Реферат: Двухзеркальная антенна по схеме Кассергена

С учётом того, что нам заданы: ширина диаграммы направленности по уровню (–3дБ), т.е. D q _‑3дБ =1,5 ° и уровень боковых лепестков d =-23 дБ и с учётом расчётных соотношений для круглого раскрыва, которые предоставлены в [1] (таблица 3.2, с. 26), рассчитаем диаметр большого зеркала D воспользовавшись соотношением:

(2.2.) ‑ где l _{с в} длина волны в свободном пространстве.

(2.3.) ‑ где С – скорость света 3 × 10⁸ м/с , а F – заданная рабочая частота антенны 11 ГГц.

Таким образом, получаем расчётное значение диаметра раскрыва большого зеркала:

D=1290,023мм.

Используя соотношение, связывающее диаметр раскрыва большого зеркала D , угол раскрыва большого зеркала y ₀ и фокусное расстояние большого зеркала f , описанное в [1] на с. 23, найдём фокусное расстояние большого зеркала по формуле:

(2.4.)

Воспользовавшись соотношениями 3.16 на с. 30 в [1] рассчитаем f _Э по формуле:

(2.5.)

Используя соотношение 3.17 (тот же источник, и та же страница) произведём расчёт по формуле:

(2.6.)

Используя соотношения 3.18 и 3.19 из [1] с 31 найдём r _y и r _j по формулам:

36,85мм. (2.7.)

280,042мм. (2.8.)

Профиль сечения зеркал z ( x ) определяется для большого зеркала из уравнения параболоида вращения в прямоугольной системе координат ( x , y , z ) , имеющего вид:

(2.9.)

а для малого зеркала из уравнения гиперболоида вращения:

(2.10.)

Здесь: ; ; c =a × e

Размеры теоретически рассчитанных профилей сечения зеркал незначительно отличается от рассчитанных по программе (смотрите приложение 6), поскольку для обеспечения заданной D q пришлось уменьшить теоретически рассчитанное по (2.4) фокусное расстояние f до 290мм., воспользовавшись при этом методическими указаниями из [1] с. 44, в которых говорится о том, что если расчётная ширина главного лепестка или коэффициента усиления антенны отличается от заданных значений на (10 ‑ 20)%, то можно произвести коррекцию зеркал, умножая все их линейные размеры на отношение:

D q _{ПОЛУЧЕННОЕ} / D q _{ЗАДАННОЕ}

При этом, размеры облучателя и угловые размеры зеркальной системы остаются неизменными и сохраняется функция распределения поля и уровень боковых лепестков.

2.2. расчёт размеров облучателя.

В нашем случае в качестве облучателя в двухзеркальной антенне по схеме Кассегрена используется диэлектрическая стержневая антенна (вид антенн бегущей волны). Как и все антенны бегущеи волны стержневая диэлектрическая антенна реализует режим осевого излучения и выполняется на осное замедляющей системы, способной поддерживать поверхностные волны. Диэлектрические стержневые антенн применяются на частотах от 2ГГц и выше и представляют собой диэлектрические стержни (иногда трубки ) круглого или прямоугольного поперечного сечения длиной L (смотрите рис. 2.2. ) длиной несколько длин волн, возбуждаемые отрезком круглого или прямоугольного металлического волновода. В диэлектрическом стержне используется низшая гибридная замедленная электромагнитная волна HE₁₁ (смотрите рис. 2.3. ). Наибольшее распространение получили диэлектрические антенны со стержнем круглого сечения, вставленным в круглый волновод.

Рис. 2.2. Диэлектрические стержневые антенны.

На рисунке 2.2 .: а) цилиндрическая; б) коническая; D ₁ = d_MAX ; D ₂ = d_MIN ; 1 – цилиндрический стержень (или трубка); 2 ‑ конец круглого волновода.

На частотах менее 3 ГГц круглый волновод обычно возбуждается от коаксиального кабеля (при этом диэлектрическая антенна – цилиндрический стержень), а на частотах выше 3 ГГц чаще используется волноводное возбуждение с плавным переходом от прямоугольного волновода к круглому (при этом диэлектрическая антенна – конический стержень).

В нашем случае рабочая частота 11 ГГц, поэтому в качестве облучателя зеркальной антенны будем использовать диэлектрическую стержневую антенну конической формы. Кроме того, диэлектрические стержни формы выбираются конической формы для уменьшения отражения поля от конца диэлектрической антенны и снижения уровня боковых лепестков (в волноводе коническая часть стержня, не учитывающаяся при расчёте длины диэлектрической антенны L и равная 1,5 × l В , где × l В ‑ длина волны в волноводе, так же используется для уменьшения отражения поля от конца диэлектрического стержня большего диаметра поперечного сечения). Материал конического диэлектрического стержня выберем фторопласт с относительной диэлектрической проницаемостью e r=2 . Расчитаем размеры данного облучателя.

Диэлектрическая антенна, как антенна бегущей волны имеет максимальный коэффициент направленного действия КНД (см. [1] с. 9):

=6,971 (2.11.)

Для эффективного возбуждения стержня его начальный диаметр должен быть в соответствие с соотношением из [1] на с. 10 приблизительно равен:

=15,38 мм. (2.12.)

Фазовая скорость волны в конце стержня должна соответствовать фазовой скорости волны в свободном пространстве и в соответствие с выражением из [1] на с. 10 диаметр конца диэлектрического стержня обращённого во внешнее пространство определяется по формуле:

=9,72 мм. (2.13.)

Поскольку диаметр сечения диэлектрического стержня переменный то необходимые значения L , и d расчитываются исходя из предположения, что x _ОПТ определяется средним значением диаметра стержня:

=12,55 мм. (2.14.)

На основе рассчитанного среднего диаметра d _СР диэлектрического стержня выберем оптимальный коэффициент замедления фазовой скорости волны в стержне (близкий к 1) из рис. 1.6 в [1] на с. 9 (из рисунка видно, что величина замедления зависит от диаметра и материала стержня) x _ОПТ @0,95, т.е. используя соотношение 1.7 из [1] можем расчитать длину диэлектрического стержня по формуле:

=258,91 мм. (2.15.)

Для того, чтобы в стержне не возбуждались высшие типы волн искажающие диаграмму направленности диэлектрической стержневой антенны, необходимо выполнять соотношение:

(2.16)

У нас это соотношение выполняется т.к. d= 12,55 мм.< 33,25 мм.

Рис. 2.3. Структура поля гибридной волны HE₁₁ .

2.3. выбор типа линии передачи и расчёт её параметров.

В качестве линии передачи выберем прямоугольный волновод с размерами а и b (а -широкая стенка волновода, b -узкая стенка волновода), который вместе с плавным переходом от волновода прямоугольного сечения к круглому и диэлектрической конической стержневой антенной (облучателем) образует линию питания антенны.

В прямоугольном волноводе могут распостраняться волны электрических (E_mn , m , n = l,2,3,...) и магнитных (Н _mn , m , n =l,2,3...)типов. Электромагнитная волна типа E _mn ( H_mn ) распостраняется по волноводу, если выполняется условие:

(2.17.) для частоты.

(2.18.) для длины волны

Где:

(2.19.) ‑ критическая частота волны типа E _mn ( H_mn )

(2.20.) ‑ критическая длина волны типа E _mn ( H_mn )

m, n ‑ индексы, показывающие число вариаций (полуволн) компонентов поля соответственно вдоль осей X и Y .

Волну, обладающую в волноводе заданных размеров а и b наименьшей критической частотой, называют основной волной. Все остальные волны называются волнами высших типов. Из формул (2.19.), (2.20.) следует, что при a > b основной волной будет волна Н₁₀ .

На рисунке 2.4. изображено распределение поля основной волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе.

Рис. 2.4. прямоугольный волновод.

Рис. 2.4. Структура поля основной волны Н₁₀ в прямоугольном волноводе (———— линии электрического поля; — — — линии магнитного поля).

Исходя из мощности передатчика в импульсе и частоты генератора линии питания, из таблицы 7.7 [5] с. 186 выберем волновод R-120 со следующими параметрами: