Конструктивный расчет антенны

4. Конструктивный расчет антенны

a)         Расчет профиля зеркала

Зеркальные антенны имеют наибольший КНД при синфазном возбуждении раскрыва (плоский фазовый фронт волны). Параболический профиль зеркала обеспечивает одинаковые длины электрических путей от облучателя, установленного в фокусе параболоида вращения, до каждой точки плоскости раскрыва (свойство параболы). В полярной системе координат парабола описывается уравнением

,

где

r, Y - полярные координаты;

f - фокусное расстояние;

Y изменяется от 0 до Y₀.

График 6– Плоский фазовый фронт волны

b)         Выбор конструкции зеркала

С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность зеркала часто выполняется перфорированной, или сетчатой

Рисунок 3 – Конструкция зеркала

При такой конструкции зеркала часть энергии просачивается сквозь него, образую нежелательное излучение. Допустимым является значение коэффициента прохождения в обратном направлении.

,

где

Р_пад, Р_обр – мощность излучения падающего на зеркало и в обратном направлении, соответственно.

Двухлинейная сетка работает удовлетворительно при расстоянии между проводниками меньше 0.1l и диаметре проводов не менее 0.01l.

d_п = 0.1 × 0.06 = 0.006 (м);

d = 0.01 × 0.06 = 0.0006 (м).

c)         Определение допусков на точность изготовления

Неточность изготовления зеркала вызывает несинфазность поля в раскрыве. Допустимыми являются фазовые искажения поля в раскрыве зеркала не более ± p/4. При этом уменьшение коэффициента усиления антенны не превышает нескольких процентов.

Пусть поверхность параболоида имеет некоторые неровности (выступы и углубления). Наибольшее отклонение от идеальной поверхности в направлении r обозначим через Δr.

Рисунок 4 – Допуски на точность изготовления зеркала

Путь луча, отраженного от неровности в месте наибольшего отклонения от r изменяется при этом на величину Dr + Dr × cosY, а соответствующий сдвиг фаз составит величину Dj = b×Dr×(1+cosY), и он не должен превышать величину p/4, отсюда получаем

Анализ полученного выражения для Dr показывает, что вблизи центра параболоида (Y = 0) необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной поверхности не должно превосходить величины l/16 (т.е. 0.013) у кромки параболоида требования к точности получаются наименьшими. Точность установки облучателя также определяется нормами на наибольшие допустимые фазовые искажения поля в раскрыве. Пусть фазовый облучатель смещен на Dх. Тогда длины путей лучей от фазового центра до раскрыва увеличиваются. Наибольшее удлинение пути происходит у лучей, падающих на вершину зеркала. Это удлинение путей при малых смещениях можно приблизительно определить как Dх×cosY. Тогда изменение фазы составит величину

,

где

Dj₀, Dj_а – фазовые искажения_, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать p/4, отсюда получаем:

Таким образом, с увеличением угла раскрыва точность и установка облучателя в фокусе повышается.

Выводы

В результате проведенной работы сравним полученные данные с исходными:

Исходные данные:

2Q^Н_0.5 = 77 мрад - ширина ДН на уровне половинной мощности в плоскости Н

2Q^Е_0.5 = 82 мрад - ширина ДН на уровне половинной мощности в плоскости Е

УБЛ = -29 дБ – уровень боковых лепестков

Рассчитанные данные:

 

- уровень боковых лепестков в плоскости Н

 

- отклонение боковых лепестков в

 плоскости Н от заданного значения

 - уровень боковых лепестков в плоскости Е

 

- отклонение боковых лепестков в

плоскости Е от заданного значения

Полученная ширина ДН:

2Q^Н_0.5 = 81,4 мрад

2Q^Е_0.5 = 81 мрад

 - отклонение в плоскости Н

 - отклонение в плоскости Е

Отклонений в плоскости Н и Е незначительное.

Снижение уровня дальнего бокового излучения антенны обеспечивается прежде всего спадом амплитуды возбуждающего поля к краям раскрыва. Интенсивность дифракционного поля может быть оценена методом геометрической теории дифракции (ГТД).

Другой путь снижения поля в заднем полупространстве состоит в использовании специальных экранов, ослабляющих рассеянное поле. Этот способ можно проиллюстрировать на примере рупорной антенны. На рисунке 17 показана обычная рупорная антенна со специальными экранами. Экраны выполнены в виде части поверхности параболического цилиндра, фокальные линии которых совмещены с кромками рупора. В такой схеме заметно снижается уровень излучения в заднем полупространстве, но конструкция является слишком сложной. В зеркальных антеннах могут быть использованы более простые плоские экраны, как показано на рисунке 18,а и б. Использование одного экрана позволяет уменьшить уровень поля в заднем полупространстве на 8...14 дБ. Два последовательно расположенных экрана обеспечивают уменьшение уровня поля на 20... 25 дБ. Эти экраны могут выполняться из листового металла или густой проволочной сетки, причем жестких требований к точности выполнения и установки экранов не предъявляется.

Рисунок 17. Рупорная антенна.

Рисунок 18. Зеркальные антенны. Рисунок 19. Типы расфазирующих кромок

Третий путь снижения интенсивности дифракционных полей основан на деформации контура раскрыва антенны. Так, если контур раскрыва представляет окружность с центром, лежащим на фокальной оси параболоида, все токи контура возбуждаются синфазно, что обусловливает высокий уровень дифракционного поля в направлении 2=180°. Для уменьшения уровня этого поля необходимо придать кромке параболоида такую форму, при которой парциальные дифракционные поля, возбуждаемые отдельными участками кромок, были бы расфазированы в направлениях, близких к 2=180°. На рисунке 19 приведены различные типы расфазирующих кромок (спиральная, треугольная, лепестковая). Они уменьшают излучение в направлениях, близких к 2=180°, на 5... 6 дБ.

Четвертый путь снижения дальнего бокового излучения антенны связан с выполнением периферийной части поверхности раскрыва антенны из радиопо-глощающего или частично радиопрозрачного материала. Наиболее просто такой материал выполнить в виде металлического листа, поверхность которого перфорирована отверстиями. Изменяя размеры отверстий и их плотность расположения, можно добиться уменьшения интенсивности рассеянного поля.

В заключение отметим, что еще одним существенным фактором, определяющим дальнее боковое излучение антенн (впрочем, как и ближнее), является наличие статистических распределенных ошибок амплитудно-фазового распределения, обусловленных, например, технологическими погрешностями выполнения профиля зеркала.

Список литературы

1.         Гончаров В.Л. Татлах А.Л. «Малошумящие однозеркальные параболические антенны и распространение радио волн», 1998;

2.  Вознесенский Д.И. «Антенны. Современное состояние и проблемы», М: Советское радио, 1979;

3.  Марков Г.Т. Сазанов Д. М. «Антенны», М: Энергия, 1975;

4.  Кочержевский Г.М. «Антенно-фидерные устройства», М: Радио и связь, 1981;

5.  Айзенберг Г.З. «Антенны ультракоротких волн», М: Связьиздат, 1957;

6.  Хмель В.Ф. «Антенны и Устройства СВЧ», Киев 1976.