Расчет параболической антенны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное Агентство по образованию РФ

ВлГУ

Кафедра РТ и РС

Курсовой проект

По дисциплине: "Антенны и устройство СВЧ"

На тему: "Расчет параболической антенны"

Выполнил: ст. гр. РТ-102

Кузин С.В.

Проверил:

Садовский Н.В.

Владимир

2005 г.

Вариант № 8

Задание

Длинна волны, см. - 18.

Требование к ДН: КНД---, ??_Е=??_Н=2.

Р, кВт - 700.

Поляризация - линейная.

Узел для разработки - Стационарная, зеркало.

Оглавление

1. Введение

2. Анализ технического задания

3. Выбор волноводного тракта

4. Выбор облучателя

5. Расчет основных геометрических размеров антенны

6. Расчет амплитудного распределения (АР) в раскрыве зеркала

7. Расчет ДН

Список литературы

1. Введение

Мы будем проектировать однозеркальную параболическую антенну, выполненную в виде параболоида вращения.

Зеркальные антенны являются наиболее широко распространенным типом антенн в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазонах волн. Такое широкое применение зеркальных антенн объясняется относительной простотой их конструкции, возможностью получения диаграммы направленности почти любого типа из применяемых на практике, высоким КПД, малой шумовой температурой и т.д.

Классическими являются параболические антенны, которые могут выполняться в виде параболоида вращения, параболического цилиндра или закрытой конструкции, ограниченной параллельными проводящими плоскостями. Параболоид вращения возбуждается слабонаправленным облучателем (например, рупором), помещенным в фокусе зеркала, и преобразует сферический фронт волны в плоский. Параболический цилиндр возбуждается линейной антенной, помещенной на фокальной линии, и преобразует цилиндрический фронт волны в плоский. В этих антеннах, так же как и в линзах, используются оптические свойства радиоволн. Геометрические свойства параболы таковы, что лучи, направляемые из фокуса и отражаемые от параболы, становятся параллельными ее оси. Длина пути от фокуса до параболы и затем до линии раскрыва, проходящей через края параболы, одинакова для любого угла . Таким образом, в раскрыве параболической антенны образуется синфазная поверхность, и излучение антенны оказывается остронаправленным.

В декартовой системе координат параболоид вращения определяется уравнением (начало координат совпадает с вершиной параболоида) x²+y²=4fz, а в сферической системе координат (начало координат совпадает с фокусом параболоида) - уравнением () = 2f/(1+cos)/.

Различают длиннофокусные и короткофокусные антенны. В длиннофокусной антенне фокус расположен вне антенны fD_з/4 и угол раскрыва 2_max, под которым края зеркала видны из фокуса, удовлетворяет условию 2_max. В короткофокусных антеннах фокус находится внутри объема между зеркалом и его раскрывом, т.е. f D_з/4 и 2_max.

3. Выбор волноводного тракта

Для того чтобы выбрать волновод, рассчитаем частоту:

?=с/?=3*10⁸/0.18=1.66 ГГц.

Исходя из полученного значения частоты и известной длинны волны, используя таблицу английских стандартов прямоугольных волноводных трактов, выбираем волновод WG 7, со следующими техническими характеристиками:

Ширина "а" - 129.54 мм.

Высота "б" - 64.77 мм.

Рекомендуемый рабочий диапазон - ?=(20.7?13.6) см, ?=(1.45?2.20) ГГц.

Затухание, дБ/100 футов - 0.222.

Допустимая мощность в кВт - 8290.

4. Выбор облучателя

В качестве облучателя был выбран пирамидальный рупорный облучатель со следующими геометрическими размерами, приведенными для длинны волны равной ?=3.2 см.

Рис. 1. Геометрия пирамидального рупора

а=23 мм, а_р=27 мм, б=10 мм, б_р=24 мм, L=30 мм.

Так как данные размеры приведены для ?=3.2 см, то вычисляем коэффициент, для этого разделим ? ₁₈/ ? _3.2 = 5.6 и умножим приведенные размеры на полученный коэффициент. Следовательно, пирамидальный рупорный облучатель для ?=18 см будет иметь следующие геометрические размеры:

а=128.8 мм, а_р=151.2 мм, б=56 мм, б_р=134.4 мм, L=168 мм.

Данный облучатель был выбран потому что его ДН в обоих плоскостях одинакова, что подходит для моего условия ??_Е=??_Н=2. ДН облучателя по мощности взята из учебника [Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств.-М: Энергия, 1966.]. ДН приведена на рис. 2.

5. Расчет основных геометрических размеров антенны

КНД антенны равен:

.

Эффективная площадь антенны будет равна:

.

Найдем общую площадь антенны:

,

где КИП, это коэффициент использования поверхности (КИП=0.6). Следовательно, получаем что:

.

Определим радиус антенны. Так как площадь антенны есть площадь круга, то:

, откуда:

.

Найдем фокус антенны:

,

где ?, это угол под которым виден край зеркала: ?=70⁰.

В декартовой системе координат параболоид вращения определяется уравнением (начало координат совпадает с вершиной параболоида) x²+y²=4fz.

,

где X=R, а Z есть расстояние от края зеркала до облучателя.

Найдем глубину зеркала:

.

Профиль параболоида, представлен на рис. 3.



Рисунок 3. "Профиль параболоида вращения"

6. Расчет амплитудного распределения (АР) в раскрыве зеркала

Расчет амплитудного распределения произведем с помощью программы AROUND. Т.к. зеркало находится в ДЗ от облучателя, то облучатель создает сферическую волну, которая после отражения от зеркала становится плоской. антенна волновод облучатель проектирование

Распределение возбуждения в раскрыве зеркала зависит от типа зеркала и ДН облучателя. Угловое распределение возбуждения в раскрыве определяется соотношением:

g(?)=F_обл(?)cos²(?/2).

Чтобы представить АР как функцию координаты плоского раскрыва, воспользуемся уравнением параболы.

x=2f tg(?/2), откуда ?=arctg(x/2f).

Для построения графика АР необходимо, изменяя ? от 0⁰ до значения ?, под которым виден край зеркала, вычислить g(?).

?	F(?)	g(?)
10	0.95	0.94
20	0.88	0.85
30	0.77	0.72
40	0.65	0.57
50	0.52	0.43
60	0.41	0.31
70	0.316	0.21

Так как программа AROUND запрашивает истинное АР относительно нормированной координаты х/D, то рассчитаем g(?) в зависимости х/D.

XA	?0	F(?)	g(?)
0.1	32	0.760	0.702
0.2	51	0.510	0.415
0.3	61	0.385	0.286
0.4	68	0.315	0.217
0.5	70	0.300	0.201

Нормированное амплитудное распределение может быть представлено в виде пяти парциальных:

1- равномерного с весом р1;

2- квадратичной параболы с весом р2;

3- квадратичной параболы в квадрате с весом р3;

4- квадратичной параболы в кубе с весом р4;

5- линейно убывающего до нуля на краю с весом р5.

При подборе были выбраны следующие веса:

р1=0,15.

р2=0,15.

р3=0,1.

р4=0,1.

р5=0,5.

Сумма весов должна быть единицей:

.

ХА, см	Gi	GA	Gi - GA
0.025	0.951	0.973	-0.022
0.050	0.878	0.944	-0.066
0.075	0.791	0.911	-0.119
0.100	0.702	0.875	-0.173
0.125	0.616	0.836	-0.220
0.150	0.538	0.795	-0.256
0.175	0.471	0.751	-0.280
0.200	0.415	0.706	-0.291
0.225	0.370	0.659	-0.289
0.250	0.335	0.611	-0.276
0.275	0.308	0.562	-0.254
0.300	0.286	0.513	-0.227
0.325	0.268	0.464	-0.197
0.350	0.251	0.416	-0.165
0.375	0.234	0.368	-0.134
0.400	0.217	0.322	-0.105
0.425	0.202	0.276	-0.075
0.450	0.190	0.233	-0.043
0.475	0.188	0.191	-0.003
0.500	0.201	0.150	0.051

Параметры введенного (MG_i, NG_i) и аппроксимирующего (MG_А, NG_А) АР их разности MG_i - MG_А, NG_i - NG_А и отличие в процентах таковы:

MG_i= 0.3045, MG_А=0.4504; MG_i - MG_А=-0.1459, %

(MG_i - MG_А)/ MG_i = -47.91;

NG_i= 0.1161, NG_А=0.2501, NG_i - NG_А=-0.1340, %

(NG_i - NG_А)/ NG_i = -115.44.

Коэффициенты использования поверхности введенного АР КИП_i=0.799 и аппроксимирующего АР КИП_А=0.811.

Найденному аппроксимирующему АР без учета тени соответствуют следующие значения коэффициентов:

КРЛ = 1.19, КИП_А=0.811, KQ=70, УБЛ (дБ) = -29.3, УБЛ_(отн)=0.0341.

Графики АР и ААР приведены на рис. 4.

7. Расчет ДН

Расчет ДН рассчитанной антенны, так же производится с помощью программы AROUND.

Нам нужно построить две ДН: 1. Без учета тени и 2. С учетом тени. Для этого нам нужно рассчитать диаметр тени.

.

1. Без учета тени

teta	F
0.0	1.0000
0.2	0.9870
0.4	0.9488
0.6	0.8874
0.8	0.8060
1.0	0.7088
1.2	0.6009
1.4	0.4875
1.6	0.3741
1.8	0.2659
2.0	0.1644
2.2	0.0792
2.4	0.0092
2.6	-0.0439
2.8	-0.0799
3.0	-0.0994
3.2	-0.1042
3.4	-0.0967
3.6	-0.0798
3.8	-0.0568
4.0	-0.0310
4.2	-0.0053
4.4	0.0178

2. С учетом тени

teta	F
0.0	1.0000
0.2	0.9870
0.4	0.9489
0.6	0.8875
0.8	0.8062
1.0	0.7092
1.2	0.6014
1.4	0.4881
1.6	0.3748
1.8	0.2667
2.0	0.1653
2.2	0.0802
2.4	0.0103
2.6	-0.0428
2.8	-0.0787
3.0	-0.0982
3.2	-0.1030
3.4	-0.0955
3.6	-0.0786
3.8	-0.0557
4.0	-0.0299
4.2	-0.0042
4.4	0.0189

Оба графика приведены на рис. 5 и рис. 6.

С помощью графика определяем угол ДН на уровне 0.707. Он равен ? = 1.005, следовательно ??_Е=??_Н=2*1.005=2.01, что практически совпадает с данным условием ??_Е=??_Н=2.

8. Расчет КИП антенны

Полный КИП параболической антенны состоит из нескольких сомножителей:

КИП=КИП_А* КИП_Р*КИП_Т

КИП_А - КИП раскрыва апертуры.

КИП_Р - КИП рассеяния.

КИП_Т - КИП тени.

Откуда получаем, что:

.

КИП_А=0.811.

,

где,

.

В результате получаем, что КИП_Р=0.752.

Следовательно:

9. Узел для разработки: зеркало

В целях облегчения зеркала, а так же уменьшения давления ветра на него, зеркало изготавливают из перфорированных листов.

Для характеристики работы такого зеркала, применяют коэффициент прохождения:

,

где: r-радиус отверстия.

S_?=N•?•r² - суммарная площадь всех отверстий.

S - площадь зеркала.

Диаметр отверстий не должен превышать 0.3?, расстояние между центрами отверстий надо выбирать в пределах от ?/2 до ?.

Зеркало можно считать хорошим, если Т не превышает 1 %.

Для нашего зеркала возьмем 2000 отверстий: r = (0.3*0.18)/2 = 0.027, и расстоянием между центрами отверстий s = 0.09, тогда получим, что:

.

Размещено на Allbest.ru

...