Малошумящие однозеркальные параболические антенны

Дисциплина: Автоматизация, Техника
Тип работы: Реферат
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 13 страниц
В избранное:

РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН

АЛМАТИТНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ И СВЯЗИ

Кафедра Радиотехники

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн»

на тему: “Малошумящие однозеркальные параболические антенны”

Выполнил:

студент группы ССПС-01-2

Дементьев А. И.

№ З. К. 013309

Проверил:

Доцент каф. Радиотехники

Гончаров В. Л.

Алматы 2004

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Рабочая частота f, ГГц. . . 5, 0

Ширина ДН на уровне половины мощности 2Θ _{0, 5} ^Н , мрад . ……. 77

Ширина ДН на уровне половины мощности 2Θ _{0, 5} ^Е , мрад . …. 82

Уровень боковых лепестков, дБ . . . - 29

Средняя яркостная температура неба Т _НСР , ^° К . 5

Температура шумов приёмника Т _пр , ^° К . 1500

Длина фидерной линии l _ф , м. . . . . 13

Тип облучателя . . . . Открытый конец прямоугольного волновода

Содержание

Техническое задание 2

Содержание 3

Введение 4

1 Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя и параболоида:

выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта; 5
определение диаметра раскрыва; 5
аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида

cos ^n/2 Ψ; 6

определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны. 6

2 Расчет геометрических и электродинамических характеристик поля:

диаграммы направленности облучателя; 8
распределение поля в апертуре зеркала. 9

3 Расчет пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны. 10

4 Конструктивный расчет антенны:

расчет профиля зеркала; 12
выбор конструкции зеркала; 13
определение допусков на точность изготовления. 14

Выводы 15

Список литературы 17

Приложение А 18

Введение

Параболические антенны в последнее время находят все более широкое применение в космических и радиорелейных линиях связи. В 1888 году известный немецкий физик Г. Герц в своих опытах по СВЧ оптике впервые применил в качестве фокусирующего устройства параболический цилиндр. Интерес к зеркальным антеннам не ослабевает и в наши дни в связи со стремительным развитием космических радиотехнических систем и комплексов. Достаточная простота и легкость конструкции, возможность формирования самых разнообразных диаграмм направленности, высокий КПД, малая шумовая температура - вот основные достоинства, зеркальных антенн, обуславливающих их широкое применение в современных радиосистемах. Целью данной курсовой является освоение методики проектирования зеркальных параболических антенн: определение их основных электродинамических параметров и конструктивный расчет. В курсовой работе определение поля излучения параболической антенны производится апертурным методом, который широко применяем при проектировании зеркальных антенн.

1 Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя и параболоида:

выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта

В качестве фидера будем использовать прямоугольный волновод для частоты f = 5 ГГц ([1], приложение А) :

a x b = 4. 0 x 2. 0 (см) ;

α = 0. 0431 (дБ/м) .

Шумовая температура фидерного тракта Т _афу определяется по формуле:

,

где α - коэффициент затухания линии передачи [дБ/м],

l _ф - длина фидерной линии [м] .

КПД определяется по формуле:

определение диаметра раскрыва

Зеркальная антенна - направленная антенна, содержащая первичный излучатель и отражатель антенны в виде металлической поверхности. Параболическая зеркальная антенна представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зеркальная параболическая антенна

В случае равномерно возбуждённого раскрыва параболического зеркала ширина ДН приближённо определяется:

, где

2Θ _{0. 5} - ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности, рад. ;

λ - длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;

R ₀ - радиус раскрыва зеркала (рисунок 1) .

Длина волны определяется по формуле:

Неравномерное возбуждение раскрыва зеркала приводит к некоторому расширению главного лепестка ДН, так как уменьшается эффективная площадь раскрыва. Чаще всего диаграммы направленности зеркальных антенн не обладают осевой симметрией, т. е. ширина главного лепестка в плоскостях Е и Н различна. В большинстве практических случаев это влечёт за собой следующее изменение:

, где

2Θ ^Е _{0. 5} , 2Θ ^Н _{0. 5} ширина ДН соответственно в плоскостях Е и Н.

Для Е и Н плоскостей соответственно найдем радиус раскрыва:

Т. к. в курсовой имеются данные о ширине диаграммы направленности в обеих плоскостях, можно определить диаметр раскрыва d _p = 2 ⋅ R ₀ , причем из полученных двух значений диаметра следует выбрать наибольшее. Следовательно, R ₀ = 0, 476(м) .

d _p = 2 ⋅ R ₀ = 2 ⋅ 0, 476 = 0, 952 (м)

аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида cosn/2Ψ

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R _o /f _o КНД наибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы направленности облучателя и от отношения R _o /f _o . При уменьшении отношения R _o /f _o от оптимального КНД уменьшается, так как увеличивается часть энергии, проходящей мимо зеркала. С другой стороны, увеличение этого отношения также приводит к уменьшению КНД в связи с более сильным отклонением закона распределения возбуждения от равномерного; оптимальное значение R _o /f _o определяется по аппроксимированной нормированной ДН облучателя (аппроксимация функцией вида F(θ) =cos ^n/2 (θ), где n определяет степень вытянутости ДН облучателя) . Для облучателя в виде пирамидального рупора n = 6 ([1], таблица 4. 1) .

определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны

С точки зрения оптимизации геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум необходимо произвести следующий расчет.

Чувствительность γ определяется по формуле:

Где первые четыре коэффициента не зависят от ψ _о , а γ ^' вычисляется:

, где

Т ₁ = Т _пр + Т ₀ ⋅ (1 - η) + η ⋅ Т _нср = 1500 ⋅ 290 ⋅ (1 - 0. 871) + 0. 871 ⋅ 5 = 1542 К

Т _о = 290 К;

u = (0. 02 - 0. 03) - коэффициент, учитывающий «переливание» части мощности облучателя через края зеркала;

u = 0. 025;

S = π ⋅ R ² = 3. 14 ⋅ 0, 476 = 0, 712 м ² , площадь апертуры зеркала;

n = 6 - определяется типом облучателя;

α ₁ = 1 - cos ⁿ⁺¹ Ψ ₀ ;

σ _а /2R = 0. 4 ⋅ 10 ^-4 - точность профиля зеркала.

Построим график функции γ`(Ψ ₀ ), по максимуму которого определим угол раскрыва зеркала.

График 1 - График функции γ`(Ψ ₀ )

Ψ ₀ = 0. 82 (рад) = 46, 983° ⇒ α ₁ = 0, 931, g = 0, 877, γ` = 5, 216⋅10 ^-4 .

Фокусное расстояние f может быть найдено из следующего соотношения:

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R ₀ /f ₀ КНД наибольший. Заданный интервал отношения R ₀ /f ₀ = (0. 8÷1. 0) . Расчетное отношение R ₀ /f ₀ = 0. 89, что удовлетворяет условию.

Определим шумовую температуру антенной системы:

2 Расчет геометрических и электродинамических характеристик поля:

диаграммы направленности облучателя

Расчет сводиться к определению геометрических размеров облучателя, при которых уменьшение амплитуды поля на краю раскрыва зеркала происходит до одной трети амплитуды поля в центре раскрыва, и диаграммы направленности облучателя.

Рисунок 3 - открытый конец прямоугольного волновода

ДН рупорной антенны рассчитываются по формулам:

в Е плоскости

в Н плоскости , где

β ₀ = 2⋅π/λ - волновое число

-аппроксимация аналитического вида ДН облучателя

Т. к. Ro-радиус раскрыва зеркала, был вычислен по приблизительной формуле он не удовлетворяет вычислениям, вследствие чего я выбрал Ro=0, 407 (м) удовлетворяющий дальнейшим вычислениям.

d _p = 2 ⋅ R ₀ = 2 ⋅ 0, 407= 814 (м) ;

S = π ⋅ R ² = 3. 14 ⋅ 0, 407 = 1, 52 м ² , площадь апертуры зеркала;

График 2- ДН облучателя (открытый конец прямоугольного волновода)

распределение поля в апертуре зеркала

Расчет распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам:

, где

F ₀ (Ψ) - диаграмма направленности облучателя, Ψ ₀ - угол раскрыва, Ψ - текущий угол.

, где

f ₀ - фокусное расстояние.

График 3 - Распределение поля в апертуре зеркала

В данном случае Ψ ₀ - текущий угол, а Ψ - сдвиг фаз между токами.

3 Расчет пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны

Инженерный расчёт пространственной диаграммы направленности ДН параболической антенны часто сводится к определению ДН идеальной круглой синфазной площадки с неравномерным распределением напряжённости возбуждающего поля. В данном случае распределение напряжённости возбуждающего поля в основном определяется ДН облучателя в соответствующей плоскости. Выражение для нормированной ДН зеркальной параболической антенны при этом имеет вид:

, где J ₁ , J ₂ - цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка.

, где

Е _кр , Е _мах - амплитуды поля на краю и в центре раскрыва.

Коэффициент, показывающий во сколько раз амплитуда возбуждающего поля, на краю раскрыва меньше амплитуды в центре раскрыва в соответствующей плоскости с учётом различий расстояний от облучателя до центра зеркала и до края зеркала;

Построим ДН зеркальной параболической антенны:

для плоскости Н

График 4 - Пространственная ДН в плоскости Н

для плоскости Е

График 5 - Пространственная ДН в плоскости Е

Уровень боковых лепестков.

Для плоскости Е

Для плоскости Н

Приближенно коэффициент направленного действия зеркальной антенны определяется выражением:

, где

S - площадь раскрыва;

υ _рез - результирующий коэффициент использования поверхности

Коэффициент использования поверхности:

Эффективная площадь антенны:

Коэффициент направленного действия:

Коэффициент усиления антенны:

4 Конструктивный расчет антенны

Расчет профиля зеркала

Зеркальные антенны имеют наибольший КНД при синфазном возбуждении раскрыва (плоский фазовый фронт волны) . Параболический профиль зеркала обеспечивает одинаковые длины электрических путей от облучателя, установленного в фокусе параболоида вращения, до каждой точки плоскости раскрыва (свойство параболы) . В полярной системе координат парабола описывается уравнением

, где

ρ, Ψ - полярные координаты;

f - фокусное расстояние;

Ψ изменяется от 0 до Ψ ₀ .

График 6- Плоский фазовый фронт волны

Выбор конструкции зеркала

С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность зеркала часто выполняется перфорированной, или сетчатой

Рисунок 3 - Конструкция зеркала

При такой конструкции зеркала часть энергии просачивается сквозь него, образую нежелательное излучение. Допустимым является значение коэффициента прохождения в обратном направлении.

, где

Р _пад , Р _обр - мощность излучения падающего на зеркало и в обратном направлении, соответственно.

Двухлинейная сетка работает удовлетворительно при расстоянии между проводниками меньше 0. 1λ и диаметре проводов не менее 0. 01λ.

d _п = 0. 1 ⋅ 0. 06 = 0. 006 (м) ;

d = 0. 01 ⋅ 0. 06 = 0. 0006 (м) .

Определение допусков на точность изготовления

Неточность изготовления зеркала вызывает несинфазность поля в раскрыве. Допустимыми являются фазовые искажения поля в раскрыве зеркала не более ± π/4. При этом уменьшение коэффициента усиления антенны не превышает нескольких процентов.

Пусть поверхность параболоида имеет некоторые неровности (выступы и углубления) . Наибольшее отклонение от идеальной поверхности в направлении ρ обозначим через Δρ.

Рисунок 4 - Допуски на точность изготовления зеркала

Путь луча, отраженного от неровности в месте наибольшего отклонения от ρ изменяется при этом на величину ∆ρ + ∆ρ ⋅ cosΨ, а соответствующий сдвиг фаз составит величину ∆ϕ = β⋅∆ρ⋅(1+cosΨ), и он не должен превышать величину π/4, отсюда получаем

Анализ полученного выражения для ∆ρ показывает, что вблизи центра параболоида (Ψ = 0) необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной поверхности не должно превосходить величины λ/16 (т. е. 0. 013) у кромки параболоида требования к точности получаются наименьшими. Точность установки облучателя также определяется нормами на наибольшие допустимые фазовые искажения поля в раскрыве. Пусть фазовый облучатель смещен на ∆х. Тогда длины путей лучей от фазового центра до раскрыва увеличиваются. Наибольшее удлинение пути происходит у лучей, падающих на вершину зеркала. Это удлинение путей при малых смещениях можно приблизительно определить как ∆х⋅cosΨ. Тогда изменение фазы составит величину

, где

∆ϕ ₀ , ∆ϕ _а - фазовые искажения _, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать π/4, отсюда получаем: