Министерство  Образования Российской Федерации 

Воронежский Государственный Технический Университет 

Факультет вечернего и заочного образования

Кафедра   радиотехник

Курсовой  проект

 по  дисциплине «Антенны и устройства  СВЧ »

Тема: Спроектировать передающую антенну для радиолокационной станции

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Разработал студент  группы РТ – 001-в_____________________А.И.Матыцина  Проверил руководитель проекта    ________________________З.Н.Федорова

                        Оценка          _______________________ 
 
 
 
 
 

                                    Воронеж 2003г.

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание                                                             стр.     
 

Задание                                                                                                                   4

Введение                                                                                                                5 

1.Краткие теоретические сведения              8 

2.Расчет размеров отражателя                                                                              10

3.Выбор типа излучателя. Расчет  основных размеров облучателя                15      4.Расчет диаграмм направленности облучателя в плоскостях Е и Н               19

5.Расчет диаграмм  направленности антенны в плоскостях  Е и Н                   21

6.Неравномерность  коэффициента усиления антенны  в рабочем диапазоне  23 частот

7.Расчет технических  допусков на изготовление антенны                               24                    8.Питание                                                                                                                25

9.Устранение  реакции зеркала на облучатель                                                    26

Заключение                                                                                                             27

Список литературы                                                                                                28

Приложение 1                                                                                                         29

Приложение 2                                                                                                         30                                                                                                         

  Задание

       Спроектировать  передающую антенну для радиолокационной станции, имеющей следующие характеристики:

- вид антенны:                                                 параболический цилиндр;

- рабочая частота:                                                                    f _ср =4,8 ГГц;

- максимальную  дальность действия станции:                     r = 150 км;

- импульсная  мощность на выходе передатчика:                 Р _и = 24 кВт;

- минимально  допустимая мощность сигнала  на 

 входе приемника:                                                                  Р_вх=0,01 пВт;

- эквивалентная  отражающая поверхность объекта:               S _о = 25 м²;

- диапазон  рабочих частот:                                                        2∆f = 20 %;

- поляризация  излучаемого электромагнитного поля:        вертикальная;

- примерное  отношение ширины главных лепестков

  диаграммы  направленности в плоскостях  Е и Н:                              1 : 4;

- длина фидера:                                                                                          7м.     

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Введение 

    Антенной  называется радиотехническое устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн. Антенна является одним из важнейших элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемом радиоволн. К таким системам относят: системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиоуправления, радиорелейной связи, радиолокации, радиоастрономии, радионавигации и др. В конструктивном отношении антенна представляет собой провода, металлические поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики.

    Антенны можно классифицировать по различным  признакам: по диапазонному принципу, по характеру излучающих элементов (антенны с линейными токами, или  вибраторные антенны, антенны излучающие через раскрыв ─ апертурные антенны, антенны поверхностных волн); по виду радиотехнической системы, в которой используется антенна (антенны для радиосвязи, для радиовещания, телевизионные и др.).

    Наиболее  четкой является классификация  по диапазонному принципу. Хотя в различных диапазонах волн очень часто применяют антенны с одинаковыми (по типу) излучающими элементами, однако конструктивное выполнение их различное; значительно отличаются также параметры этих антенн и требования, предъявляемые к ним.

      Наибольшее распространение в настоящее время получили антенны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, который включает в себя метровые волны ( длина волны от10 м до 1м ), дециметровые волны ( длина волны от1 м до 10 см ), сантиметровые волны ( длина волны от10 см до 1 см ), миллиметровый волны (длина волны между 1 см и 1 мм)  и субмиллиметровые волны (участок диапазона от миллиметровых волн до длинных инфракрасных волн). Связано это, во-первых, с физическими особенностями и  свойствами  этого диапазона. Волны сверхвысокой частоты (СВЧ), особенно на участке между 100 МГц и10 ГГц, почти беспрепятственно проникают сквозь ионизированные слои, окружающие  Землю, а также сквозь атмосферу. Существование широкого окна прозрачности в диапазоне СВЧ дает возможность развития космических исследований, в том числе для обмена информацией между Землей и космическими устройствами. Кроме того, в диапазоне СВЧ можно разместить значительно большее число каналов связи, чем на более низких частотах. Большая информационная емкость СВЧ диапазона позволяет осуществлять многоканальную телефонную и телевизионную связь, в особенности на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волнах.

