Курсач

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ.

Параболическая антенна используется для создания остронаправленного излучения в диапазоне СВЧ, когда размеры антенны во много раз превышают рабочую длину волны. Антенна состоит из металлического зеркала (рефлектора) параболической формы и облучателя, расположенного в ее фокусе. В работе исследуется антенна с зеркалом в виде параболоида вращения (рисунок 1) с раскрывом, имеющим форму круга диаметром 2R. Прямая, перпендикулярная плоскости раскрыва и проходящая через его центр, является осью зеркала, точка О пересечения оси с поверхностью зеркала – его вершиной. Расстояние f от вершины зеркала до фокуса F называется фокусным расстоянием. На следующем рисунке показан ход лучей в параболической антенне.

Рисунок 1 – Схема параболической антенны.

Рисунок 2 – Ход лучей в параболической антенне.

2. ВЫБОР ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА.

Для расчета диаметра раскрыва зеркала воспользуемся формулой из радиолокации:

Найдем длину волны по формуле:

Все значения нам известны, тогда выражаем из формулы G – коэффициент усиления антенны:

Зная, что , где – коэффициент направленного действия антенны (положив ), .

В результате (раз).

Где – геометрический размер раскрыва зеркала ; – коэффициент использования зеркала, который показывает насколько эффективно используется вся поверхность зеркала, обычно составляет 0.64÷0.65 (0.7).

Диаметр раскрыва зеркала является функцией требующейся ширины диаграммы направленности, а также несколько зависит от амплитудной и фазовой характеристики в раскрыве зеркала. Закон распределения амплитуд поля вдоль поверхности раскрыва зеркала определяется диаграммой излучения облучателя, если пренебречь потерями при отражении от зеркала. Для большинства применяющихся облучателей распределение амплитуд в одной из плоскостей (горизонтальной или вертикальной) вдоль раскрыва зеркала можно с достаточной точностью аппроксимировать законом , где х - координата, откладываемая от оси антенны; - некоторое целое число.

Проведем расчет радиуса выпуклой части зеркала. Для этого строится график функции радиуса раскрыва от расстояния , где – расстояние до фокуса.

В результате получен график представленный на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Зависимость радиуса раскрыва от расстояния.

Радиус параболической части зеркала равен 0.9 м. В результате полностью определены геометрические размеры зеркала.

3. Выбор облучателя, и его расчет.

Для дальнейших расчетов требуется выбрать облучатель который бы удовлетворял данной антенне. Одной из важных частей параболической антенны является первичный облучатель, помещаемый в фокусе зеркала. В идеале к нему предъявляются следующие требования: 1) облучатель не должен излучать энергию в направлении, противоположном направлению на зеркало, так как это излучение не фокусируется зеркалом и поэтому искажает основную диаграмму направленности; 2) диаграмма облучателя должна обеспечивать равномерное облучение зеркала и получение, таким образом, максимального коэффициента направленного действия; 3) диаграмма облучателя должна быть такой, чтобы фаза поля в раскрыве зеркала была постоянной. Облучатель, вполне удовлетворяющий этим требованиям, практически не существует. При конструировании параболических антенн используют облучатели в виде полуволнового вибратора, открытого конца волновода, рупора и щели, хотя они только частично удовлетворяют перечисленным требованиям.

Рассмотрим подробнее некоторые типы облучателей.

3.1. Полуволновый вибратор с контррефлектором.

В десятисантиметровом диапазоне волн этот облучатель является наиболее удобным в конструктивном отношении. Он легко согласуется с коаксиальным фидером, так как имеет входное сопротивление, близкое к волновому сопротивлению фидера. К недостаткам такого облучателя следует отнести то обстоятельство, что фактически, ввиду конечных размеров, такой облучатель имеет сферический фронт волны только в дальней зоне. Однако при больших фокусных расстояниях в пределах небольшого телесного угла фронт волны облучателя можно считать близким к сферическому.

Кроме того, полуволновый симметричный вибратор имеет излучение, направленное вперед и назад, что ухудшает форму диаграммы направленности зеркала. Для "гашения" излучения вперед применяется контррефлектор в виде пассивного вибратора, диска или части сферы. В технике сантиметровых волн чаще используется рефлектор в виде диска, так как он лучше уничтожает излучение вперед. Для облучателя рассматриваемого типа характерно, что ось его диаграммы направленности из-за несимметричности питания вибратора при применении коаксиального фидера без симметрирующего устройства не совпадает с осью зеркала. Это явление перекоса успешно используется для целей пеленгации. При вращении облучателя вокруг своей оси лепесток диаграммы описывает конус, создавая эффективную равносигнальную зону вдоль оси параболоида. Рассмотрим расчет облучателя с контррефлектором в виде диска.

а) Выбор размеров облучателя.

Диаметр вибратора выбирают из условий получения нужного диапазона частот и достаточной механической прочности. Практически диаметр вибратора часто полагают равным диаметру внутреннего провода питающей коаксиальной линии, чтобы уменьшить неоднородность в точке подключения вибратора, а также для удобства сборки. Диаметр контррефлектора рекомендуется брать . Такой контррефлектор дает достаточно хорошую экранировку переднего лепестка диаграммы вибратора и в то же время не слишком "затемняет" параболическое зеркало. Располагают рефлектор от вибратора на расстоянии , что создает оптимальные условия для сложения поля активного вибратора и поля, отраженного от контррефлектора. Изображение контррефлектора и облучателя представлено на рисунке 3.1.

В результате при заданной частоте рассчитаем значение диаметра:

Рисунок 3.1 Выбор размеров контррефлектора и облучателя.

б) Расчет диаграммы направленности облучателя.

Воспользуемся принципом зеркального изображения и заменим действие металлической поверхности контррефлектора пассивным вибратором, расположенным на расстоянии от активного и несущим ток, сдвинутый по фазе на 180° относительно тока в активном вибраторе. Тогда в любой точке пространства поле будет определяться, как сумма полей обоих вибраторов и может быть рассчитано умножением диаграммы одиночного полуволнового симметричного вибратора на множитель решетки :

Где – количество вибраторов (в рассматриваемом случае 2);

– расстояние между вибраторами выраженное в длинах волнах ( );

– сдвиг фаз между точками в вибраторах (в периодах);

– угол между линией расположения вибраторов и рассматриваемым направлением.

После преобразования множитель решетки имеет вид:

Для одиночного, горизонтально расположенного вибратора диаграмма направленности горизонтальной плоскости определяется выражением:

– поле в рассматриваемом направлении;

– поле в направлении максимального излучения ( );

– угол отсчитываемый от нормали к вибратору.

Рисунок 3.2 Зеркальное изображение вибратора с контррефлектором в виде диска.

Окончательно диаграмму направленности в горизонтальной плоскости вибратора с контррефлектором можно записать в виде:

Диаграмма направленности вибратора с контррефлектором в горизонтальной плоскости представлена на рисунке 3.3.

.

Рисунок 3.3 Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости контррефлектора.

Диаграмма направленности системы в вертикальной плоскости определяется одним только множителем , так как излучение одиночного горизонтального вибратора в этой плоскости ненаправленное, представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 Диаграмма направленности в вертикальной плоскости контррефлектора.

Учитывая, что форма диаграммы направленности как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях для большинства применяющихся облучателей мало отличается друг от друга в пределах угла раскрыва зеркала, для упрощения в дальнейших расчетах используется в обоих плоскостях более широкая из диаграмм направленности.

в) Расчет входного сопротивления.

Входное сопротивление полуволнового вибратора с контррефлектором в виде диска, расположенного на расстоянии , рассчитывается как сумма:

– собственное сопротивление вибратора Ом;

– наведенное сопротивление, вносимое пассивным вибратором в сопротивление активного вибратора.

Так как в рассматриваемом случае в пассивном вибраторе ток противоположен по фазе току в активном , то величина наведенного сопротивления связывается с величиной взаимного сопротивления следующим образом:

Величину взаимного сопротивления можно определить по графикам, приведенным в книге Г.З. Айзенберга:

Таким образом, наведенное сопротивление можно записать так:

Величина входного сопротивления вибратора с контррефлектором в виде диска определится из выражения:

Для согласования вибратора с питающим фидером желательно, чтобы входное сопротивление вибратора было чисто активным. Для получения чисто активного входного сопротивления вибратор укорачивают; подбор величины укорочения вибратора рекомендуется производить экспериментальным путем.

г) Расчет коэффициента направленного действия.

Коэффициент направленного действия облучателя в виде вибратора с диском по сравнению с ненаправленным излучением можно рассчитывать по формуле: