Быстрый поиск

Курсовая работа: Зеркальные антенны

Министерство науки и образования Украины

Черкасский государственный технологический университет

Кафедра радиотехники

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Приборы СВЧ и антенны»

На тему: «Зеркальные антенны»

Проверил: Исполнил:

Преп. Даник.В.О. студ. 4-го курса

гр. ЗРТ-33, ФЕТ

Соболев А.В.

Черкассы, 2007

Содержание

Введение

1. Действие зеркал

2. Влияние фазовых отклонений

3. Направленность действия параболического зеркала

4. Применение параболических зеркал в антенной технике

5. Другие зеркальные антенны

Итог

Список использованной литературы

Введение

Антенна выступает в роли промежуточного звена радиоприбором – приемником или передатчиком – и окружающим пространством, являясь своего рода преобразователем электромагнитной энергии, её трансформатором. Передающая антенна, питаемая энергией радиопередатчика, возбуждает в пространстве электромагнитное поле, несущее сигнал. Незначительную часть энергии поля улавливает приемная антенна, создающая на входе радиоприемника эдс, достаточную для воспроизведения сигнала.

С изобретением радио начинается история антенной техники, которая проходит свои этапы вместе с развитием радиотехники. Однако элементы, излучавшие электромагнитную энергию и отбиравшие ее из пространства, были известны уже в опытах Генриха Герца (1886–1888гг.) до возникновения самой идеи об использовании электромагнитного поля для передачи сигналов. Впоследствии нашим знаменитым соотечественником А. С. Поповым была изобретена первая радиотехническая антенна.

Вслед за первыми шагами радиотехники, когда использовались искровые и дуговые генераторы, задачам радиосвязи были подчинены длинные и средние, а затем и короткие волны. За это время – к середине тридцатых годов – возникли и сформировались все основные типы проволочных антенн, или «радиосетей». Антенны длинных и средних волн по своим размерам почти всегда меньше длины волны. Освоение же коротких волн означало качественный скачок в антенной технике, так как открылась реальная возможность построения антенн, значительно превышающих длину волны и поэтому обладающих большой направленностью действия. Тенденция к дальнейшему укорочению рабочей волны ещё сильнее проявляется в последующий период, начиная с предвоенных лет. Как известно, благодаря появившимся недавно оптическим квантовым генераторам практике теперь доступны когерентные электромагнитные колебания светового диапазона, что открывает совершенно новые возможности в радиосвязи.

1. Действие зеркал

Рефлектором для антенны являлась такая же антенна, расположенная на расстоянии четверти волны и питаемая в опережающей квадратуре либо не присоединенная к источнику,- «пассивная» антенна. В последнем случае отражение оказывалось неполным: антенна с пассивным рефлектором обладает некоторым обратным излучением.

Рис. 1

Между тем, можно представить совершенный пассивный рефлектор в виде расположенной за антенной Р (рис. 1а) идеально проводящей плоскости. Если расстояние Н выбрано так, что при отражении в направлении нормали волна приходит к Р в фазе с прямым излучением, то амплитуда поля в этом направлении удваивается. В случае параллельного отражающей плоскости линейного вибратора (рис. 1б) ее действие эквивалентно находящемуся на расстоянии 2h противофазному вибратору и, следовательно, для удвоения излучения по нормали нужно брать

Применяя рассмотренный принцип на практике, не стремятся к максимально возможному увеличению плоского пассивного рефлектора.

Достаточно (рис, 1в), чтобы края этого антенного зеркала были видны из Р под углом 2α0, внутри которого сосредоточено все или почти все обратное (270° > а > 90°) излучение антенны Р. Тогда обратное излучение антенны с зеркалом будет пренебрежимо мало.

В дальнейшем при изучении антенных зеркал будем предполагать, что все размеры системы - в том числе и расстояние облучателя от зеркала - значительно превосходит длину волны, так что применимы правила геометрической оптики.

Рис. 2

Следя за ходом лучей, отраженных от плоского зеркала (рис.2а), легко заметить, что угловая ширина пучка лучей, падающего на зеркало, при отражении сохраняется. На (рис.2б) для сравнения показано кривое зеркало, поверхность которого специально выбрана с тем расчетом, чтобы пучок лучей, расходящийся из Р, превратить в параллельный - с угловой шириной 2а0 = 0°. Такое зеркало создает синфазное поле в своем плоском раскрыве, след которого показан пунктиром на рис.б. В зависимости от характера облучающей антенны оно более или менее близко к полю в раскрыве идеальной поверхности антенны.

Параболическое зеркало. Покажем, что изображенный на рис.3 профиль зеркала, собирающего расходящийся пучок лучей в параллельный, описывается параболой. На рис. 3 сделаны построения, необходимые для этого вывода. Начало координат совмещено для удобства с точечным облучателем зеркала Р.

Рис. 3

Профиль зеркала можно было бы найти из условия, что при отражении от его поверхности должен выполняться закон Снеллиуса: угол отражения равен углу падения. Это привело бы к дифференциальному уравнению кривой. Но проще задаться равенством всех оптических путей из начала координат до плоскости х = 0:

Рассматривая центральный луч, видим, что

Учитывая также равенства

имеем

откуда после простых преобразований получается уравнение параболы

где

Величина f называется фокусным расстоянием параболического зеркала.

Уравнение можно записать и в полярных координатах, сделав в выражении

замену

Оно имеет вид

Рис. 4

На рис. 4 введены следующие обозначения: диаметр параболического зеркала D, глубина d и угол раскрыва 2α0; зеркало рис.4а, для которого называется длиннофокусным, а зеркало рис.4б -короткофокусным, так как для него

Внося в (5.69) координаты края зеркала находим следующее соотношение, связывающее его линейные размеры с фокусным расстоянием:

Рис.5

Как видно из рис. 5

С учетом это выражение можно переписать в виде

В антенной технике применяются зеркала в виде параболоида вращения (рис. 5a), а также в виде параболического цилиндра (рис.5б). В первом случае облучателем служит точечная, а во втором - линейная антенна. Соответственно нужно рассматривать как меридиональное сечение параболоида вращения либо как сечение параболического цилиндра плоскостью, к которой линейный облучатель нормален.

2. Влияние фазовых отклонений

Подобно тому как это было сделано при рассмотрении линз, выясним ряд вопросов, связанных с влиянием фазовых искажений в раскрыве антенны. Обычно в раскрыве зеркала допускается фазовое отклонение Δφ= π/2.

Рис.6

На рис.6а показано изменение хода центрального и крайнего лучей при смещении облучателя зеркала вдоль фокальной оси. Разность их фаз в раскрыве есть

откуда допустимое смещение равно

Смещение облучателя – не единственная причина фазового отклонения в раскрыве, поэтому принято брать Δφ = π/8

Тогда

Выбор необходимой точности изготовления зеркала поясняется рис.6б, где пунктиром показан требуемый профиль зеркала, а сплошной линией -фактически выполненный. Составляя разность хода лучей и соответствующую разность фаз

(Δ-отклонение некоторой точки поверхности зеркала вдоль луча точечного источника), получаем следующее выражение для линейного допуска:

и если разрешается Δφ = π/8, то

Наименьшее отклонение допускается в центре зеркала зеркала (а' = 0):

Итак, по краям зеркало может быть сильнее деформировано без существенного ухудшения его свойств.

3. Направленность действия параболического зеркала

Поле излучения, создаваемое зеркалом, в принципе можно найти, зная наведенный облучателем на его поверхности электрический ток. Вместо тока на «освещенной» стороне можно рассматривать поле в плоскости раскрыва, которое заменяется электрическим и магнитным эквивалентными поверхностными токами либо распределением источников типа элемента Гюйгенса. Однако и для определения тока на поверхности зеркала, и для нахождения поля в его раскрыве нет иного практического приема, кроме предположения, что каждый элемент зеркала действует как элемент плоскости, что, естественно, дает лишь приближенный результат. При этом, в частности, не учитываются краевая дифракция и токи на «неосвещенной» стороне зеркала.

Согласно известному правилу плотность поверхностного тока зеркала есть

где Нs — магнитное поле на металлической поверхности.

Рис. 7

Каждый ее элемент, как уже отмечалось, принимается за участок бесконечной плоскости, и соответственно этому Нs находится как удвоенная (при отражении) касательная к зеркалу компонента магнитного поля облучателя Н:

По известной характеристике направленности облучателя (обычно считают, что зеркало находится в его дальней зоне) вычисляют распределение тока на всем зеркале. Затем поле излучения зеркала находится как суперпозиция полей всех излучающих элементов. Это можно сделать как путем непосредственного интегрирования полей, создаваемых токами зеркала в дальней зоне, так и при помощи векторного потенциала.

Второй способ определения направленности действия зеркальной антенны, при котором исходят из поля в его раскрыве, называется «апертурным». Пусть рассматривается зеркало в виде параболоида вращения, и поле в раскрыве по известной характеристике облучателя уже найдено. Объяснению дальнейших действий служит рис.7, на котором дальнее поле описывается в сферических координатах (r, υ, α), а поле в раскрыве — в штрихованных сферических координатах (r, 90°-ύ, α'). Дальняя точка наблюдения М (r, υ, α) лежит в плоскости α = 0, являющейся также плоскостью чертежа. Начало координат находится в центре раскрыва, и соответственно этому в раскрыве υ' = 90°,

Пусть комплексная амплитуда электрического поля излучения в точке М (r, υ , 0), создаваемого элементом раскрыва в окрестности точки Р (r', 0, α'), есть

где q(r', α') - взятая с требуемой амплитудой функция плотности источников в раскрыве . Как видно из рис. 7,

причем

Учитывая это и интегрируя dЕm по раскрыву, имеем следующее выражение для электрического поля дальней зоны антенны в плоскости α = 0:

Для получения простого результата идеализируем задачу, взяв qm(r', α') = e0 const, т. е., в сущности, приняв раскрыв зеркала за идеальную поверхностную антенну в форме круга. Тогда