    Во-вторых, антенны этого диапазона   обладают хорошими характеристиками. Они могут обеспечить остронаправленное излучение с шириной луча  в единицы и доли градусов и коэффициент  усиления, достигающий десятки и сотни тысяч. Эти направленные свойства позволяют использовать антенну не только для излучения и приема радиоволн, но и для пеленгации (в радиолокации, навигации, радиоастрономии), борьбы с помехами, обеспечения скрытности работы и для других целей.

    Зеркальные  антенны являются наиболее распространенным типом направленных антенн в сантиметровом, дециметровом и, отчасти в метровом диапазонах волн. Широкое использование зеркальных антенн объясняется простотой конструкции, возможностью получения почти любого применяемого на практике диаграммы направленности, высоким коэффициентом полезного действия, малой шумовой температурой, хорошими диапазонными свойствами и т.д. В радиолокационных применениях зеркальные антенны позволяют легко получить равносигнальную зону, допускают одновременное формирование суммарных и разностных диаграмм направленности общим зеркалом. Некоторые типы зеркальных антенн могут обеспечивать достаточно быстрое качание луча в значительном секторе углов. Зеркальные антенны  являются также наиболее распространенным типом антенн в космической связи и радиоастрономии.

    Классическими представителями зеркальных антенн являются параболические антенны, которые могут выполняться в виде параболоида вращения, параболического цилиндра или параболического цилиндра, ограниченного параллельными проводящими плоскостями.

    В ряде случаев  необходимо иметь в  двух главных плоскостях  диаграммы направленности (ДН), значительно отличающиеся по ширине. Наиболее просто получить такую диаграмму с помощью антенны, состоящей из металлического зеркала, поверхность которого имеет форму параболического цилиндра, и линейного облучателя, расположенного вдоль фокальной оси этого цилиндра (рис.1). Сечение цилиндра  плоскостью y0z представляет параболу, а плоскостью x0z ─ прямую линию.

    Если  на поверхность цилиндра падает цилиндрическая волна, то благодаря геометрическим свойствам параболы эта волна, отражаясь по законам геометрической оптики, трансформируется в плоскости y0z в плоскую. В плоскости x0z цилиндр не обладает трансформирующими свойствами.  

    

    Рисунок1 Антенна ─ параболический цилиндр

                                         

1.Краткие  теоретические сведения  

       Основными элементами параболической антенны являются металлический отражатель (рефлектор) 1, имеющий форму одной из параболических поверхностей, облучатель 2, помещенный в фокусе такой поверхности, и питающий фидер 3.

         Принцип действия зеркальных  антенн в режиме передачи заключается в преобразовании с помощью хорошо отражающей поверхности специальной формы (зеркала) поля слабо направленного первичного источника (облучателя) во вторичное поле, реализующее заданные направленные свойства антенны в целом. Обычно в зеркальных антеннах осуществляется преобразование широкой ДН облучателя в узкую ДН антенны.         

Рисунок 2 Основные элементы параболической антенны 

     а) б)

Рисунок 3 Диаграммы направленности: а) облучателя, б) антенны 

       Для получения достаточно выраженного эффекта отражения размеры зеркала должны быть много больше длины волны. В зеркальной антенне осуществляется преобразование сферического и цилиндрического фронта волны от первичного облучателя в плоский фазовый фронт на выходе антенны (для узких ДН) или в фазовый фронт специальной формы (для ДН специального вида – косеконсный и др.).

       Зеркало в соответствии со своим назначением  должно полностью отражать падающие на него электромагнитные волны. Поэтому  его поверхность выполняется  из хорошо проводящих металлов. Наилучшими отражающими свойствами обладают сплошные металлические поверхности, толщины которых должны быть в 2-3 раза больше толщины скин-слоя. Сплошные отражатели выполняются в виде металлических листов или же пленок (фольги), наносимых на легкую диэлектрическую основу.

       С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок отражающую поверхность иногда выполняют в виде перфорированных  листов, однолинейной сетки из проводников круглого или прямоугольного сечения и двухлинейные сетки. При не сплошном отражателе часть электромагнитной энергии просачивается сквозь него, образуя нежелательное заднее излучение и уменьшая коэффициент усиления антенны.

       Отражающая поверхность антенны должна как можно точнее воспроизводить заданную параболическую форму. Отклонение поверхности от заданной формы вызывает появление разности фаз полей, приходящих к расскрыву антенны, что приводит к расширению диаграммы направленности/1, с.180/. 
 
