Малошумящие однозеркальные параболические антенны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Республика Казахстан

Алматинский институт энергетики и связи

Кафедра Радиотехники

Курсовая работа

По дисциплине: Антенно-фидерные устройства

Тема: Малошумящие однозеркальные параболические антенны

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Разработать малошумящую однозеркальную параболическую антенну.

Рабочая частота

Ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности

Тип облучателя: полуволновой вибратор с дисковым контррефлектором,

Уровень боковых лепестков

Средняя яркостная температура неба

Температура шумов приемника

Длина фидерной линии

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. РАСЧЕТ ГЕОМЕРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЛУЧАТЕЛЯ И ПАРАБОЛОИДА

1.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта и КПД

1.2 Определение диаметра раскрыва

1.3 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя

1.4 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния

2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ

2.1 Диаграмма направленности облучателя

2.2 Распределение поля в апертуре зеркала

3. РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ

4. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ АНТЕНЫ

4.1 Расчёт профиля зеркала

4.2 Выбор конструкции зеркала

4.3 Определение допусков на точность изготовления

ВЫВОД

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

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 ГЕОМЕРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЛУЧАТЕЛЯ И ПАРАБОЛОИДА

1.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта и КПД

Выбираем кабель РК-100-7-11 эталонное погонное затухание для него

Для частоты погонное затухание будет

Шумовая температура фидерного тракта определяется по следующей формуле

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

- длина фидерной линии [м]

КПД определяется по следующей формуле

антенны параболический зеркальный проектирование



1.2 Определение диаметра раскрыва

Зеркальные антенны, антенны, в которых для фокусирования высокочастотной электромагнитной энергии используется явление зеркального отражения от криволинейных металлических поверхностей (зеркал). По размерам зеркало значительно превосходит длину волны. Основные модификации З. а. определяются количеством отражателей: известны одно-, двух- и трёхзеркальные антенны. Конструктивно З. а. выполняют в виде металлических или металлизированных поверхностей различной формы. Для снижения массы зеркал и уменьшения давления ветра (парусности) на их поверхность зеркала нередко изготавливают не из сплошного материала, а из сетки проводов или параллельных пластин, а также из перфорированных металлических листов. Применяют З. а. следующих типов: параболические антенны, Кассегрена антенны, рупорно-параболические антенны, сферические антенны, перископические антенны, зеркальные апланатические антенны и др.

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 - ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности, рад.; - длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала; R0 - радиус раскрыва зеркала (рисунок 1).

Длина волны определяется по следующей формуле

,м

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 в плоскостях Е и Н различна. В большинстве практических случаев это влечёт за собой следующее изменение:

где , ширина ДН соответственно в плоскостях Е и Н.

Для Н



м

Для E

м

Определяем из данных выражений радиус :

Выбираем наибольшее значение , а затем диаметр раскрыва антенны

1.3 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида cosn/2

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()=cosⁿ²(), где n определяет степень вытянутости ДН облучателя). Для облучателя в виде симметричного вибратора с контрефлектором в виде диска n = 4 ([1], таблица 4.1).



1.4 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны

С точки зрения оптимизации геометрии антенны по максимальному отношению сигналшум необходимо произвести следующий расчет.

Чувствительность определяется по формуле:

Где первые четыре коэффициента не зависят от о, а ' вычисляется:

- коэффициент, учитывающий «переливание» части мощности облучателя через края зеркала;

Примем

- площадь апертуры зеркала

n = 4, так как вибратор с контрефлектором в виде диска;

Пусть у_а/2R = 0,4 10^-4 - точность профиля зеркала.

