Рупорно-параболическая антенна. 3

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

3

Содержание

1. Введение…………………………………………………………………....4
2. Обзорный раздел…………………………………………………………...5
3. Определение конструктивных и электрических параметров антенны...17
4. Описание конструкции……………………………………………………24
5. Заключение………………………………………..………………………..25
6. Список литературы………………………………………………………...26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

В настоящее время радиорелейные линии (РРЛ) связи являются надёжным и уже достаточно обжитым средством для передачи мощных информационных потоков. Хотя сети РРЛ уже сформировались, происходит дальнейшее развитие этой отрасли, связанное как с освоением новых частотных диапазонов, так и модернизацией существующих РРЛ. Этот прогресс позволил РРЛ сохранить надлежащее место в глобальной сети передачи информации.

Вопрос актуален также в свете  того, что:

- существующий  парк антенн на магистральных  РРЛ на 30% практически исчерпал  гарантированный моторесурс и  нуждается в немедленной замене, аналогичная ситуация имеет место  и для других РРЛ;

- в настоящее  время реальными поставщиками  антенн для РРЛ являются зарубежные  фирмы и единственное предприятие,  находящееся на территории России, - российско-американское совместное  предприятие ЗОА «Эниско»;

- стоимость  антенн для ЗССС российского  производителя на 40 – 50% ниже стоимости  антенн ведущих зарубежных фирм, причем это соотношение имеет  место при условии примерного  равенства реализуемых технических  параметров.

Резюмируя изложенное, можно с большой  долей уверенности ожидать появление  в России антенного производства, которое обеспечит отечественные  РРЛ современными антенно-фидерными  устройствами.

 

Основная масса антенн, используемых на РРЛ, относится к виду зеркальных (параболических) антенн. Следовательно, для развития и модернизации РРЛ, в первую очередь, необходимо развитие именно параболических антенн. 

В моей курсовой работе произведены  электрические и конструктивные расчеты рупорно-параболической антенны. Также приведено описание конструкции  и создан сборочный чертеж данной антенны.

 

В процессе работы кроме учебной  и научной литературы была использована программа Mathcad 14 для построения диаграммы направленности.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

Обзорный раздел

Рупорные  антенны

Рупорная антенна - металлическая конструкция, состоящая из волновода переменного (расширяющегося) сечения с открытым излучающим концом. Как правило, рупорную антенну возбуждают волноводом, присоединенным к узкому концу рупора. По форме рупора различают E-секториальные, H-секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.

Рис.1. Разновидности рупорных антенн:

 а - пирамидальная; б - секториальная: в - коническая; г - с параболической образующей поверхности рупора: 1 - волновод; 2 - рупор.

Типы рупорных антенн:

Пирамидальный рупор - антенны в форме четырехгранной пирамиды, с прямоугольным сечением. Они являются наиболее широко используемый типом рупорных антенн. Излучает линейно-поляризованные волны.

Секторальный рупор - пирамидальные  рупора с расширение только в одной  плоскости Е или Н.

Конический рупор - раскрыв в форме конуса с круглым сечением. Используются с цилиндрическими волноводами для получения волны с круговой поляризацией.

Гофрированные рупора - раскрыв рупоров с параллельными щелями или канавки, малой по сравнению с длиной волны. Канавки покрывают внутреннюю поверхность рупора, поперек оси.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

6

 

Гофрированные рупора имеют более  широкую полосу пропускания, меньший  уровень боковых лепестков и  кросс-поляризации. Они широко используются в качестве облучателей для спутниковых параболических антенн и радиотелескопов. Вот так.

Зеркальные  антенны.

Зеркальная антенна — антенна, у которой электромагнитное поле в раскрыве образуется за счет отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального зеркала (рефлектора). В качестве источника волны обычно выступает небольшой излучатель, располагаемый в фокусе зеркала. В его роли может быть любая другая антенна с фазовым центром, излучающая сферическую волну. Основная цель зеркальных антенн сводится к преобразованию сферического или цилиндрического фронта волны в плоский

Рис.2. Структура  зеркальной антенны

В технике наибольшее распространение  нашли следующие типы зеркал:

1. параболические зеркала преобразуют цилиндрическую или сферическую волну в плоскую. Для цилиндрической волны — зеркало представляет собой параболический цилиндр, для сферической волны — параболоид вращения.
2. сферические зеркала мало отличаются от параболических зеркал с фокусным расстоянием равным половине радиуса сферы.
3. плоские зеркала в основном используются в вибраторных антеннах и иногда в перископических и остронаправленных, при этом система из двух зеркал, находящихся под определенным углом друг к другу, образуют вместе с симметричным вибратором (облучатель) уголковую антенну (тип зеркала в данном случае называют уголковым).

