Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Методические указания по самоподготовке.

Лабораторная работа №5.

Quot;Исследование характеристик направленности зеркальной параболической антенны".

Цель работы.

1.Исследование конструкции зеркальной параболической антенны.

2.Исследование характеристик направленности и влияния на них конструктивных параметров.

Методические указания по самоподготовке.

При подготовке к выполнению лабораторной работы следует изучить следующие вопросы:

-конструкция и принцип действия зеркальной параболической антенны;

-типы облучателей зеркальных параболических антенн;

-характеристики направленности антенны;

-теневой эффект и методы его устранения;

-технологические допуски на основные элементы конструкции антенны.

Исследуемая в данной работе антенна состоит из параболического зеркала 1 и облучателя 2, помещенного в фокус параболоида (рис.1). В качестве облучателя используется слабонаправленные антенны, а в качестве зеркала - поверхность, образованная вращением параболы вокруг своей оси Z (параболоид вращения).

Антенна характеризуется следующими геометрическими размерами (рис.1):

-радиусом раскрыва R;

-фокусным расстоянием F;

-углом раскрыва j₀.

В прямоугольной системе координат (рис.1) поверхность параболоида описывается выражением:

x² + y² = 4Fz (1).

Антенна сохраняет все свои характеристики при выполнении следующего условия:

(R,F) >> l (2).

Здесь l - длина волны в свободном пространстве, соответствующая излучаемому или принимаемому сигналу. Условие (2) позволяет при анализе принципа действия антенны пренебречь в первом приближении

дифракционными эффектами и рассматривать ее с позиции геометрической оптики.

На рис.2 изображено сечение параболоида плоскостью, проходящей через ось Z (рис.1).

Следует отметить два свойства рассматриваемой поверхности зеркала, которые формулируются следующим образом.

1. Расстояние от точки F называемой фокусом параболоида, лежащего на его оси (ось z), до любой точки М_i, лежащей на прямой МN, перпендикулярной оси, по ломаным путям FP_iM_i (P_i - точка на зеркале) одинаковы (FP₁M₁ = FP₂M₂ = ¼);

2. Нормаль n к поверхности зеркала в любой точке лежит в плоскости чертежа рис.2 и составляет угол q/2 с прямой, соединяющей эту точку на зеркале с точкой F и с прямой параллельной оси.

Эти геометрические свойства поверхности определяют принцип действия антенны. Рассмотрим ее работу в режиме передачи. Волна, формируемая излучателем 1 (рис.1), близка по своим свойствам к неоднородной сферической. С позиций геометрической оптики ее можно представить лучами FP_i (рис.2), которые падают на поверхность параболоида. Вследствие второго свойства параболического зеркала, после отражения от него лучи будут распространяться по траекториям, параллельным оси антенны. Таким образом ломанные линии FP_iM_i представляют собой части траекторий этих лучей.

Благодаря первому свойству параболического зеркала фазовый набег на различных частях траекторий FP_iM_i оказывается одинаковым. Легко понять, что поверхность, на которой фазы лучей, отраженных от зеркала, будут одинаковы (фазовый фронт волны), представляет собой плоскость, перпендикулярную к оси z (рис.1,2). Это означает, что созданная облучателем волна, близкая по свойствам к сферической, преобразуется в плоскую. Таким образом параболическое зеркало трансформирует относительно широкую диаграмму направленности излучателя (40⁰ – 70⁰) в узкую, шириной в доли градуса.

Работа антенны в режиме приема рассматривается аналогичным образом. Плоская волна, падающая на зеркало, фокусируется им (преобразуется в сходящуюся сферическую) на облучатель.

В качестве облучателей параболических антенн могут быть использованы:

-вибраторные облучатели, представляющие собой систему "активный - пассивный вибратор", "активный вибратор - плоский контррефлектор";

-рупорные облучатели (пирамидальные рупоры, конические рупоры);

-щелевые облучатели.

При строгом анализе зеркальной параболической антенны используется волновой подход для определения поля в ее дальней зоне. Например, при анализе ее работы в качестве передающей, определяются вторичные токи, распределенные по поверхности параболического зеркала. Появление этих токов обусловлено падающей на зеркало электромагнитной волной от облучателя. Вторичные токи и формируют излучение антенны в дальней зоне.