Построим график (Рисунок 2) и по максимуму определим угол раскрыва зеркала

Рисунок 2 Зависимость от

	0	0.2	0.4	0.6	0.8	1	1.2
	0.0	11.6	22.9	34.4	45.8	57.3	68.8
	0.0	1.056E-5	3.323E-5	4.705E-5	3.658E-5	1.051E-5	1.39E-6

	1.4	1.6	1.8	2.0	2.2	2.4	2.6
	80.2	91.7	103.1	114.6	126.1	137.5	149.0
	4.174E-5	1.355E-4	2.462E-4	3.14E-4	2.942E-4	1.921E-4	6.789E-5

	2.8	3.0
	160.4	171.9
	2.144E-6	1.282E-5

Таким образом, по максимуму построенной графически функции определяем угол раскрыва зеркала, т. е

Фокусное расстояние f может быть найдено из следующего соотношения:

₁=1- cosⁿ⁺¹₀=0.656.

Определим шумовую температуру антенной системы:

2 РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ

2.1 Диаграмма направленности 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.

Фазовый центр вибратора с контррефлектором в виде диска лежит между вибратором и контррефлектором несколько ближе к последнему. Обычно контррефлекторы выполняются в виде дисков диаметром

при этом ДН имеет форму близкую к диаграмме с осевой симметрией, но, тем не менее несколько отличается от нее. Расстояние между вибратором и контррефлектором выбирается близким к четверти длины волны, а длина вибратора к половине длины волны

Рисунок 3 Симметричный вибратор с контррефлектором в виде диска

Диаграмма такого облучателя в плоскости Е рассчитывается по формуле

Диаграмма такого облучателя в плоскости Н рассчитывается по формуле

Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя

Рисунок 4 Диаграмма направленности облучателя

	0	15	30	45	60	75	90	105	120	135
	1	0,95	0,798	0,563	0,295	0,082	0	0,082	0,295	0,563
	1	0,999	0,978	0,896	0,707	0,395	0	-0,395	-0,707	-0,896
	1	0,933	0,75	0,5	0,25	0,067	0	0,067	0,25	0,5

	150	165	165	180	195	210	225	240	255	270
	0,798	0,95	0,95	1	0,95	0,798	0,563	0,295	0,082	0
	-0,978	-0,999	- 0,99	- 1	- 0,99	- 0,97	- 0,89	- 0,70	- 0,39	10-15
	0,75	0,933	0,933	1	0,933	0,75	0,5	0,25	0,067	0

	285	300	315	330	345	360
	0,082	0,295	0,563	0,798	0,95	1
	0,395	0,70	0,896	0,978	0,999	1
	0,067	0,25	0,5	0,75	0,933	1



2.2 Расчет распределения поля в апертуре зеркала

Расчет распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам:

,

где - диаграмма направленности облучателя, - угол раскрыва, - текущий угол.

Найдем из формулы (2.2.2) и подставим в (2.2.1), учитывая так же значения в Е и Н плоскостях :

Имеем:

Рассчитаем и по этим формулам и построим графики распределения поля в апертуре зеркала.



Для определения пределов построения графиков найдем значения в крайних точках, т.е. для углов и

Имеем:

Рисунок 5 Распределение поля в апертуре зеркала

	0	0.3	0.6	0.9	1.2	1.5	1.8	2.1	2.17
ЕН()	1.000	0.998	0.992	0.981	0.964	0.941	0.911	0.873	0.863
ЕЕ()	1.000	0.992	0.968	0.930	0.878	0.814	0.741	0.662	0.643

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 - 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 учётом различий расстояний от облучателя до центра зеркала и до края зеркала;

- амплитуды поля на краю и в центре раскрыва.



