется формулой:

 (1.9)

где

Апертурный метод позволяет достаточно просто определить направленные свойства антенны с любым сколь угодно сложным раскрывом. Этот метод основан на тех же нестрогих предположениях, на которых основан токовый метод. Предположение о лучевом распространении поля от зеркала антенны до раскрыва, свойственное только апертурному методу, приводит к дополнительным погрешностям, увеличивающимся с ростом угла раствора зеркала. Следует отметить также, что апертурный метод не позволяет определить поляризационные характеристики поля антенны [4].

1.4
Эффективность параболической антенны. Оптимальный облучатель

Рассмотрим раскрыв параболоида как излучающую поверхность. Если распределение поля на поверхности синфазно и равномерно, то коэффициент направленного действия возбужденной поверхности в направлении оси OZ может быть определен формулой [24]:

 (1.10)

где S - площадь возбужденной поверхности.

Пусть теперь в раскрыве антенны распределение поля задано функцией Е(М), где М - текущая точка поверхности. Определим коэффициент направленного действия этой антенны в направлении оси Z. Поле, излученное антенной в этом в этом направлении, определяется равенством:

 (1.11)

где С - константа, в которую включены все, не представляющие интереса для настоящего рассмотрения, величины; dS - элемент поверхности. Для первой антенны, у которой распределение поля в раскрыве синфазно и равномерно, т.е. Е(М)=Ео, имеем:

 (1.12)

Излученная антенной с распределением поля в раскрыве Е(М) мощность:

 (1.13)

Для синфазного и равномерного распределений излученная мощность:

 (1.14)

Отсюда коэффициент направленного действия антенны 2 определяется выражением:

 (1.15)

Формулу (1.15) можно привести к следующему виду (индекс «2» опускаем):

 (1.16)