зеркала специального профиля чаще представляют собой параболические зеркала с рассчитанным отклонением  от параболической поверхности. Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

7

Основная цель использования таких  антенн — формирование диаграммы  направленности специальной формы, например, косекансной или любой заданной формы. Зеркала специальной формы, могут применяться так же для создания диаграммы направленности, комформной зоне обслуживания, в которой работает радиостанция (пример: спутник, базовая станция сотовой связи). Основная цель использования таких зеркал - экономия энергетического ресурса РЭС при максимальном качестве приема - передачи в зоне обслуживания.

Рис.3. Зеркальная антенна RА-2400/Offset

 Однозеркальные антенны.

Однозеркальные антенны состоят  из двух компонент: зеркала и облучателя. Зеркало представляет собой часть  поверхности параболоида вращения. Облучатель, помещенный в фокус параболоида (точнее - фазовый центр облучателя совмещен с фокусом параболоида), излучает сферическую волну, которая  после отражения от параболоида  трансформируется в плоскую. Именно наличие в раскрыве антенны (апертуре) плоского, фазового фронта, что эквивалентно синфазному возбуждению раскрыва (апертуры), позволяет реализовывать высоконаправленное излучение. По способу выполнения формы рефлектора однозеркальные антенны подразделяются на два класса:

1) класс однозеркальных осесимметричных антенн. Этот класс соответствует такому варианту исполнения рефлектора, когда плоскость сечения параболоида перпендикулярна его фокальной линии.- Такое сечение образует контур   рефлектора в виде окружности. Типичное исполнение   антенны приведено на фотографии рис.4. слева;

2) класс однозеркальных неосесимметричных антенн. Этот класс соответствует любому иному исполнению рефлектора, кроме исполнения, указанного в верхнем пункте. Такое сечение, образованное единичной плоскостью, соответствует контуру зеркала в виде овала. Если же сечение параболоида производится не одной, а несколькими плоскостями, то контур рефлектора может иметь более сложную конфигурацию. Одно из возможных выполнений рефлектора со сложной формой контура приведено на рис.4. справа.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

8

Рис.4. Типы однозеркальных антенн.

Однозеркальные осесимметричные  антенны.

 

     Существует множество критериев, по которым можно провести классификацию однозеркальных осесимметричных антенн (ООА). Здесь представлены некоторые из них. Часто сортируют антенны по числу ортогональных по поляризации каналов передачи (приема). В радиорелейных системах используется линейная поляризация. Поэтому классификация по этому критерию такова:

- антенна с одиночной     поляризацией; облучатель такой антенны соединен с радиооборудованием единичным фидерным трактом;

      - антенна с двумя ортогональными между собой поляризациями (как правило, горизонтальной и вертикальной); облучатель такой антенны соединен с радиооборудованием  с помощью двух фидерных трактов, выполненных обычно в виде волноводов.

Также проводится классификация ООА  по числу частотных диапазонов, отведенных для работы радиорелейных систем, в которых может работать антенна. По этому критерию антенны разделяются на:

       - однодиапазонные;

       - двухдиапазонные;

       - многодиапазонные.

Применение многодиапазонных антенн позволяет использовать только одну антенную систему, что снижает затраты  на оборудование и уменьшает ветровые нагрузки на мачты по сравнению с  использованием двух или более антенн, каждая из которых работает только в своем диапазоне частот.

Естественно,  что   увеличение   функциональных   возможностей  антенн

влечет за собой их усложнение, которое в  данном случае сводится к появлению  нового элемента, получившего название комбайнера, присоединяемого к входу облучателя антенны.

