3.6 Графическая часть проекта

К графической части проекта относится:

1. Эскизный чертеж антенны с указанием основных ее размеров,

2. График распределения амплитуды поля по раскрыву зеркала,

3. Нормированные диаграммы направленности облучателя и собственно антенны. Диаграммы строятся в декартовых координатах.

Диаграмма направленности антенны должна состоять из главного лепестка и первых двух боковых лепестков.

3.7. Рупорно-параболическая антенна

Рупорно-параболическая антенна (РПА) получила широкое распространение в системах радиорелейных линий связи и в системах космической связи. Эти антенны имеют малый уровень бокового излучения и малую собственную шумовую температуру (5 ÷ 6) Кº.

РПА – это модификация параболической антенны. Она состоит из пирамидального или конического рупора, соединенного с несимметричным параболическим зеркалом (рис.3.5.).

Соединение облучающего рупора с параболическим зеркалом в единую систему обеспечивает резкое ослабление приема сигналов с направления, противоположного основному. Мощность не теряется на пути от облучателя к зеркалу, так как металлические конструктивные элементы в раскрыве отсутствуют. Энергия рассеивается лишь на элементах защитной крышки, которая защищает антенну от атмосферных осадков.

Облучатель в РПА вынесен из области действия отраженных от параболоида лучей, что устраняет реакцию зеркала на облучатель и теневой эффект облучателя. Питающий волновод соединяется с рупором с помощью перехода, сечение которого плавно изменяется (рис.3.5.). Коэффициент отражения при большой длине переходного рупора L = (6….8)λ не превышается 1….2% в широкой полосе частот.

Рис.3.5. Конструкция РПА на основе пирамидального и конического рупоров

Для РПА с пирамидальным рупором площадь S₁ раскрыва определяется по формуле (3.15):

, (3.15)

а для РПА с коническим корпусом по формуле (3.16):

. (3.16)

Углы раскрыва 2β и 2γ при заданной площади излучающего раскрыва или при заданной ширине ДН в главных плоскостях определяют габариты антенны, так как с увеличением этих углов габаритные размеры уменьшаются. Но с увеличением этих углов ухудшается согласование питающего волновода с рупором, так как добиться хорошего согласования легче при небольших углах раскрыва. Кроме того, уменьшение углов раскрыва и соответствующее удлинение рупора сопровождается увеличением равномерности распределения поля в раскрыве антенны по вертикальной оси, а значит, увеличением КИП и КНД. Исследования показали, что углы раскрыва необходимо выбирать в пределах 25….50º. При меньших углах существенно увеличиваются габариты РПА, а выигрыш в согласовании почти незаметен. Обычно их выбирают равными 30….40º, т.е. (β, γ = 15º ÷ 20 º).

Угол возбуждения δ обычно выбирается равным 90º (рис. 3.5). В этом случае нет необходимости изгибать вертикальный питающий волновод, что позволяет конструктивно упростить волноводный тракт и избавиться от лишнего источника отраженных волн.

Площадь раскрыва РПА выбирают из условия обеспечения необходимого КНД:

, (3.17)

или коэффициента усиления

, (3.18)

где S_р – площадь проекции раскрыва на плоскость, перпендикулярную направлению распространения; ν_А – апертурный КИП, определяемый распределением амплитуды поля в раскрыве; ν_рез =ν_Аη₁η₂ – результирующий КИП; η₁ – коэффициент, учитывающий потери в защитной крышке, покрывающей внутреннюю поверхность антенны; η₂ – коэффициент, учитывающий уменьшение усиления антенны вследствие неточного выполнения параболоида. Коэффициенты η₁, η₂, в проекте можно положить равными 1. Теоретическое значение ν_А = 0,8. Вследствие потерь в фидере и облучателе, а также с учетом неточного выполнения параболоида величина результирующего КИП оказывается несколько меньшей. При расчетах можно принять ν_рез = 0,6÷0,7.

Таким образом, для заданного КНД (или КУ) при ν_рез = 0,8 (или ν_рез = 0,65) по формуле (3.17) (или 3.18) можно определить площадь раскрыва РПА.

При расчете РПА следует определить размеры раскрыва L₁ и L₂ (рис.3.6.). Условимся поляризацию, параллельную оси рупора Ох, называть вертикальной (рис.3.6.а), а поляризацию, перпендикулярную оси рупора, - горизонтальной (рис.3.6.б).

Для вертикальной поляризации (см. рис. 3.6.а) раскрыв РПА будет иметь постоянное амплитудное распределение по размеру L₁ и косинусное – по размеру L₂. Тогда для определения ширины ДН можно воспользоваться соотношениями

, . (3.19)

Обычно от РПА требуется создание игольчатой ДН, т.е. выполнение условия

. (3.20)

Тогда из (3.19) следует

, (3.21)

что дает возможность по формуле рассчитать размер L₁, а по формуле (3.21) – размер L₂.

Рис.3.6. Распределение поля в раскрыве РПА

Для горизонтальной поляризации раскрыв РПА будет иметь синфазное постоянное распределение по размеру L₂ и косинусное – по размеру L₁. Тогда для определения ширины ДН можно воспользоваться соотношениями

, . (3.22)

Выполнение условия игольчатой ДН дает

. (3.23)

Тогда по формуле определяется размер L₂, а по формуле (3.23) определяется размер L₁.

Размеры РПА R₁ и R₂ также можно найти из рис.3.3.

(3.24)

Размер L₂ в (3.24) определен как средний размер , где , - размеры раскрыва РПА в горизонтальной плоскости по L₁ и L₂ соответственно.

Совместное решение уравнений (3.24) дает значения для размеров R₁ и R_2, которые являются параметрами ДН, КИП и КНД:

_, (3.25)

_. (3.26)

Для найденной площади раскрыва S₁ и выбранного угла раскрыва β можно определить размеры R₁ и R_2, с помощью графиков рис.3.7.

При представлении раскрыва РПА прямоугольной формы (см. рис. 3.6.) с размерами L₁ и L₂ (а это можно сделать с достаточно большой точностью, так как 2γ и 2β не превышает 30….40º) ее ДН для вертикальной поляризации можно рассчитать в вертикальной плоскости (или плоскости Е) по формуле:

, (3.27)

где ; .

Коэффициент а₃ должен удовлетворять условию .

В горизонтальной плоскости (или плоскости Н):

, (3.28)

где , .

Коэффициент а₄ должен удовлетворить условию 0,15 < а₄ ≤ 0,5.

При горизонтальной поляризации поля влияние расстояния до зеркала на распределение амплитуды поля, а следовательно, и на ДН антенны еще менее значительно, чем при вертикальной поляризации. Поэтому приближенно ДН антенны можно определить, как для соответствующего рупора с распределением поля, приведенным на рис.3.6б:

- в горизонтальной плоскости (или плоскости Е)

, (3.29)

- в вертикальной плоскости (или плоскости Н):

. (3.30)

Величина z₀ (глубина параболоида, рис.3.8) рассчитывается при х = R₂, z = z₀, , откуда

,

где R₂ определяется по формуле (3.26), а фокусное расстояние f – из уравнения:

. (3.31)

В реальных условиях в связи с неточностью выполнения рабочих поверхностей антенны, из-за возбуждения высших типов волн в горловине рупора, из-за рассеяния в радоме и т.п. направленные свойства РПА существенно ухудшаются.

Апертурный КИП РПА для вертикальной поляризации определяется по следующей формуле:

. (3.32)

Для горизонтальной поляризации:

, (3.33)

где