Реферат: Малошумящие однозеркальные параболические антенны

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра«Радиотехника»

Курсовая работа

По курсу

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВАИ РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН.

«МАЛОШУМЯЩИЕ ОДНОЗЕРКАЛЬНЫЕ ПАРАБОЛИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ»

Выполнила:

студентка группы РРТу – 98 Саркеева Г. Ч.

Шифр 988705

Проверил:

доцент кафедры РТ ГончаровВ.Л.

АЛМАТЫ 2000

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ:

Частотасигнала генератора, подводимого к антенне f, ГГц 10.0

Ширинаглавного лепестка ДН на уровне половинной

Мощности />2q/>, мрад

2q/> 57

2q/> 62

Уровеньбоковых лепестков, дБ -19

Типоблучателя Рупор конический

Длинафидерной линии L/>,м 11

ВВЕДЕНИЕ.

Даннаякурсовая работа посвящена расчёту зеркальных параболических антенн, которыеприменяют в различных диапазонах волн: от оптического до коротковолнового,особенно широко в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Эти антенныотличаются конструктивной простотой, возможностью получения различных ДН,хорошими диапазонными свойствами и т.д.

Существуютразличные типы зеркальных антенн: параболические зеркала (параболоид, усечённыйпараболоид и параболический цилиндр), сферические зеркала, плоские и угловыезеркала, зеркальные антенны специальной формы, двух- и многозеркальные антенны,зеркально-рупорные антенны.

Зеркальнаяпараболическая антенна состоит из металлической поверхности, выполненной в видепараболоида вращения и небольшой слабонаправленной антенны – облучателя,установленной в фокусе параболоида и облучающей внутреннюю поверхность последнего.Параболическая поверхность образуется в результате вращения параболы с фокусомв точке F вокруг оси Z.

Позаданию, я рассчитывала облучатель типа рупора конического. Такой рупор наконце волновода позволяет получить пространственную ДН, сравнительно симметричнуюотносительно оси зеркала. Такой облучатель имеет более узкую ДН, чем волноводный,и поэтому может применяться в случаях более длиннофокусных параболоидов. Рупорныйоблучатель имеет значительно меньшее излучение в обратном направлении, чемволноводный. Применение рупорного облучателя с фазирующей секцией позволяет с помощьюзеркала получить вращающуюся поляризацию.

Вданном курсовом проекте определение поля излучения параболической антенныпроизводится апертурным методом, широко применяемым при проектировании зеркальныхантенн. Технические параметры, заданные для проектирования антенны, приводятсяв соответствии с Регламентом радиосвязи и отвечают практическим требованиям ксовременным системам радиосвязи. Спроектированная, в соответствии с заданнымипараметрами антенна может применяться в земных станциях магистральнойспутниковой связи (Орбита-2, Орбита-2М, Электроника 4-60, Электроника 4-90 и т.д.), малых станциях для телефонии и передачи данных (VSАТ), системахспутникового телевизионного вещания (Eutelsat, Галс, Теlecom IIA, B, Tele-X, TVSat-2 и т.д.)

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВПАРАБОЛИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА

1.1. Определение диаметра раскрыва антенны.

Зеркальная антенна –направленная антенна, содержащая первичный излучатель и отражатель антенны ввиде металлической поверхности (зеркало).Параболическая зеркальная антеннапредставлена на рис. 1. В случае равномерно возбужденного раскрыва параболическогозеркала ширина диаграммы направленности приближенно определяется:

2q/>≈1.02/> , (1)

где2q/>-ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности;

l — длина волныизлучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;

R/> – радиус раскрыва зеркала (рис. 1)

Рис.1. Зеркальная параболическая антенна.

Однако,добиться равномерного возбуждения раскрыва практически не удается. Известно,что коэффициент направленного действия зеркальной антенны имеет наибольшуювеличину в том случае, если амплитуда возбуждающего поля на краю раскрыва составляетне менее одной трети от амплитуды поля в центре раскрыва.