 

Рис.5. Комбайнеры.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

9

 

Еще одна возможная классификация однозеркальных осесимметричных антенн связана  со способом выполнения отражающей поверхности  рефлектора:

- антенны  с рефлекторами, имеющими однородные  по всей поверхности отражающие  свойства;

- антенны    с    рефлекторами,    имеющими    неоднородные    по   поверхности  отражающие свойства. Эти антенны  имеют рефлекторы, выполненные в  виде набора параллельных между собой металлических трубок,  полос и т. п. Конструктивное выполнение такого рода антенн приведено на рисунке.

 

 

Рис.6. Антенна с рефлектором, выполненном в виде металлических трубок.

 

После приведения некоторых классификации ООА, следует  сказать об облучателях для антенн такого типа. Для этих антенн необходимы облучатели, ширина ДН которых лежит  в пределах 90…160⁰. Конструктивное выполнение облучателей может быть различным. Это обстоятельство во многом определяется частотным диапазоном, в котором должна функционировать антенна и который определяет тип используемого фидера. Следует дифференцировать облучатели по принадлежности к двум частотным диапазонам:

- низкочастотному;

- высокочастотному, причем пограничной  частотой служит отметка 3 ГГц.

Ниже  приведены примеры различных  типов облучателей для низкочастотного диапазона. Характерные особенности этих облучателей:

- питающим фидером для облучателей  является коаксиальный кабель;

- непосредственно излучающими  элементами являются вибраторы.

1)Облучатель в виде вибраторной  антенны с рефлектором,  представляет  собой

круглый металлический  диск диаметром 0,5-0,6 длин волн. Широкополосность такого облучателя обычно невелика,  ДН облучателя антенны сильно разниться

для плоскостей Е и Н, поэтому антенна в целом имеет низкую эффективность и

высокий уровень  кроссполяризационного излучения.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

10

2)Облучатель в виде логопериодической  вибраторной антенны (ЛПВА),  состоит   из  линейных  вибраторов,  присоединенных  к  двухпроводной  линии. 

Их применяют  для увеличения рабочего диапазона  частот.

3) Облучатель в виде вибратора  с рефлектором и кольцевым  элементом.

4)Облучатель в виде открытого  конца коаксиального фидера.

Облучатели  для высокочастотного диапазона также имеют свои особенности:

- питающим  фидером для облучателей является  волновод;

- непосредственно  излучающими элементами являются  или открытые концы волноводов, или раскрывы рупоров.

В качестве примеров можно привести следующие:

1) Облучатель  в виде открытого конца круглого  волновода. К его достоинствам  относятся пригодность его характеристик  излучения для однозеркальных  антенн, простота изготовления и  низкая стоимость.

2) Облучатель  в виде открытого конца круглого  волновода с гофрированной внешней  поверхностью, по сравнению с  предыдущим имеет лучшую форму  диаграммы излучения.

3) Облучатель  в виде открытого конца круглого  волновода с гофрированным фланцем.

4) Облучатель  в виде открытого конца круглого  волновода с дроссельными фланцами.

5) Облучатель  в виде открытого конца гофрированного  круглого волновода.

6) Облучатель  в виде круглого волновода,  плавно сопряженного с внешним  фланцем.

7) Облучатель  в виде широкоугольного гофрированного  рупора.

8) Облучатель  в виде гофрированного рупора  с линзами в раскрыве.

9) Облучатель  в виде рупорной антенны с  изломом образующей.

10) Облучатель  в виде рупорной антенны с  диэлектрическими вставками.

11) Облучатель  в виде рупорной антенны с  радиопоглощающими вставками.

 

 

Однозеркальные неосесимметричные антенны.

      

           Следует сразу отметить, что провести четкую классификацию однозеркальных неосесимметричных антенн достаточно затруднительно. Это в основном обусловлено практически неограниченным числом вариантов их исполнения. Действительно, любое иное исполнение рефлектора, отличающееся от осесимметричного, уже само по себе является новым вариантом однозеркальной неосесимметричной антенны. Тем не менее, можно предложить следующее подразделение рассматриваемых антенн на два типа:

- антенны типа офсет;

- иное исполнение неосесимметричных однозеркальных антенн.

Критерием данного дифференцирования является следующий признак, который, исходя из  лучевой трактовки  процесса  излучения  и  переизлучения, 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

11

 

выглядит следующим образом:

проходит  или нет мимо облучателя отраженная от рефлектора антенны плоская волна.

