Исходя из назначения антенны определим необходимое ослабление амплитуды поля на краях зеркала. Для антенн, предназначенных работать в составе радиолокационных, радиометрических систем, ослабление поля на краях зеркала обычно принимают равным 10 дБ. Антенны предназначенные для приема очень слабых сигналов (радиотелескопы, антенны космических радиолиний), обычно проектируются так, чтобы их собственная температура шумов была малой. Для этого они должны иметь малый уровень боковых лепестков. Вследствие этого у таких антенн ослабление поля на краях зеркала достигает 15-20 дБ.
На основании того, что для разрабатываемой антенны не предъявляются особые требования, касающиеся высокого ослабления на краях зеркала, примем его равным 5 дБ.
3.3 Выбор облучателя и угла раскрыва зеркала
Руководствуясь техническим заданием, необходимо спроектировать СВЧ антенну с двухщелевым облучателем. Для этого определим его диаграмму направленности по приближенным формулам.
Для двухщелевого облучателя обратного излучения:
А б
Рисунок 4. Приблизительная диаграмма направленности двухщелевого облучателя в H (а) и E (б) плоскостях
Теперь определим угол раскрыва зеркала . Он выбирается так, чтобы при избранном облучателе получить нужное ослабление амплитуды поля на краях зеркала. Угол определяется из равенства:
где - нормированное значение амплитуды поля на краю зеркала, - значение нормированной диаграммы направленности облучателя для угла .
Путем подбора получаем значение угла раскрыва зеркала .
3.4 Нахождение диаметра параболоида
Находим приближенный диаметр параболоида при помощи формулы , откуда
Коэффициент 70 - приближенный. Он зависит от диаграммы направленности облучателя и отношения .
Рисунок 5. Выбор коэффициента на основании уровня боковых лепестков
Для плоскости H выберем значение коэффициента равным 70, для того чтобы уровень бокового лепестка не превышал 20 дБ, согласно техническому заданию, для плоскости Е, выберем значение коэффициента равным 71.
Ширина диаграммы направленности на основании технического задания
Радиус параболоида:
3.5 Определение фокусного расстояния
Определим фокусное расстояние на основании формулы:
где - двойное фокусное расстояние
Откуда фокусное расстояние:
3.6 Расчет профиля параболы
Рассчитаем профиль параболоида по формуле:
Откуда:
Рисунок 6. Профиль параболы зеркала
3.7 Нахождение поля излучения антенны
Рисунок 7. Профиль антенны, для нахождения нормированной координаты точки в раскрыве зеркала
3.8 Нахождение поля в раскрыве антенны
Поле в раскрыве определяется методом геометрической оптики. Всегда выполняется условие , следовательно, зеркало находится в дальней зоне и падающую от облучателя волну на участке от фокуса до поверхности зеркала можно считать сферической.
В сферической волне амплитуда поля изменяется обратно пропорционально расстоянию. Поэтому на указанном участке поле будет убывать пропорционально . После отражения от поверхности зеркала волна становится плоской и ее амплитуда до раскрыва зеркала с расстоянием не изменяется. Таким образом, если нам известна нормированная диаграмма направленности облучателя , поле в раскрыве зеркала легко находится.
Для удобства расчета введем нормированную координату точки в раскрыве зеркала:
На основании того, что:
Получаем:
При этом и меняются в пределах:
Нормированное значение амплитуды поля в раскрыве зеркала определяете выражением:
Из этой формулы видно, амплитуда поля в раскрыве зеркала зависит только от радиальной координаты . Такая осевая симметрия в распределении поля является следствием допущения, что диаграмма направленности облучателя является функцией только полярного угла и не зависит от азимутального угла о.
Вследствие этого можно ограничиться расчетом распределения поля в раскрыве только вдоль двух главных взаимно перпендикулярных направлений: параллельно оси x и оси y.
Система координат ориентируется так, чтобы эти направления лежали в плоскости вектора (плоскость xOz) и вектора (плоскость yOz).
Для упрощения последующих расчетов найденное значение амплитуды поля в раскрыве зеркала целесообразно аппроксимировать интерполяционным полиномом:
Узлами интерполяции, т.е. точками, где полином совпадает с функцией , будем считать точки раскрыва зеркала, соответствующие значениям .
Ограничимся тремя членами полинома, т.е. положим . Тогда:
В этом случае в качестве узлов интерполяции будут точки в центре раскрыва зеркала (), на краю зеркала () и приблизительно в середине между этими крайними точками (). Коэффициенты этого полинома определяются системой уравнений:
3.9 Определение поля излучения
Раскрыв зеркала представляет собой плоскую круглую площадку. Поле на площадке имеет линейную поляризацию. Фаза поля в пределах площадки неизменна, а распределение амплитуды описывается полиномом.
Полное поле в дальней зоне будет равно сумме полей, создаваемых каждым компонентом:
Выражение, определяемое суммой представляет собой ненормированную диаграмму направленности зеркальной антенны:
Для получения нормированной диаграммы направленности найдем максимальное значение . Максимальное излучение имеет место в направлении, перпендикулярном этой площадке, т.е. при . Этому значению соответствует значение . при любых n. Следовательно:
Если ограничится тремя членами полинома, т.е. положить , нормированная диаграмма направленности параболоидного зеркала опишется выражением:
Лямбда-функции находим как:
где - функция Бесселя n-го порядка от аргумента .
Рисунок 8. Диаграмма направленности параболоидного зеркала
Рисунок 9. Диаграмма направленности параболоидного зеркала в логарифмическом масштабе
Рисунок 10. Диаграмма направленности параболоидного зеркала в полярной системе координат
Рисунок 11. Эскиз спроектированной антенны
4. Расчет параметров спроектированной антенны
КИП:
КНД:
КПД:
Коэффициент усиления:
Амплитудное распределение:
Рисунок 11. График амплитудного распределения
Напряженность электрического поля, создаваемая на антенне на расстоянии м:
|
10000 |
0,075 |
|
|
25000 |
0,03 |
|
|
50000 |
0,015 |
|
|
75000 |
0,01 |
5. ЭМС и экология
Современный этап развития общества характеризуется повсеместным внедрением инфокоммуникационных комплексов во все сферы человеческой деятельности. Значительный рост числа радиоэлектронных средств приводит к высокой территориальной плотности размещения источников радиоизлучения, усложнению электромагнитной обстановки и ухудшению электромагнитной экологии. В то же время освоение новых частотных диапазонов для широкого использования связано со значительными техническими трудностями и финансовыми затратами.