Спроектировать передающую антенну для радиолокационной станции

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: