Лекция 9 ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ Учебные вопросы 1

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Лекция № 9 ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ Учебные вопросы 1. Принцип работы и основные типы зеркальных антенн. 2. Геометрические параметры параболической зеркальной антен ны, уравнение профиля зеркала. 3. Антенна с зеркалом в виде параболоида вращения. 4. Направленные свойства зеркальной антенны и условия их оптимизации.

1. Принцип работы и основные типы зеркальных антенн (ЗА) ЗА - АА, у которых ЭМП в раскрыве формируется в результате отражения ЭМВ первичного излучателя от металлической поверхности специальной формы, называемой зеркалом. Конструктивно ЗА состоит из облучателя и зеркала. Облучатель является первичным источником ЭМВ в зеркальной антенне и формирует ЭМВ со сферическим или цилиндрическим фазовым фронтом. Зеркало отражает падающую на него ЭМВ и преобразует в раскрыве зеркала в ЭМВ с плоским фазовым фронтом. Типы зеркальных антенн 1) в зависимости от формы зеркала: с зеркалом в виде параболоида вращения; с зеркалом в виде симметричной или несимметричной вырезки из параболоида вращения; с зеркалом в виде вырезки из параболического цилиндра; 2) в зависимости от количества зеркал: однозеркальные; двухзеркальные; 3) в зависимости от вида формируемой ДН: с осесимметричной игольчатой ДН; с диаграммой направленности специального вида.

2. Геометрические параметры параболической зеркальной антенны, уравнение профиля зеркала Геометрические параметры ЗА: точка О вершина зеркала; точка F фокус зеркала; отрезок OF = f – фокусное расстояние; ось OZ фокальная ось зеркала; угол 2Φ 0 угол раскрыва зеркала; 2 R 0 диаметр раскрыва зеркала; h глубина зеркала. Рис. 1 M произвольная точка на поверхности зеркала, наблюдаемая из фокуса под углом Φ, N точка на раскрыве, соответствующая точке M, FM = ρ расстояние от фокуса зеркала до точки M.

Уравнение профиля зеркала Условие плоского фазового фронта ЭМВ в раскрыве зеркала – равенство оптических длин путей, проходимых волной от облучателя до раскрыва для любых направлений. (1) FO = f; OO" = h; FM = ρ; MN = O'O". Из рис. 1 (2) С учетом (1) выражение (2) примет следующий вид (3) уравнение параболы в (4) полярной системе координат. Т. о. для преобразования волны со сферическим фазовым фронтом в волну с плоским фазовым фронтом необходимо иметь зеркало с профилем в виде параболы.

Связь между геометрическими параметрами зеркальной антенны (5) 3. Антенна с зеркалом в виде параболоида вращения Амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве зеркала Фазовое распределение (ФС) поля в раскрыве зеркала зависит от положения облучателя относительно фокуса зеркала. ФС равномерное облучатель расположен в фокусе зеркала. Амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала определяется диаграммой направленности облучателя Нормированное амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала вдоль оси ОХ (6)

xs текущая координата на раскрыве зеркала Рис. 2 2 При Фх = Ф 0 , хs = R 0. Вдоль оси OY по аналогии с выражениями (6) и (7)

Диаграмма направленности параболической зеркальной антенны При любом облучателе ампл. распределение (АР) поля по раскрыву зеркала не является равномерным кривая, спадающая к краям. На практике АР может быть аппроксимировано функциями вида "косинус квадрат на пьедестале" и "парабола на пьедестале". Ширина ДН в главных плоскостях зависит от ДН облучателя m = (650. . . 800) коэффициент, учитывающий (8) вид АР поля в раскрыве зеркала (в зависимости от ширины ДН облучателя) При более широкой ДН облучателя амплитудное распределение поля в раскрыве будет более равномерным и коэффициент m = (650. . . 700), т. е. ДН ЗА получается узкой, но при этом она имеет большой уровень боковых лепестков. При более узкой ДН облучателя амплитудное рас пределение поля в раскрыве будет менее равномерным и коэффициент m = (700. . . 800), т. е. ДН ЗА получается широкой, но при этом она имеет малый уровень боковых лепестков.

КНД и коэффициент усиления (9) КНД Аэфф эффективная площадь раскрыва, а q коэффициент использования площади раскрыва (для ЗА 0, 7. . . 0, 8). Коэффициент (10) усиления ηa - КПД ЗА - тепловые потери в антенне; ηп - коэффициент перехвата - доля энергии облучателя, перехватываемую зеркалом. (11) (12) g - выигрыш антенны

4. Направленные свойства зеркальной антенны и условия их оптимизации Влияние ширины ДН облучателя и величины угла раскрыва зеркала на выигрыш антенны Возможны две ситуации: 1) если задан облучатель со своей ДН Fобл(Ф), то максимальный выигрыш антенны можно получить при некотором угле раскрыва зерка ла 2 Ф opt; 0 2) если задан угол раскрыва зеркала 2 Ф 0 , то максимальный выигрыш антенны можно получить при облучателе с оптимальной ДН Fобл opt(Ф). 1 й случай, когда задана ДН облучателя Fобл(Ф) Из выражения видно при постоянном радиусе раскрыва зеркала R 0 =const. Изменяя фокусное расстояние, можно изменять и угол раскрыва зеркала 2 Ф 0.

Рис. 3 С уменьшением фокусного расстояния увеличивается угол раскрыва 2 Ф 0. Потери энергии облучателя уменьшаются коэффициент перехвата энергии возрастает. Рис. 4

Увеличение угла раскрыва зеркала ведет к большему спаданию амплитуды поля на краях зеркала и, следовательно, амплитудное распределение поля в раскрыве зеркала становится более неравномерным, что, в свою очередь, приводит к уменьшению КИП раскрыва зеркала q. Поэтому максимальный выигрыш антенны получается при некотором оптимальном значении угла раскрыва зеркала 2 Ф 0 = 2 Ф 0 opt. Таким образом, при заданной ДН облучателя и постоянном ради усе раскрыва имеется оптимальный угол раскрыва, при котором коэффициент усиления ЗА максимален. Для типовых облучателей он лежит в пределах 2 Ф 0 opt. = 1300. . . 1600.

2 й случай задан угол раскрыва зеркала 2 Ф 0. При постоянном размере раскрыва R 0 =const, изменяя ширину ДН облучателя, получаем изменение относительного значения плотности потока мощности облучателя Потн, приходящегося на край зеркала, как это показано на рисунке: Рис. 5 Из рис. 5 видно, что при расширении ДН облучателя относительная плотность потока мощности, приходящаяся на край зеркала увеличивается. При этом амплитудное распределение поля по раскрыву зеркала становится более равномерным и КИП увеличивается, как это показано на рис. 6.

расширение ДН облучателя ведет к тому, что все меньшая часть его энергии попадает на зеркало и, следовательно, коэффициент перехвата уменьшается. Рис. 6 Таким образом, максимальный выигрыш антенны получается при некотором оптимальном значении относительной плотности потока мощности, приходящейся на край зеркала Потн opt. У реальных ЗА эта величина равна Потн opt = 0, 1 … 0, 2. Облучатель, у которого ширина ДН по мощности на уровне 0, 1 равна углу раскрыва зеркала обеспечивает максимальный коэффициент усиления ЗА и называется оптимальным облучателем

Скачать презентацию Лекция 9 ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ Учебные вопросы 1

Лекция_9 ЗА.ppt

Количество слайдов: 13