Структура поля волны H11 в круглом волноводе имеет вид такой же как на рис. 2.5.
Рис. 2.5.Структура поля H11 в круглом волноводе
Рис. 2.5. Структура поля H11 в круглом волноводе:(———— линии элек-трического поля; — — — линии магнитного поля.
Электромагнитная волна типа Emn (Hmn) распостраняется по волноводу, если ыполняется условие (2.18.).
Критическая длина волны для волн типа Hmn определяется из соотношения:
(2.25.)
где ‑ hm n – «n»-ый корень производной функции Бесселя «m»-го –порядка.
Для волн типа Emn:
(2.26.)
где ‑xmn – «n»-ый корень функции Бесселя «m»-го порядка.
Расчитаем критические длины волн для волн, которые могут распостраняться на частоте 11 ГГц в выбранном круглом волноводе.
Для основной волны H11:
29,298 мм.
Для волны E01
22,88 мм.
Для волны H21:
17,95 мм.
Для волны H01:
14,34 мм.
Волны E01, H21, H01, на зданной частоте распосграняться не будут, так как не выполняется условие (2.18).
Примерный вид конструкции спользуемого для согласования плавного перехода от прямоугольного волновода к круглому изображён на рис. 2.6. и в приложении 4.
Рис. 2.6. Конструкция плавного перехода с прямоугольного волновода с сечением 48´24 мм. на круглый диаметром 70 мм.
3. электрические характеристики антенны.
3.1. диаграмма направленности облучателя.
Как было определено ранее, в качестве облучателя зеркальной антенны был выбран конический диэлектрический стержень (он изображён на рис. 2.4., причём в центре осей координат расположен фазовый центр диэлектрической антенны и второй фокус гиперболоида (или малого зеркала), а также угол q = j0, где j0 – угол зрения на край малого рефлектора).
рис. 2.4.
Диаграмма направленности диэлектрической антенны изображённой на рис. 2.4. может быть рассчитана по приближённой формуле:
(2.27.)
Где угол q отсчитывается от оси диэлектрического стержня, а также:
‑ в плоскости (2.28.)
‑ в плоскости (2.29.)
Ширину главного лепестка диаграммы направленности по уровню половинной мощности приближённо можно рассчитать по формуле:
= 22,72° (2.30.)
Расчётные формулы взяты из [1] на с. 10
Диаграмма направленности диэлектрической антенны должна получиться такой, чтобы нули главного лепестка приходились на такой угол q, что нулевое излучение диэлектрической антенны приходилось на края гиперболоида.
Рассчитанная диаграмма направленности изображена в приложении 1.
3.2. поле в раскрыве рефлекторов.
Наиболее просто направленные свойства параболической антенны рассчитываются так называемым апертурным методом, т.е. по полю в её раскрыве.
При установке в фокусе главного рефлектора облучателя с диаграммой направленности FОБЛ (y,a) в раскрыве зеркала наводится синфазное поле с амплитудным распределением и это амплитудное распределение поля можно рассчитать воспользовавшись формулой из [1] на с. 23, которая учитывает, что облучателем параболоида является гиперболоид:
(2.31.)
При этом координаты точек раскрыва xp, yp, fp, ap связаны с углами y и a соотношениями, обусловленными геометрией задачи (смотрите рис. 2.5.):
(2.32.)
(2.33.)
(2.34.)
(2.35.)
Рассчитанное по этим формулам амплитудное распределение поля в раскрыве рефлекторов изображено в приложении 2.
3.3 диаграмма направленности и коэффициент усиления всей антенны.
По известному полю в раскрыве рефлекторов рассчитывается F(q, j) по формуле:
(3.1.)
Где:
(3.2.);
S ‑ поверхность раскрыва;
ST – площадь проекции на раскрыв затеняющих элементов.
Коэффициент усиления антенны с учётом апертурного коэффициента исполизования gа (или КИП), обусловленного амплитудной неравномерностью поля в раскрыве, и коэффициента перехвата мощности облучателя зеркалом gп рассчитывается по формуле:
(3.3.)
Где:
(3.4.)
Общая эффективность антенны gа=gа×gп определяется из соотношения:
(3.5.)
Все расчётные соотношения взяты из [1] на с. 23-24.