Типичная  схема неосесимметричных антенн, для которых отраженная от рефлектора волна проходит мимо облучателя, показана на рисунке.

 

 

Рис. 7. Неосесимметричная антенна и ход лучей в ней.

               Далее приведен сравнительный  анализ по некоторым критериям  осесимметричных антенн и антенн  типа офсет:

1) Диаграмма направленности. По этому критерию антенны типа офсет имеют

неоспоримое преимущество перед осесимметричными антеннами. Это обусловлено двумя  различными обстоятельствами. Во-первых, при разумном конструировании антенны  типа офсет удается полностью  вывести из полей действия, как  сферической волны облучателя, так  и плоской переотраженной от

рефлектора волны все конструктивные элементы антенны. Такую проблему для

для  осесимметричных   антенн  решить  не  удается.   В  зонах  действия  полей излучения и переотражения находятся следующие элементы антенны: облучатель, элементы конструкции по удержанию облучателя, питающий волноводный фидер и др. Присутствие указанных элементов в раскрыве антенны оказывает негативное двоякое действие:

- рассеянные  на данных объектах поля создают  дополнительный фон в результирующей  диаграмме излучения антенны,  увеличивая уровень излучения  по боковым направлениям;

- из-за эффекта  затенения повышается уровень  бокового излучения антенны.

Во-вторых, при  разумном конструировании антенны  выбором контура 

рефлектора  можно сформировать практически  любое эквивалентное амплитудное  распределение и тем самым  контролировать излучение антенны  в

области, где доминантно так называемое апертурное излучение.

2) Усиление антенны. По этому критерию сравниваемые схемы антенн примерно равны между собой.

3) Влияние снежных осадков. Если для антенн типа офсет в качестве отражателя выбрана верхняя часть параболоидного зеркала, то эта антенна также имеет очевидные преимущества перед осесимметричной антенной.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

12

 

   4) Сложность изготовления. Следует различать два основных варианта изготовления антенн:

- со сравнительно  малым размером апертуры;

- с большим  размером апертуры.

Для антенн со сравнительно малой апертурой, когда  рефлектор конструктивно выполнен или кА единое целое, или в виде сборки 2-4 составных частей, сложность производства, а, следовательно, и цена обеих сравниваемых типов антенн примерно одинаковы.

С увеличением  размера раскрыва преимущество осесимметричной  схемы антенны по сравниваемому  критерию становится очевидным.

5) Сложность сборки и настройки. По этому критерию очевидное преимущество имеет осесимметричная схема антенны.

6) Защитное действие антенны. Если сравнивать осесимметричную схему антенны и схему типа офсет, то нельзя однозначно определить преимущества одной из схем по данному критерию. Если же сравнивать осесимметричную схему антенны и нессиметричную схему, не относящуюся к схеме офсет, то здесь также можно практически однозначно определить преимущества последней схемы по данному критерию.

7) Форма ДН. По этому критерию неосесимметричные антенны имеют неоспоримое преимущество перед осесимметричными. Если последние  имеют практически осесимметричную ДН, то неосесимметричные антенны позволяют получить различное отношение ширин ДН в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В частности, это весьма полезное свойство неосесимметричных антенн может быть использовано на пролетах РРЛ, где очень сильна вертикальная рефракция. В этой ситуации целесообразно применить антенну с апертурой, вытянутой в горизонтальной плоскости. Вертикальный размер раскрыва выбирается из условия, чтобы ширина ДН в вертикальной плоскости не превышает дисперсию вертикальной девиации угла прихода сигнала, а горизонтальный размер – из условия реализации необходимой площади раскрыва, при которой выполняется требование по усилению антенны.

              Подводя итоги сравнительного  анализа, можно сделать следующий  вывод: для малоразмерных антенн неосесимметричная схема имеет предпочтение практически по всем рассмотренным аспектам, тогда как антенны больших размеров предпочтительно выполнять по осесимметричной схеме.

              В зависимости от схемы исполнения  неосесимметричной антенны, точнее от конфигурации рефлектора, могут быть применены различные облучатели, в том числе и облучатели, используемые для осесимметричных однозеркальных антенн. Ниже приведены примеры трех видов облучателей, которые специально предназначены для неосесимметричных антенн.