Подставив k в найдем ширину ДН на уровне 0,707 для обеих плоскостей. Они равны:

Рисунок 6 Пространственная диаграмма направленности параболической антенны в плоскостях Е и Н

По графику определяем ширину ДН в плоскостях Е и Н

^Н_0.5 = 40 мрад;

^Е_0.5 = 43 мрад;

Определим уровни УБЛ:

УБЛ^H = 0,1

УБЛ^Е = 0,095

,рад	-0.1	-0.09	-0.08	-0.07	-0.06	-0.05	-0.04	-0.03	-0.02	-0.01
,град	-5.730	-5.157	-4.584	-4.011	-3.438	-2.865	-2.292	-1.719	-1.146	-0.573
FН()	0.057	0.021	-0.046	-0.108	-0.117	-0.032	0.160	0.428	0.709	0.921
FЕ()	0.047	0.011	-0.048	-0.098	-0.094	-0.001	0.191	0.453	0.722	0.925

,рад	0.00	0.01	0.02	0.03	0.04	0.05	0.06	0.07	0.08	0.09	0.1
,град	0.000	0.573	1.146	1.719	2.292	2.865	3.438	4.011	4.584	5.157	5.730
FН()	1	0.921	0.709	0.428	0.160	-0.032	-0.117	-0.108	-0.046	0.021	0.057
FЕ()	1	0.925	0.722	0.453	0.191	-0.001	-0.094	-0.098	-0.048	0.011	0.047

Приближённо коэффициент направленного действия зеркальной антенны определяется по формуле:

где S - площадь раскрыва

рез - результирующий коэффициент

использования поверхности

Коэффициент использования поверхности определяется по формуле

Эффективная площадь антенны:

Коэффициент направленного действия:

Коэффициент усиления антенны:

4. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ АНТЕНЫ

4.1 Расчёт 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 , - полярные координаты

f - фокусное расстояние, изменяется от - 0 до 0

Рисунок 8 Профиль зеркала



-0.630	-36.096	3.684
-0.600	-34.377	3.649
-0.500	-28.648	3.547
-0.400	-22.918	3.467
-0.300	-17.189	3.406
-0.200	-11.459	3.364
-0.100	-5.730	3.338
0.000	0.000	3.330
0.100	5.730	3.338
0.200	11.459	3.364
0.300	17.189	3.406
0.400	22.918	3.467
0.500	28.648	3.547
0.600	34.377	3.649
0.630	36.096	3.684

4.2 Выбор конструкции зеркала

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

Рисунок 9 Конструкция зеркала

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

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

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

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 Д.

Рисунок 10 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 ( = 0) необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной поверхности не должно превосходить величины 16 (т.е. 0.01 м) 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 хcos. Тогда изменение фазы составит величину

где , - фазовые искажения, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать 4 , отсюда получаем, что



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

ВЫВОДЫ

В результате проведенной работы сравним полученные данные с исходными:

Исходные данные:

^Н_0.5 = 46 мрад - ширина ДН на уровне половинной мощности в плоскости Н

^Е_0.5 = 51 мрад - ширина ДН на уровне половинной мощности в плоскости Е

УБЛ = -16 дБ - уровень боковых лепестков

Рассчитанные данные:

- уровень боковых лепестков в плоскости Н

- уровень боковых лепестков в плоскости Е

Полученная ширина ДН:

^Н_0.5 = 40 мрад;

^Е_0.5 = 43 мрад;

- отклонение в плоскости Н



- отклонение в плоскости Е.

Уровни УБЛ лучше, чем по условию, тем самым ТЗ в отношении УБЛ выполнено.

Ширина ДН в обеих плоскостях отклоняется от заданной в ТЗ более чем на 5%, следовательно необходимо произвести оптимизацию, т.е. уменьшить радиус раскрыва антенны.

Перерасчет

Произведем перерасчет параметров антенны. Примем м.

Построим ДН согласно пункта 3 настоящей работы.