Рассчитанная диаграмма направленности всей антенны по схеме Кассегрена вместе с параметрами изображена в приложении 3.
С учетом рисунка 4.1. и 4.2., а также рассчитанных ранее размеров рефлекторов в соответствующем пункте 2 предлагается, конструкция антенны (смотрите приложение 5) позволяющая реализовать данную антенну.
Рис. 4.1. Двухзеркальная параболическая антенна по схеме Кассегрена.
а – схема и ход лучей; б – распределение излучающих токов по радиусу.
В ходе курсового работы была спроектирована двухзеркальная параболическая антенна по схеме Кассегрена и произведены основные расчеты параметров, характеризующих работу антенны, построены диаграммы направленности всей антенны и облучателя, т.е. стержневой конической диэлектрической антенны.
В процессе проектирования удалось реализовать антенно-фидерное устройство удовлетворяющее исходным данным курсового проекта, а именно обеспечить работу двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена на частоте 11 ГГц с шириной ДН Dq по уровню –3 дБ в 1,5 градуса с уровнем боковых лепестков не более –18,3 дБ, коэффициентом усиления 41 дБ и коэффициентом использования поверхности КИП равным 0,704. Все основные рассчитаные данные имеются на рисунке в приложении 6.
Было выяснено, что:
Ø Ширина диаграммы направленности синфазного раскрыва обратно пропорциональна размеру раскрыва, выраженного в длинах волн, а также зависит от его формы и распределения поля на нём;
Ø Чем сильнее спадает поле в раскрыве к его краям, тем при тех же размерах антенны больше ширина главного лепестка и ниже уровень боковых лепестков;
Ø Затенение раскрыва зеркала облучателем, или другими элементами антенны может значительно повысить уровень боковых лепестков по сравнению с незатенённым раскрывом;
Ø Фазовый центр облучателя должен совпадать со вторым фокусом гиперболоида и незначительные сдвиги или изменение размеров облучателя сильно влияют на диаграмму направленности и распределение поля в раскрыве главного рефлектора антенны;
Ø В качестве облучателей параболической антенны по схеме Кассегрена могут использоваться простые слабонаправленные облучатели: рупорные, вибраторные, спиральные, щелевые, полосковые.
Ø Форма диаграммы направленности облучателя должна соответствовать форме раскрыва главного зеркала. Необходимый спад интенсивности облучения к краям зеркала обусловлен двумя факторами: общей интенсивностью антенны и уровнем боковых лепестков (УБЛ).
Так же в ходе курсового проектирования был лучше изучен и закреплен материал курса СВЧ устройства и антенны и получен ценный практический опыт по расчёту основных параметров двухзеркальной антенны по схеме Кассегрена.
Литература: [1], [2], [3], [4], [5].
1. «Проектирование антенных систем СВЧ: Методические указания и задания к курсовому проекту для студентов всех форм обучения радиотехнических специальностей». Составители: Наймушин М.П., Панченко Б.А., Шабунин С.Н.; Научный редактор проф., д – р. техн. наук Панченко Б.А. Екатеринбург: УГТУ – УПИ, 1993 год 48 с.
2. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. «Антенно-фидерные устройства». Изд. Сов. радио, 1974. 536 стр.
3. Жук М.С., Молочков Ю.Б. «Проектирование антенно-фидерных устройств». М.: Энергия, 1996 год 648 с.
4. Сазонов Д.М. «Антенны и устройства СВЧ: Учебник для радиотехнических специальных вузов». М.: Высш. шк., 1988. ‑ 432 с.: ил. ISBN 5‑06‑001149‑6.
5. «Справочник конструктора РЭА: Компоненты, механизмы, надёжность». Барканов Н.А., Бердычевский Б.Е., Верхопятницкий П.Д. и др.; Под. ред. Варламова Р.Г. – М.: Радио и связь, 1985 – 384 с., ил. Впер.: 2р. 40000 экз.
|
|
приложение 1. (Д.Н. облучателя).
|
|
приложение 2. (Распределение поля в раскрыве).
|
|
приложение 3. (Д.Н. всей антенны).
приложение 4. (Конструкция облучателя).
приложение 5. (Общий вид антенны).
приложение 6. (Профили сечения зеркал).