 
 
 
 

2.Расчет размеров отражателя. 

       Из  формы дальности действия станции: 

                              где,

 

G - коэффициент усиления антенны;

λ - рабочая длина волны;

So - площадь эквивалентной отражающей поверхности;

P_вх - мощность на входе приемника;

Pu - импульсная мощность на выходе передатчика;

r - дальность действия. 

       Можно найти коэффициент усиления антенны G, следующим образом:

                    

       Диапазон  частот данных в задании:

       В задании дано: 2∆f = 20 %, отсюда следует: 

       ∆f = f_ср0,2/2 = 0,48 ГГц, 

       Пользуясь этим находим: 

       f_н = f_ср -  ∆f = 4,8 – 0,48 = 4,32 ГГц

            f_в = f_ср + ∆f =  4,8 + 0,48 = 5,28  ГГц  

       Рабочая длина волны равна:

                     где, 

С - скорость света  в вакууме;

f - рабочая частота. 

                     

  

Подставляя λ_ср в формулу получим:

                       

коэффициент усиления антенны G практически равен коэффициенту направленного действия, так как потери в антенне малы /1 с. 201/ то есть:

D G = 1343.7028

Коэффициент направленного действия рассчитывается по формуле:

                 где, 

S - площадь зеркала;

λ - рабочая длина волны;

ν - коэффициент использования площади раскрыва для  параболического цилиндра.

       Определим площадь раскрыва параболического  цилиндра:

        

       Определяем геометрические размеры зеркала: 

                  

       Так как антенна должна обеспечить примерное  отношение ширины главных лепестков  ДН  в плоскости Н и Е как 1:4, то найдем зависимость длины высоты зеркала через эти отношения:

           где,

a - длина зеркала;

b - высота зеркала;

Углы в Е и Н плоскостях по половинной мощности.

Итак:

Преобразуя эти  выражения, найдем отношение сторон антенны:

                  a = 4b

Составим систему:

           

Решая систему  найдем:

              

       Находим фокусное расстояние:

Ψ_{опт =} ψ_о = 66 градусов, это следует из рисунка 4.

              

 Рисунок 4 Зависимость эффективности параболического цилиндра от угла раскрыва зеркала /2 с. 613/ 

       Рассчитаем  радиус раскрыва.:

        , где

       S_з - площадь затенения от облучателя, которая рассчитывается по формуле:

        , где

       L – длина облучателя,

       а – ширина облучателя.

         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.Выбор типа облучателя. Расчет основных размеров облучателя  
 

      Важным элементом зеркальной антенны является облучатель, во многом определяющий характеристики антенны. Облучателем является слабонаправленная антенна. К облучателям параболических антенн предъявляют следующие основные требования:

1. Облучатель должен излучать в направлении на отражатель волну со сферическим фазовым фронтом.
2. Диаграмма направленности излучателя должна быть направлена главным максимумом в центр параболоида. Интенсивность потока излучения должна плавно уменьшаться от центра к краям, достигая в направлениях на края отражателя уровня 0,1 от максимума.
3. Теневой эффект облучателя должен быть минимальным.
4. Поляризация электромагнитной волны облучателя должна быть такой, чтобы поперечная составляющая отраженных от рефлектора колебаний была минимальной/1, с.181/.

       В качестве облучателя могут применятся волноводные щелевые антенны, Система линейных вибраторов возбужденных волноводом, сегментная парабола, секториальный рупор и др. Выберем в качестве облучателя щелевой волновод, который помещается на фокальной линии. Длина облучателя выбирается равной длине антенны.

       1. Выбираем волновод типа МЭК - 48, его параметры:

       -полоса  пропускания от 3,94 ГГц до 5,99 ГГц,

       - внутренние размеры а b = 47,55 22,149 мм,

       - толщина стенок 1,02 мм. 
 
 

       2. Вычисляем длину волны в волноводе:

       

       3. Расстояние между щелями на  широкой стенке волновода принимаем  равной длине волны в волноводе:

       d = λ_В = 0,0829 м 

       4. Вычислим количество щелей в  волноводе:

                      

       5. Нормированное эквивалентное сопротивление щели:

             

       6. Ненормированное сопротивление щели, приведенное к пучностям напряжения в щели:

     , где   
 
 
 
 
 

       7. Определим напряжение щели в  пучности:

       Для начала определим мощность излучения  одной щели:

        ,где

       l – длина волновода,

       а – ширина волновода.