Рисунок 1 Пространственная диаграмма направленности параболической антенны в плоскостях Е и Н при



,рад	-0.1	-0.09	-0.08	-0.07	-0.06	-0.05	-0.04	-0.03	-0.02	-0.01
,град	-5.730	-5.157	-4.584	-4.011	-3.438	-2.865	-2.292	-1.719	-1.146	-0.573
FН()	-0.025	-0.083	-0.120	-0.108	-0.028	0.126	0.338	0.575	0.792	0.945
FЕ()	-0.030	-0.079	-0.105	-0.084	0.002	0.157	0.365	0.594	0.802	0.948

,рад	0.00	0.01	0.02	0.03	0.04	0.05	0.06	0.07	0.08	0.09	0.1
,град	0.000	0.573	1.146	1.719	2.292	2.865	3.438	4.011	4.584	5.157	5.730
FН()	1	0.945	0.792	0.575	0.338	0.126	-0.028	-0.108	-0.120	-0.083	-0.025
FЕ()	1	0.948	0.802	0.594	0.365	0.157	0.002	-0.084	-0.105	-0.079	-0.030

По графику определяем ширину ДН в плоскостях Е и Н

^Н_0.5 = 48 мрад;

^Е_0.5 = 50 мрад;

Определим уровни УБЛ:

УБЛ^H = 0,1

УБЛ^Е = 0,095

- уровень боковых лепестков в плоскости Н

- уровень боковых лепестков в плоскости Е

Определим отклонения в ширине ДН.

- отклонение в плоскости Н

- отклонение в плоскости Е.

Полученные значения отклонения меньше 5 %, следовательно данный радиус раскрыва подходит для расчета.

Пересчитаем параметры антенны.

1. Фокусное расстояние f может быть найдено из следующего соотношения:

2. Определим распределение поля в апертуре зеркала согласно пункту 2.2. Имеем:

Рассчитаем и по этим формулам и построим графики распределения поля в апертуре зеркала.

Для определения пределов построения графиков найдем значения в крайних точках, т.е. для углов и

Имеем:

Рисунок 12 Распределение поля в апертуре зеркала

	0	0.3	0.6	0.9	1.2	1.5	1.8
ЕН()	1.000	0.997	0.988	0.971	0.945	0.910	0.863
ЕЕ()	1.000	0.988	0.954	0.899	0.826	0.739	0.643

3. Определим КНД и КПД

Приближённо коэффициент направленного действия зеркальной антенны определяется по формуле:

где S - площадь раскрыва

рез - результирующий коэффициент

использования поверхности

Коэффициент использования поверхности определяется по формуле

Эффективная площадь антенны:

Коэффициент направленного действия:

Коэффициент усиления антенны:

4. В полярной системе координат парабола описывается уравнением

где , - полярные координаты

f - фокусное расстояние, изменяется от - 0 до 0

Рисунок 13 Профиль зеркала

-0.630	-36.096	3.053
-0.600	-34.377	3.024
-0.500	-28.648	2.940
-0.400	-22.918	2.873
-0.300	-17.189	2.823
-0.200	-11.459	2.788
-0.100	-5.730	2.767
0.000	0.000	2.760
0.100	5.730	2.767
0.200	11.459	2.788
0.300	17.189	2.823
0.400	22.918	2.873
0.500	28.648	2.940
0.600	34.377	3.024
0.630	36.096	3.053

Итак, после проведенной оптимизации и перерасчета параметров антенны получены значения, удовлетворяющие ТЗ, следовательно, расчет можно считать завершенным. Нужно отметить, что КНД и КПД у антенны невысок. Это связано в первую очередь с облучателем. Для увеличения КНД и КПД необходимо выбрать другой облучатель.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Гончаров В. Л. Татлах А. Л. «Малошумящие однозеркальные параболические антенны и распространение радио волн»

2 Вознесенский Д. И. «Антенны. Современное состояние и проблемы», М: Советское радио, 1979.

3 Марков Г. Т. Сазанов Д. М. «Антенны», М: Энергия, 1975.

4 Кочержевский Г. М. «Антенно-фидерные устройства», М: Радио и связь, 1981.

5 Айзенберг Г. З. «Антенны ультракоротких волн», М: Связьиздат, 1957.

6 Хмель В. Ф. «Антенны и Устройства СВЧ», Киев 1976.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Размещено на Allbest.ru

...