Каждый тип облучателя обеспечивает отличное от других распределение вторичных токов по поверхности параболического зеркала. Следовательно, тип облучателя влияет на характеристики направленности антенны в целом.

В данном макете в качестве облучателя используется конический рупор, питающей линией для которого является отрезок волновода круглого сечения. В нем выполнены условия для возбуждения основной волны Н₁₁. Подробное описание особенностей работы рупорных антенн приведено в методических указаниях к предыдущей лабораторной работе. Здесь следует отметить, что излучение, формируемое облучателем, можно считать поляризованным.

Важным моментом при разработке конструкции зеркальной параболической антенны является согласование характеристик направленности облучателя и геометрических размеров зеркала. На рис.3 изображено сечение параболоида плоскостью, проходящей через ось Z (рис.1) и отмечены точка фокуса F, в которой расположен облучатель и угол раскрыва φ₀.

С практической точки зрения важно, чтобы энергия электромагнитной волны, создаваемой облучателем, по возможности полно перехватывалась и переотражалась зеркалом. Для этого диаграмма направленности облучателя должна быть ограничена прямыми AF и BF (рис.3).

На рис.3 изображена диаграмма направленности облучателя в полярной системе координат и отмечены два уровня 1 и 0,3. Им соответствуют две пунктирные окружности. Пересечение этих окружностей с диаграммой направленности облучателя определяет направление главного максимума и направления, в котором амплитуда излучаемой волны уменьшается до уровня 0,3 от максимального значения.

На рис.3 прямые AF и BF проходят через эти точки пересечений. Это значит, что энергия электромагнитной волны облучателя, выходящая за пределы угла AFB не перехватывается облучателем и безвозвратно теряется. С практической точки зрения такой выбор соотношения между геометрией зеркала и характеристиками направленности облучателя оказывается оптимальным. Увеличения доли энергии, перехватываемой зеркалом требует увеличения геометрических размеров антенны в целом, что ведет к увеличению ее веса, площади и стоимости. С другой стороны это не приводит к существенному увеличению КПД антенны. Компенсировать энергетические потери в этом случае проще за счет незначительного увеличения мощности передатчика (при работе на прием) или чувствительности приемника (при работе на передачу).

Большое влияние на характеристики зеркальной параболической антенны оказывает точность, с которой фазовый центр используемого облучателя совмещен с точкой фокуса. На рис.4.а показано, что продольное смещение облучателя из фокуса приводит к распространению переизлученных зеркалом лучей (рассматривается режим работы антенны на передачу) по направлениям, составляющим различные углы с продольной осью антенны (ось z). Следовательно, фазовый фронт MN (рис. 4.а) переизлученной волны уже не является плоским. Легко понять, что это соответствует увеличению ширины диаграммы направленности антенны в целом.

На рис.4.б показано, что смещение облучателя из фокуса в поперечном направлении приводит к изменению направления главного максимума. Теоретический анализ показывает, что при незначительных смещениях d облучателя в поперечном направлении (порядка длины волны λ принимаемого или передаваемого излучения) не происходит (в первом приближении) увеличения ширины главного максимума диаграммы направленности. Поэтому на практике часто механические перемещения облучателя используются для целей сканирования или подстройки характеристик направленности антенны.

При разработке конструкции антенны большое внимание уделяется минимизации "теневого эффекта". Он состоит в экранировке части параболического зеркала облучателем, имеющим конечные размеры. С одной стороны это ведет к неполному использованию энергии излученной или

принимаемой волны. С другой стороны этот эффект ведет к рассогласованию облучателя с питающей линией. Данный эффект иллюстрируется рисунком 5, на котором показано наличие в питающем облучатель фидере двух волн, распространяющихся во встречных направлениях – от генератора и от зеркала.

Для устранения "теневого эффекта" используются различные методы. На сегодняшний день наиболее эффективным из них является использование в качестве зеркала не центральной, а боковой части параболоида вращения. Как следует из рис.6, облучатель при этом уже не перекрывает зеркало и в питающем фидере не возникают волны, порожденные отражением от параболического зеркала.

Теоретический анализ показывает, что требования к точности выполнения геометрических размеров зеркала определяют допустимые отклонения порядка l/8. При увеличении частоты требования к точности изготовления ужесточаются, что ведет к существенному удорожанию антенны в целом.