Неравномерноевозбуждение раскрыва зеркала приводит к некоторому расширению главного лепесткадиаграммы направленности, так как уменьшается эффективная площадь раскрыва.Кроме этого, необходимо иметь в виду, что чаще всего диаграммы направленностизеркальных антенн не обладают осевой симметрией, (большинство излучателейформируют осенесимметричные диаграммы направленности), т.е. ширина главноголепестка в плоскостях Е и Н различна. В большинстве практических случаев это влечетза собой следующее изменение выражения (1):

2q/>≈1.2/> (2)

2q/>≈1.3/> (3)

где 2q/>,2q/> -ширина диаграммы направленности соответственно Н и Е плоскостях.

Тогда R/> для Н плоскости:

/>/>(м)

R/> для Еплоскости:

/>(м)

В связи с тем, что в задании на курсовую работуимеются данные о ширине диаграммы направленности в обеих плоскостях, извыражений (2) и (3) определяем диаметр раскрыва d/>= 2R/>, при, чем, из полученных двух значений диаметравыбираем наибольшее, т.е.:

d/>=2*0.315(м), следовательно: />/>=0.63(м)

1.2 Определение углараскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны.

В зависимости от размещения облучателя относительнозеркала можно получить, то или иное значение КНД. При определенном оптимальномотношении R/>/f/> КНД наибольший. Это объясняетсятем, что количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы направленностиоблучателя и отношения R/>/f/>. При уменьшении отношения R/>/f/> от оптимального КНД уменьшается,т.к. увеличивается часть энергии, проходящей мимо зеркала. С другой стороны,увеличение этого отношения также приводит к уменьшению КНД в связи с болеесильным отклонением закона распределения возбуждения от равномерного;оптимальное значение R/>/f/> определяется по апроксимированнойнормированной диаграмме направленности облучателя (апроксимация функцией вида F(/>)=cos/>(/>), где n определяет степень вытянутости диаграммынаправленности облучателя).Для рупорных облучателей значения приводим в таблице ниже:

R/>/f/>

ν 6 0.8…1 0.81

F(/>)= cos/>(/>)=cos/>

Расчет апроксимации диаграммы направленностиоблучателя приведен в приложении.

В зависимости от значения n определяем оптимальную величину отношения R/>/f/>. Более точное значение R/>/f/> определяем из графиков зависимостиКИП ν параболоидаот угла раскрыва ψ/>, при различных n.

Из велличины отношения R/>/f/> с учетом расчетного R/> определяем значение f/>:

f/>= R/>/(0.8…1.0)=0.315/0.9=0.35(м)

Угол ψ/> можетбыть рассчитан на основе следующего соотношения:

ψ/>= 2 arctg/>= 2arctg/>=2arctg(0.45)=48

2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХХАРАКТЕРРИСТИК ОБЛУЧАТЕЛЕЙ.

Расчет сводится к определению геометрическихразмеров облучателя, при которых уменьшение амплитуды поля на краю раскрывазеркала происходит до одной трети амплитуды поля в центре раскрыва и диаграммынаправленности облучателя.

Диаграмму направленности конического рупора рис(2)определяем как для идеальной круглой излучающей поверхности радиусом a:

F(/>)=/>,

где J/>(/>sin/>) – цилиндрическая функция Бесселяпервого рода,

/>=/> - волновое число.

Размеры оптимального коническогорупора связанны между собой

l/>=/>.

Радиус апертуры рупора выбирается из соображенийобеспечения на краю раскрыва спадания амплитуды поля до 1/3.

Рис.2. Апертурный облучатель в виде конического рупора.

Расчет диаграммы направленности облучателя приведенв приложении.

3. РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИАГРАММЫНАПРАВЛЕННОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ.

Инженерный расчет пространственнойдиаграммы направленности параболической антенны сводится к определению диаграммынаправленности идеальной круглой синфазной площадки с неравномерным распределениемнапряженности возбуждающего поля. В данном случае распределение напряженностивозбуждающего поля в основном определяется диаграммой направленности облучателяв соответствующей плоскости. Выражение для нормированной диаграммынаправленности зеркальной параболической антенны при этом имеет вид:

/>,

где />-цилиндрические функции Бесселяпервого и второго порядка;

/> — коэффициент, показывающий во сколько раз амплитуда возбуждающего поля, на краю раскрыва меньше амплитуды вцентре раскрыва, в соответствующей плоскости с учетом различий расстояний отоблучателя до центра зеркала и до края зеркала;

/>-амплитуды поля на краю и в центрераскрыва.