       Напряжение  щели в пучности находим по формуле:

         

       8. Находим ширину щели из условия  пробоя для воздуха;

       

         Е_кр = 3200  В/мм  / 1 с. 293/.

       9. Рассчитаем укорочение щели:

       Возьмем d = 5 мм и рассчитаем укорочение щели:

        ,где 

       

       10. Вычислим резонансную длину щели:

         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.Расчет диаграмм направленности облучателя в плоскостях Е и Н

       1. Расчет диаграммы направленности облучателя в плоскости Н производится по формуле:

        ,где

       m = 2π/λ = 1

       l = 1.456 см.

       Подставляя  m и l в формулу получим:

        ,

       диаграмма направленности в плоскости Н выглядит следующим образом:  

       

       Рисунок 5   Диаграмма направленности облучателя в плоскости Н

1. Расчет диаграммы направленности облучателя в плоскости Е производится по формуле:

        , где

m = 2π/λ = 1,

d = λ_в = 8,29 см.

       Подставляя  m и d в формулу получим:

       

       диаграмма направленности в плоскости Е  выглядит следующим образом:

       

       Рисунок 6   Диаграмма направленности облучателя в плоскости Е

5.Расчет диаграмм направленности антенны в плоскостях Е и Н

 Расчет диаграммы направленности антенны в плоскости Н и Е производится по следующей приближенной формуле:

        ,где

       J1(x) – функция Бесселя первого рода первого порядка,

       l – размер раскрыва антенны в той плоскости, в которой рассчитывается диаграмма направленности,

       m- волновой коэффициент,

       θ – угол между направлением максимума диаграммы направленности и данным направлением.

       Расчет  диаграммы направленности антенны в плоскости Н:

       

       диаграмма направленности в плоскости Н выглядит следующим образом:

       

       Рисунок 7 Диаграмма направленности антенны  в плоскости Н

       Ширина  главного лепестка 10º

       Расчет  диаграммы направленности антенны в плоскости Е:

       

       диаграмма направленности в плоскости Е  выглядит следующим образом:

       

       Рисунок 8 Диаграмма направленности антенны  в плоскости Е

       Ширина  главного лепестка 2.5º 
 
 
 
 
 
 
 
 

6.Неравномерность коэффициента усиления антенны в рабочем диапазоне частот 

       ∆f = 0,48 ГГц

       f_н = 4,32 ГГц, λ_н = 6,94 см,

       f_в = 5,28 ГГц, λ_в = 5,68 см.

       Для расчета неравномерности коэффициента усиления антенны в диапазоне  рабочих частот воспользуемся формулой, 

        ,

       G_н = 1210,107

       G = 1343,7028

       G_в = 1478,5462

       

       Рисунок 9  График зависимости коэффициента усиления антенны от длины волны 

7.Расчет технических допусков на изготовление антенны

1. Отклонение формы поверхности от заданной:

                                    ,

у вершины зеркала:

                                  ,

у края зеркала:

                                       

2. Смещение  облучателя из фокуса в осевом направлении / 1 с. 189/:

                         
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8.Питание

       В качестве питающего фидера возьмем  волновод типа МЭК – 48. Переход между облучателем и фидером не требуется. Но выходное сопротивление фидера и входное сопротивление щелевой антенны – облучателя не совпадают. Для согласования сместим щели на широкой стенке облучателя на величину х, которую можно вычислить по формуле:

       

        = 47,55 22,149- внутренние размеры волновода.

         

       Расчет  затухания в фидере на средней  частоте:

       Затухание обусловлено неизбежным расходом части  распространяющейся мощности на нагрев проводников и диэлектриков, а также на образование паразитного излучения.

         Y = L_ф α = 7 0.0443 = 0.3101 Дб,

       L_ф – длина фидера,

       α – коэффициент затухания [Дб/м] 
 
 
 
 

9.Устранение реакции зеркала на облучатель

       Одним из методов устранения реакции зеркала на облучатель является установка компенсирующей пластины у вершины зеркала. Эта пластина имеет вид прямоугольника и припаяна по всему периметру к зеркалу, для обеспечения непрерывности пути поверхностных токов. Высота пластины d должна быть такой, чтобы величина отраженной от неё энергии и поступающей в облучатель с остальных участков зеркала были равны. Смещение пластины t выбирается таким, чтобы фазы колебаний, пришедших на облучатель от пластины и от рефлектора отличались на целое нечётное π. По приближенным формулам можно рассчитать: