Расчет малошумящей параболической антенны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоммерческое акционерное общество

«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

Кафедра Радиотехники

Курсовая работа

Специальность 5В071900 Радиотехника, электроника и телекоммуникации

на тему: «Расчет малошумящей параболической антенны»

Алматы 2015

Содержание

• Введение
• 1. Определение геометрических размеров параболического зеркала
• 1.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта и коэффициента полезного действия
• 1.2 Определение диаметра раскрыва
• 1.3 Аппроксимация аналитического вида ДН
• 1.4 Оптимизация геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум. Определение угла раскрыва и фокусного расстояния
• 1.5 Определение шумовой температуры антенной системы
• 2. Расчет геометрических и электродинамических характеристик облучателя
• 2.1 Определение геометрических размеров облучателя
• 2.2 Распределение поля в апертуре зеркала
• 3. Расчет пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны
• 4. Конструктивный расчет антенны
• 4.1 Расчет профиля зеркала
• 4.2 Выбор конструкции зеркала
• 4.3 Определение допусков на точность изготовления
• 4.4 Сопоставление расчетного и заданного уровня боковых лепестков
• Вывод
• Список литературы

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.

Техническое задание

1. Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта Т_афу и КПД.

2. Расчет геометрических параметров параболоида:

а) диаметров раскрыва;

б) оптимизация геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум;

в) аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида cos^n/2Ш и выбор числа n;

г) определение угла раскрыва и фокусного расстояния.

3. Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя.

4. Расчет распределения поля в апертуре зеркала.

5. Расчет ДН параболической антенны.

6. Конструктивный расчет антенны:

а) расчет профиля зеркала;

б) выбор конструкции зеркала;

в) определение допусков на точность изготовления зеркала и установки облучателя.

7. Сопоставление расчетного и заданного уровня боковых лепестков, выработка рекомендации для обеспечения соответствия этих уровней.

Исходные данные

1. Рабочая частота f = 5 (ГГц);

2. Ширина ДН на уровне половинной мощности 2И^Н_0,5 = 51 (мрад); 2И^Е_0,5 = 56 (мрад);

3. Тип облучателя - Полуволновой вибратор с контррефлектором в виде стержня;

4. Уровень боковых лепестков = -20 (дБ);

5. Средняя яркостная температура неба Т_нср = 5 (⁰К);

6. Температура шумов приемника Т_пр = 2200 (⁰К);

7. Длина фидерной линии l_ф = 13 (м);

1. Определение геометрических размеров параболического зеркала.

1.1 Выбор фидера

Определение шумовой температуры фидерного тракта Т_афу и коэффициента полезного действия з.

Определение шумовой температуры фидерного тракта Т_афу и КПД производится по формулам:

,

где б - коэффициент затухания линии передачи, дБ/м;

l_ф - длина фидерной линии, м.

Для заданной рабочей частоты определяем коэффициент затухания линии передачи и параметры коаксиального кабеля РК-100-7-11.

дБ/м;

дБ?К.

Отсюда найдем з:

>

1.2 Определение диаметра раскрыва

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



Рисунок 1 - Зеркальная параболическая антенна

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

где _0.5 - ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности, рад.;

- длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;

R₀ - радиус раскрыва зеркала (рисунок 1).

Однако добиться равномерного возбуждения раскрыва практически не удается. Известно, что КНД зеркальной антенны имеет наибольшую величину в том случае, если амплитуда возбуждающего поля на краю раскрыва составляет не менее одной трети от амплитуды поля в центре раскрыва.

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 ^Е_0.5, ^Н_0.5 - ширина ДН соответственно в плоскостях Е и Н.

В связи с тем, что в задании имеются данные о ширине ДН в обеих плоскостях можно определить диаметр раскрыва d_р=2?R₀ причем из полученных двух значений диаметра следует выбрать наибольшее.

Определим длину волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала:

По известным значениям ширины ДН в плоскости H и E найдем радиус раскрыва зеркала.

В плоскости H:

В плоскости E:

Для определения диаметра раскрыва выберем R₀ = 0,692 м

.

1.3 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R_of_o КНД наибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы направленности облучателя и от отношения R_of_o. При уменьшении отношения R_of_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 (рисунок 2); оптимальное значение R_of_o определяется по аппроксимированной нормированной ДН облучателя (аппроксимация функцией вида , где n определяет степень вытянутости ДН облучателя).

Рисунок 2 - Варианты размещения облучателя

Для вибратора с контррефлектором в виде стержня n=2, т. е. нормированная диаграмма направленности аппроксимируется функцией вида (рисунок 3).



Рисунок 3 - Аппроксимированная ДН облучателя

1.4 Оптимизация геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум. Определение угла раскрыва и фокусного расстояния

• параболический зеркало антенна фидер
• С точки зрения оптимизации геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум необходимо произвести следующий расчет.
• Чувствительность г определяется формулой
• ,
• где первые четыре коэффициента не зависят от Ш₀, а г' вычисляется:
• где Т₁ = Т_{пр. +}Т_о·(1 - з) + з·Т_нср,
• ,
• Т_о=290^о К,
• u = (0.02 - 0.03) - коэффициент, учитывающий «переливание» части мощности облучателя через края зеркала (примем u=0.25),
• S - площадь апертуры зеркала,
• n определяется типом облучателя (для вибратора с контррефлектором в виде стержня n=2),
• ₁=1- cosⁿ⁺¹,
• При n=2 g определяется по формуле:

• Построим график зависимости с шагом изменения угла раскрыва Ш 5° (рисунок 4).
• Рисунок 4 - График зависимости .
• По максимуму построенной графически функции определяем угол раскрыва зеркала, т. е
• Фокусное расстояние f₀ может быть рассчитано на основе следующего соотношения:
• ,
• ,
• .

1.5 Определение шумовой температуры антенной системы

,

где u=0.25,

₁=1- cosⁿ⁺¹₀=0.971.

.

2. Расчет геометрических и электродинамических характеристик облучателя

2.1 Определение геометрических размеров облучателя

Расчет сводится 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.

Конструкция полуволнового вибратора с контррефлектором в виде стержня представлена на рисунке 5. Для него 2l?л/2, расстояние d выбирается в диапазоне 0.1<d/л<0.25, а длина контррефлектора 2а?(1.05-1.1)2l.

Рисунок 5 - Симметричный полуволновой вибратор с контррефлектором в виде стержня

л=0,075 м > d=0.015 м (d/л=0.2)

2l?л/2=0.038 м (l=0.019 м)

2а=1.1^.2l=0.084 м

Диаграммы направленности полуволнового вибратора с контррефлектором в виде стержня рассчитываются по формулам:

В плоскости E



В плоскости H

где - отношение амплитуд токов в пассивном и активном вибраторах,

- сдвиг фаз между этими токами,

- волновое число.

Значения активной R₁₂ и реактивной X₁₂ составляющих взаимного сопротивления, а также активной R_У22 составляющей сопротивления излучения контррефлектора определяются по графикам.

R₂₂=10 Ом, R₁₂=37 Ом, X₁₂=-15 Ом.

Необходимая величина X_У22 может быть обеспечена подключением реактивного шлейфа и определяется из условия .

Значения функций диаграмм направленности в E и H- плоскостях:



Рисунок 6 - ДН в плоскости Е



Рисунок 7 - ДН в плоскости Н.

2.2 Распределение поля в апертуре зеркала

Расчет распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам:

; ,

где - ДН облучателя; - угол раскрыва; - текущий угол.



Рисунок 8 - График зависимости напряженности поля в апертуре зеркала.

3. Расчет пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны

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

Где J₁ и J₂ - цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка;

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

Е_кр, E_max - амплитуды поля на краю и в центре раскрыва.

Значения функций пространственной диаграммы направленности в E и H- плоскостях:

Рисунок 9 - Пространственная ДН зеркальной параболической антенны в плоскости Е.



Рисунок 10 - Пространственная ДН зеркальной параболической антенны в плоскости Н.

Приближенно коэффициент направленного действия зеркальной антенны определяется выражением:

Точное определение параметров антенны.

Коэффициент использования поверхности

, где , - точность выполнения профиля зеркала (обычно в пределах 0,4^.10^-3-10^-5).

Эффективная площадь антенны

Коэффициент направленного действия



Коэффициент усиления антенны

4. Конструктивный расчет антенны

4.1 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 ш,с - полярные координаты, f₀=1.934 м - фокусное расстояние.

Ш изменяется от -Ш₀ до Ш₀.

Рисунок 11 - Профиль зеркала.

4.2 Выбор конструкции зеркала

С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность зеркала часто выполняется перфорированной или сетчатой. Возьмем за основу сетчатую поверхность зеркала.

Рисунок 12 - Сетчатая поверхность зеркала.

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

где Р_пад, Р_обр - мощность излучения в обратном направлении и падающего на зеркало, соответственно.

Двухлинейная сетка работает удовлетворительно при расстоянии между проводниками меньше 0.1 и диаметре проводов не менее 0.01.

Расстояние между проводниками .

Диаметр проводов .

4.3 Определение допусков на точность изготовления

Неточность изготовления зеркала вызывает несинфазность поля в раскрыве. Допустимыми являются фазовые искажения поля в раскрыве зеркала не более /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 обозначим через .

Рисунок 13 - Допуски на точность изготовления зеркала

Путь луча, отраженного от неровности в месте наибольшего отклонения от изменяется при этом на величину + cos, а соответствующий сдвиг фаз составит величину =(1+cos), и он не должен превышать величину /4, отсюда получаем:

,

.

Анализ полученного выражения для показывает, что вблизи центра параболоида () необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной поверхности не должно превосходить величины /16, у кромки параболоида требования к точности получаются наименьшими.

Точность установки облучателя также определяется нормами на наибольшие допустимые фазовые искажения поля в раскрыве. Пусть фазовый центр облучателя смещен на x (Рисунок 14).

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 x cos. Тогда изменение фазы составит величину:

,

где ₀, _а - фазовые искажения в центре и на краю раскрыва соответственно, возникающие из-за неточности установки облучателя.

Эта величина не должна превышать /4, отсюда получаем, что

,

.

Таким образом, с увеличением угла раскрыва точность и установка облучателя в фокусе повышается.



Рисунок 14 - Допуски на точность установки облучателя

4.4 Сопоставление расчетного и заданного уровня боковых лепестков

Для сопоставления из графиков пространственных ДН параболической антенны (рисунки 9, 10) определим уровень боковых лепестков:

для плоскости Н: ,

Сравнивая полученное значение УБЛ с исходными данными из задания, определим погрешность: .

Для плоскости Е:

Погрешность

Также, из графиков пространственных ДН (рисунок 9, 10) определим ширину диаграммы направленности:

Для плоскости Н:

Для плоскости Е:

Сравним полученные данные с заданными и определим погрешность:

- отклонение в плоскости Н.

- отклонение в плоскости Е.

Из сравнений видно что УБЛ расчетный намного больше заданного значения. Для улучшения уровня БЛ применяют следующие методы:

1. диэлектрические стержни выбирают конической формы

2. используют специальные экраны, ослабляющие рассеваемое поле

3. используют выносные защитные экраны.

Вывод

В данной курсовой работе была спроектирована параболическая антенна с облучателем в виде полуволнового вибратора с контррефлектором в виде стержня. При расчете геометрических и электродинамических характеристик облучателя и параболоида исходные данные немного отклоняются от вычисленных значений: отклонение ширины ДН на уровне половинной мощности в плоскости E составляет менее 2,7%, а в плоскости H - менее 17%. Причиной этому явилась идеализация устройства (использовалась идеальная модель), использование аппроксимации при вычислениях. В реальных системах необходимо учитывать воздействие многих посторонних факторов, влияние которых может существенно повлиять на результат расчётов.

Однако внесение некоторых преобразований (уменьшение радиуса параболоида до м) позволяет прийти к компромиссу. При этом значении отклонения ширины ДН на уровне половинной мощности в плоскостях H и E составляет менее 3%.

Список литературы

1. Гончаров В.Л. Методические указания и задание к выполнению курсовой работе. Алматы: АИЭС - 2007

2. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток/ Под ред. проф. Д.И. Воскресенского. - М.: Советское радио, 1994.

3. Кочержевский Г.М., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. - М.: Радио и связь, 1989.

4. Регламент радиосвязи. Т.1. - М.: Радио и связь, 1995.

5. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1988.

6. Спутниковая связь и вещание/ Под ред. Кантора Л.А. - М.: Радио и связь, 1987.

7. Хмель В.Ф., Чаплин А.Ф., Шумлянский И.И. Антенны и устройства СВЧ. - Киев: Вища школа, 1990.

Размещено на Allbest.ru

...