Исследование характеристик однозеркальной параболической антенны и рупорной антенны с различными геометрическими параметрами рупора

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

 

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

 

 

Отчет

по лабораторной работе №2 по курсу

«Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства»

на тему:

 

Исследование характеристик однозеркальной параболической антенны

и рупорной антенны с различными геометрическими параметрами рупора

 

 

 

                                                                Выполнили: ст гр. РРиТ-308

Абдрахманов Д.

Андреасян А.А.

Валиев Р.М.

Карпичева М.В.

Лукманов А.К.

Миннибаев Р.Р.

Панькова Е.С.

Пенкине Е.А.

Шайнуров А.З.

Якупова Л.Г.                                                                                

 

 

 

Проверила: Виноградова И.Л.

              

 

 

 

 

 

УФА 2011

 

 

Содержание

 

	Цель работы........................................................................	3
	Рупорная антенна………………………...........................	3
	Принцип действия рупорной антенны...…………...…...	4
	Зеркальная параболическая антенна………………….... Принцип действия параболической антенны………….	7 7
	Вывод………………….………………………………….	13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                  

                                                           Цель работы          

Исследовать характеристики и принцип действия рупорных антенн с различными геометрическими параметрами рупора и характеристики параболических однозеркальных антенн.

 

Рупорные антенны

         В качестве слабонаправленных антенн УКВ широко используются антенны в виде открытого конца волноводов прямоугольного или круглого сечений. Электромагнитная волна, распространяющаяся по волноводу, дойдя до его открытого конца, частично излучается, а частично отражается (рис. 8.1, а). Физическими источниками излучения являются электрические токи, возбуждаемые главным образом на внутренних стенках волновода. Расчет поля излучения методом, использующим распределение тока вблизи раскрыва волновода, очень сложен, поэтому используется метод, основанный на применении принципа эквивалентности.

           

 

Для этого волновод окружают замкнутой поверхностью. Эта поверхность проводится так, чтобы она совпадала с поверхностью открытого конца волновода и далее стелилась по наружным поверхностям стенок волновода. Тангенциальные составляющие поля на наружных поверхностях стенок волновода (поверхностные токи) принимаются равными нулю.

В инженерном решении приближенно полагают, что структура электромагнитного поля в плоскости открытого конца волновода такая же, как в поперечном сечении бесконечно длинного волновода, т.е. пренебрегают волнами высших типов, излучением токов, затекающих на наружные поверхности стенок волноводов, и не учитывают волны, отраженные от открытого конца волновода. В случае волновода прямоугольного сечения, возбуждаемого основной волной Н10, на открытом конце существуют взаимно перпендикулярные тангенциальные составляющие поля Ey и Hx, зависимость которых от координат известна (рис. 8.1, б).

Таким образом, характеристику направленности открытого конца волновода прямоугольного сечения в плоскости Е, параллельной размеру b поперечного сечения, можно представить в виде произведения множителя системы плоского раскрыва на характеристику направленности элемента Гюйгенса в этой плоскости [в которой следует положить j = p/2 и, следовательно, sinj=l].

Поскольку поперечные размеры прямоугольного волновода а и b невелики и соизмеримы с длиной волны l (обычно для стандартных волноводов а = 0,7l , b = 0,35l), то ДН антенны в виде открытого конца волновода имеет один широкий лепесток, т.е. антенна является слабонаправленной.

 

 

Принцип действия, основные свойства рупорных антенн

 

          Концентрация излучения в пределах более узкого телесного угла достигается увеличением размеров синфазно возбужденной поверхности. Если размеры сечения волновода выбираются таким образом, чтобы обеспечить формирование необходимой структуры поля, то, плавно увеличивая сечение волновода, эту структуру можно сохранить, а размеры излучаемой поверхности увеличить (рис. 8.2). В месте перехода от волновода к рупору (сечение S') возникают высшие типы волн, но при достаточно плавном расширении волновода (малый угол раствора рупора) интенсивность этих волн невелика.

 

         Существуют различные типы рупоров. Рупор, образованный увеличением размера b волновода, параллельного вектору Е, называется секториальным Е-плоскостным.

        Рупор, образованный увеличением размера а волновода, параллельного вектору Н, называется секториальным Н-плоскостным. Рупор, образованный одновременным увеличением размеров а и b поперечного сечения волновода, называется пирамидальным (см. рис. 8.2), а увеличением поперечного сечения круглого волновода — коническим. При плавном переходе от волновода к рупору структура поля в последнем напоминает структуру поля в волноводе.

Векторы электромагнитного поля при переходе из волновода в рупор несколько изменяют свою форму, чтобы обеспечить выполнение граничных условий на стенках рупора (рис. 8.3).

 

 

         Однако в отличие от поверхности открытого конца волновода, плоская излучающая поверхность рупора не может быть синфазной, так как в раскрыве рупора имеются фазовые искажения. Найдем фазу возбуждающего поля в произвольной точке М излучающего раскрыва H-плоскостного рупора (рис. 8.4). Дуга NOP окружности с центром в точке 01 есть линия равных фаз. Предполагая для простоты, что в рупоре b = k = 2p/l, получаем:

 

 

 

         При достаточно больших значениях yтах ( >90°) ДН рупорной антенны заметно отличается от ДН синфазной излучающей поверхности. При этом симметрия ДН относительно нормали к возбужденной поверхности сохраняется.

 

Путем аналогичных рассуждений можно показать, что максимальный сдвиг фаз на краях               Е-плоскостного рупора

,    (8.2)

где LE — длина Е-плоскостного рупора.

Максимальный сдвиг фаз на краю раскрыва конического рупора (радиус раскрыва ар, длина рупора L):

,   (8.3)

 

           Поскольку в рупорной антенне практически невозможно добиться полной синфазности излучающей поверхности, то обычно задаваясь некоторым допустимым сдвигом фаз, выбирают размеры раскрыва рупора и его длину. Этот сдвиг должен быть таким чтобы ДН рупорной антенны мало отличалась от ДН синфазно излучающей поверхности, размеры которой равны размерам раскрыва рупора.

           Допустимый максимальный сдвиг фаз определяется условием получения максимального КНД при заданной относительной длине L/l рупора. С увеличением относительных размеров раскрыв рупора (аР/l или bР/l) при неизменной длине его ДН сначала становится уже и КНД растет, так как увеличивается размер излучающей поверхности, которая практически остается синфазной (сдвиг фаз ymax мал). При дальнейшем увеличении размеров заметно растут фазовые искажения, вследствие чего ДН начинает расширяться и КНД уменьшается. На рис. 8.5 по оси ординат отложено произведение КНД Е-плоскостного рупора на отношение аР/l. Аналогичные кривые существуют и для Н-плоскостных рупоров. При заданном отношении L/l имеется определенное оптимальное значение аР/l или bР/l, при котором КНД антенны — максимально возможный. Оптимальному значению аР/l или bР/l соответствует допустимый сдвиг фаз. Рупор, размеры которого подобраны так, чтобы при заданной длине L/l  получить максимальный КНД, называется оптимальным.

           Из (8.1) и (8.2) видно, что для того, чтобы при увеличении размеров раскрыва рупора максимальный сдвиг фаз не изменялся, оставаясь равным допустимому, т.е. КНД возрастал, относительная длина рупора L/l должна увеличиваться пропорционально квадрату относительных размеров раскрыва рупора.

Коэффициент направленного действия оптимального Е- или H-плоскостного рупора может быть рассчитан: , причем КИП рупора с учетом несинфазности и. неравномерности возбуждения составляет 0,64 (у пирамидального рупора Ja = 0,52).

 

 

 

 

Зеркальные параболические антенны

 

          Зеркальная осесимметричная параболическая антенна состоит из отражающей поверхности, выполненной в виде параболоида вращения, и небольшой слабонаправленной антенны-облучателя, установленной в фокусе параболоида и облучающей внутреннюю поверхность последнего. На базе такой классической зеркальной антенны разработаны различные модификации, многообразие которых приводит к целесообразности сгруппировать их, т.е. провести классификацию по основным отличительным признакам. Так, по числу отражающих зеркал различают одно- и многозеркальные антенны. Последние, как правило, содержат два зеркала. Часто эту группу называют двухзеркальными антеннами.

          По взаимной ориентации зеркал и облучателей антенны могут быть симметричными и осенесимметричными. В симметричных антеннах отражающее зеркало обладает осевой симметрией, и поле, отраженное от вершины такого зеркала, попадает в облучатель. Если не принято специальных мер, то согласование антенны будет невысоким. В осенесиммгтричных схемах антенн волны, отраженные от зеркала, проходят мимо облучателя. Такие схемы называют еще антеннами с вынесенным облучателем (АВО). Их отличает высокое согласование с трактом питания, но в то же время они обладают повышенным уровнем кроссполяризации, что при одновременной работе на ортогональных поляризациях является источником дополнительных помех.

          По числу основных лучей, создаваемых зеркальной антенной, различают одно- и многолучевые антенны. Число лучей определяется числом облучателей. Многолучевые антенны могут создаваться как в симметричном, так и в осенесимметричном варианте.

          По типу кривизны основного зеркала используются параболические и сферические отражающие зеркала, зеркала с классическим и модифицированным профилями, обеспечивающими высокий результирующий КИП в условиях компромисса между апертурным КИП и потерями за счет «перелива» энергии за края зеркала. Это так называемые оптимизированные антенны.

При фиксированном положении отражающего зеркала направление максимального излучения (приема) может быть либо фиксированным, либо антенна может работать в режиме сканирования. Особое место занимают зеркальные антенны с пониженным УБЛ.

 

                Принцип действия параболической антенны

          В прямоугольной системе координат (начало в вершине параболоида) параболическая поверхность (рис. 8.8) описывается уравнением:

,                                       (8.6)

 

где f — фокусное расстояние.

 

         В сферической системе координат (начало в фокусе) эта поверхность описывается уравнением:

 

,                                  (8.7)

 

где r’ — расстояние от фокуса до любой точки на внутренней поверхности параболоида;

g — угол между направлением на данную точку и фокальной осью зеркала (полярный угол).

         В случае параболоида вращения плоскость раскрыва (плоскость, проходящая через крайние точки поверхности зеркала и перпендикулярная его фокальной оси) имеет круглую форму; радиус этой плоскости называется радиусом раскрыва зеркала (Ro). Радиус раскрыва и угол раскрыва зеркала (угол g0 между фокальной осью и прямой, проведенной из фокуса к кромке параболоида) связаны соотношением: