Воскресенський Д
міністерство загальної та професійної освіти
______________________ московський авіаційний інститут
(Державний технічний університет)
посібник до курсового проектування
за курсом пристрою НВЧ та антени
Розрахунок дзеркальних антен
За ред. проф. Д.І. Воскресенського
на засіданні редради
Видавництво МАІ
При проведенні курсового проектування виникає необхідність як у точних, так і в спрощених методиках розрахунку дзеркальних антен, які б дозволили особам, знайомим лише із загальною теорією антен виконувати курсовий проект. Застосування пакетів прикладних програм, розроблених для розрахунку характеристик дзеркальних антен, утруднено для курсового проектування, оскільки час розробки обмежений і потрібен попередній розрахунок та вибір основних параметрів дзеркальних антен, виходячи із завдання.
Тому виникла потреба у перевиданні навчального посібника «Посібник з розрахунку антен надвисоких частот», виданого 1957 р., широко використовуваного при курсовому проектуванні, але який став бібліографічною рідкістю.
У цьому посібнику викладається найбільш простий спосіб попереднього вибору варіантів побудови дзеркальних антен, виходячи із завдання на курсовий проект. Для визначення характеристик спрямованості дзеркальних антен у посібнику використано апертурний метод, що дозволяє найбільш просто і швидко виконати розрахунок. На відміну від раніше виданого посібника, цей посібник доповнено конструкцією та основними характеристиками сучасних опромінювачів. Після проведення попереднього проектування можуть бути використані навчальні посібники [1-3], у яких повніше викладено методи розрахунку тавизначення характеристик дзеркальних антен.
Дзеркальні антени - один з основних типів антен НВЧ, що знайшов широке застосування в різних галузях радіоелектроніки (супутникове телебачення, радіолокація, бортові та корабельні радіоелектронні системи, радіозв'язок, радіоастрономія та ін.). Антени мають низку переваг: конструктивна простота, можливість отримання величезних посилень (далекий космічний радіозв'язок, радіоастрономія), робота у широкій смузі частот (радіометрія) [6].
Дзеркальна антена складається з рефлектора та опромінювача. Залежно від форми рефлектора існують різні типи дзеркальних антен: циліндричні, сферичні, параболічні з плоским рефлектором, з кутовим рефлектором і з рефлектором спеціальної форми. Найбільш поширеним типом є дзеркальні антени з параболічним рефлектором. У додатку 1 показаний приклад електричної схеми дзеркальної антени з механічним скануванням.
Параболічна антена працює за принципом оптичної системи. У фокус дзеркала міститься первинний слабоспрямований випромінювач, що випромінює сферичну електромагнітну хвилю. Під впливом електромагнітної хвилі опромінювача лежить на поверхні параболического рефлектора виникають електричні струми, які збуджують електромагнітні поля. Розподіл струмів поверхнею параболоїда відповідає формуванню синфазних електромагнітних полів в апертурі. Поле випромінювання дзеркальної антени є сумою полів, створюваних струмами, розподіленими поверхнею дзеркала. Якщо розміри дзеркала набагато більше довжини хвилі, то аналізу характеристик дзеркальних антен можна скористатися методами геометричної і хвильової оптики. Відповідно до методу геометричної оптики, промені, що розходяться від джерела у фокусіпісля відбиття від параболічного рефлектора стають паралельними. Таким чином, параболічний рефлектор перетворює сферичні хвилі джерела на плоскі хвилі в розкриві. Якщо використовують циліндричний параболоїд з лінійним опромінювачем, то циліндрична хвиля опромінювача так само перетворюється на паралельний пучок променів та синфазне поле у розкриві.
Суворе визначення поля параболічної дзеркальної антени потребує розв'язання задачі дифракції сферичної хвилі на параболічній поверхні. Це завдання трудомістка, а результати, що виходять, необхідні тільки для вирішення низки приватних завдань. На практиці широко використовуються наближені методи розрахунку: апертурний, струмовий та геометричній теорії дифракції (ВМД). Апертурний метод забезпечує достатню точність розрахунку головної пелюстки діаграми спрямованості (ДН) та найближчих бічних пелюсток у кутовому секторі від осі ДН до кута, а струмовий метод – до кута рис.1. Далеке бічне випромінювання та поле в ділянці тіні дзеркальних антен розраховують методом ВМД [1-3,9,10]. Струмовий метод розрахунку дзеркальних антен докладно розглянутий у літературі [7,8].
Рис.1. До розрахунку дзеркальної параболічної антени.
1. ВИБІР ГЕОМЕТРИЧНИХ РОЗМІРІВ ПАРАБОЛИЧНОГО
ДЗЕРКАЛА. КОЕФІЦІЄНТ НАПРЯМНОЇ ДІЇ
Дзеркальна антена для формування променя та утворення синфазного поля в апертурі повинна мати форму параболоїда обертання. Параболоїд обертання виходить обертанням параболи навколо фокальної лінії, що з'єднує фокус із вершиною параболи. Парабола – геометричне місце точок, що задовольняє декартової системі координат рівнянню , де F-фокус,- фокусна відстань рис.1. При графічній побудові дзеркала іноді зручно користуватися сферичною системою координат R, ’,’ з початкомфокусі, в якій рівняння набуває вигляду:
(1)
Нижче наведена методика може бути також використана і для циліндричного параболоїда з прямокутним випромінюючим розкривом.
На практиці також використовують складніші дводзеркальні системи типу Кассегрена, косекансні, моноімпульсні та інші спеціальні антени [4].
Нижче розглядаються лише однодзеркальні параболічні антени, що мають круглий розкрив і близьку до осесиметричної ДН із заданими характеристиками спрямованості.
При проектуванні параболічної антени вихідними даними можуть бути: посилення (або КНД), ширина променя 20,7, УБЛ, робоча частота або смуга частот. Методика проектування може мати низку варіантів. Деякі параметри можуть бути вихідними при проектуванні, інші параметри визначаються в процесі розрахунку. У завдання можуть бути включені енергетичні характеристики (гранична потужність випромінювання, шумова температура) та інші конструкторські, технологічні та експлуатаційні вимоги. Так, може даватися місце встановлення антени, область використання, вартість та інші вимоги. У процесі проектування доводиться задаватися чи вибирати ряд параметрів, котрим проводиться розрахунок і це ітерація може бути кілька разів визначення потрібного варіанта. У літературі відомо кілька методів розрахунку дзеркальних антен. Нижче викладається така послідовність розрахунку. Починаємо розрахунок з вибору дзеркала і далі для обраної системи, що фокусує, проводимо розрахунок опромінювача.
Форма амплітудного розподілу у розкриві залежить від характеристики спрямованості опромінювача, фокусної відстані та кута розкриття дзеркала. Характер амплітудного розподілу визначає ширину променя, КВП та УБЛ. За заданими характеристикамиспрямованості можна вибрати той чи інший амплітудне розподіл за таблицею 1. Із завдання беремо необхідні характеристики спрямованості та визначаємо необхідний амплітудне розподіл та діаметр дзеркала 2R.