1) Облучатель в виде рупорной  антенны с изломом образующей  и с косым срезомИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

.

2) Облучатель  в виде гофрированной рупорной  антенны эллиптической конфигурации.

3) Облучатель  в виде неосесимметричной рупорной антенны с диэлектрическим вкладышем.

        Отдельно нужно отметить неосесимметричные антенны с повышенной помехозащищенностью. В качестве примера можно рассмотреть  неосесимметричную зеркальную антенну с выходом питающего волновода вертикально вниз.

 

Рис.8.Схема неосесимметричной однозеркальной антенны с выходом питающего волновода вертикально вниз.

Схема антенны  приведена на рисунке. Антенна состоит  из:

- неосесимметричного рефлектора, проекция которого представляет собой

квазикруг;

- облучателя  в виде рупорной антенны с  изломом, поворотом оси и косым  срезом;

- защитного экрана, установленного  под нижней кромкой рефлектора.

       В такой технической реализации  величина защитного действия  значительно превышает величину  усиления антенны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

 

 Двухзеркальные антенны.

Двухзеркальные осесимметричные антенны.

 

Классическое исполнение осесимметричных  двухзеркальных антенн реализуется по:

- схеме Кассегрейна (Cassegreaine antenna);

 

 

Рис. 9. Геометрия схемы антенны Кассегрейна.

         - схеме Грегори (Gregorian antenna).

 

 

Рис. 10. Геометрия схемы антенны Грегори.

      Кроме двух классических  типов осесимметричных двухзеркальных антенн нередко используются двухзеркальные антенны, рефлекторы которых уже не являются чистыми параболоидами и гиперболоидами. Изменение конфигурации профилей рефлектора и контррефлектора совершается с целью целенаправленного изменения амплитудно-фазовИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

15

 

ого распределения в раскрыве  

антенны. Обычно эти изменения необходимы для  повышения усиления антенны.

 

 

Двухзеркальные неосесимметричные антенны.

     К классическим схемам неосесимметричных двухзеркальных антенн следует отнести антенны, построенные по схеме Кассегрейна или по схеме Грегори. Наряду с этими схемами применяются также неосесимметричные двухзеркальные антенны с модифицированными зеркалами.   

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

16

РУПОРНО-ПАРАБОЛИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ.

                Рупорно-параболическая антенна  – это модификация параболической  антенны. Она состоит из пирамидального  или конического рупора, соединенного  с неосесимметрическим параболическим зеркалом. Соединение облучающего рупора с параболическим зеркалом в единую металлическую систему устраняет возможность непосредственного приема (излучения) энергии облучателем, что обеспечивает резкое ослабление приема сигналов, с направлением, противоположным основному. У рупорно-параболической антенны отсутствуют потери энергии на пути от облучателя  к зеркалу,  так как                     

рассеивающие  металлические конструктивные элементы в раскрыве такой антенны отсутствуют. Энергия рассеивается лишь на элементах  конструкции крышки, защищающей антенну  от атмосферных осадков.

Конструктивно РПА могут быть выполнены как с пирамидальным, так

и с коническими  рупорами. На рисунке 11. представлены обе схемы.

 

Рис. 11. РПА с пирамидальным и коническим рупорами.

 

 

2. Определение конструктивных и электрических параметров антенны.

Для определения конструктивных размеров антенны следует задаться

величиной коэффициента полезного действия (η) и коэффициента

использования поверхности (υ): η =0.85÷ 0.9, υ =0.65÷0.75.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

17

Тогда площадь раскрыва S можно определить по формуле:

К_у примем равным 40 дБ, что соответствует усилению в 10000 раз; η=0,9;                   υ=0,7; λ=0,04 м. Тогда площадь S будет равна:

м²

Найдем коэффициент усиления для  λ=0,02 м:

 

 

Рис.12  Рупорно-параболическая антенна

 

Апертурой в данной антенне является сегмент кольца с радиусами R₁ и R₂ (Рис. 12) Площадь апертуры зависит от угла α, с увеличением которого площадь апертуры  возрастает, но при этом увеличивается рассогласование рупора с волноводом. Рекомендуется выбирать α = 30⁰ ¸ 50⁰ .