Расчет ДН выполнен на ЭВМ и приведенв приложении.

Приближенно коэффициентнаправленного действия зеркальной антенны определяется выражением:

D = />,

где S – площадь раскрыва;

/> — результирующий коэффициентиспользования поверхности.

Тогда КНД будет равен D />

С учётом того, что КПД зеркальнойантенны примерно 0.9, можно рассчитать её коэффициент усиления.

Коэффициент усиления антенны: G = КПД D.

Следовательно,коэффициент усиления антенны будет равен:

G=0.9*2425.5=2182.95.

4.КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЁТ АНТЕННЫ.

4.1. Расчёт профиля зеркала

Зеркальныеантенны имеют наибольший КНД при синфазном возбуждении раскрыва (плоскийфазовый фронт волны). Параболический профиль зеркала обеспечивает одинаковыедлины электрических путей от облучателя, установленного в фокусе параболоидавращения, до каждой точки плоскости раскрыва (свойство параболы). В полярнойсистеме координат парабола описывается уравнением:

где /> полярныекоординаты, f–фокусное расстояние.

В данном случае />изменяется от 0 до />

Расчет профиля и его графическоепостроение приведены в приложении.

4.2. Выбор конструкции зеркала.

С целью уменьшения веса и ветровыхнагрузок поверхность зеркала часто выполняется перфорированной, или сетчатой.

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

Т = />0.01…0.02,

Где /> -мощность излучения в обратном направлении и падающего на зеркало,соответственно. Для перфорированного отражателя диаметр отверстий должен бытьменьше 0.2/> при суммарной площадиотверстий не более 0.5…0.6 всей площади зеркала.

Двухлинейная сетка работаетудовлетворительно при расстоянии между проводниками меньше 0.1/> и диаметре проводов неменее 0.01/>.

4.3. Определение допусков на точность изготовления.

Неточность изготовления зеркалавызывает несинфазность поля в раскрыве. Допустимыми являются фазовые искаженияполя в раскрыве зеркала не более />4. Приэтом уменьшение коэффициента усиления антенны не превышает несколькихпроцентов.

Пусть поверхность параболоида имеетнекоторые неровности (выступы и углубления). Наибольшее отклонение от идеальнойповерхности в направлении /> обозначимчерез />

Путь луча, отражённого от неровностив месте наибольшего отклонения от /> изменяетсяпри этом на величину />, асоответствующий сдвиг фаз составит величину />, и он не должен превышатьвеличину />, отсюда получаем:

/>.

Анализ полученного выражения для /> показывает, что вблизицентра параболоида /> необходимаяточность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение отидеальной поверхности не должно превосходить величины />, у кромки параболоидатребования к точности получаются наименьшими.

Для центра параболоида:

/>/>(м)

У кромки параболоида:

/>(м)

Точность установки облучателя такжеопределяется нормами на наибольшие допустимые фазовые искажения поля враскрыве. Пусть фазовый центр облучателя смещён на />.

Тогда длины путей лучей от фазовогоцентра до раскрыва увеличиваются. Это удлинение путей при малых смещениях можноприблизительно определить как />х cos/>. Тогда изменение фазы составитвеличину:

/>,

где: />-фазовыеискажения, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и накраю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать />, отсюда получаем, что:

/>/>(м).

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

П Р И Л О Ж Е Н И Е

Список использованнойлитературы.

1. Кочержевский Г.М., Ерохин Г.А.,Козырев Н.Д. Антенно-фидерныеустройства. –М.: Радио и связь,1989г.

2. Хмель В.Ф., Чаплин А.Ф., ШумлянскийИ.И. Антенны иустройства СВЧ. –Киев.: Высшая школа,1990г.

3. Патлах А.Л., Гончаров В.Л. Антенны и устройства СВЧ. Задание иметодические указания к курсовой работе. Алма-Ата АЭИ,1987г.

СОДЕРЖАНИЕ.

Тeхническоезадание 2.

Введение 3.

1. Определение геометрическихпараметров

параболического зеркала . 4.