Курсовая работа: Расчет зеркальной параболической антенны с облучателем в виде конического рупора

Курсовая работа: Расчет зеркальной параболической антенны с облучателем в виде конического рупора

Некоммерческое акционерное общество

«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

Кафедра РТ

Дисциплина АФУиРРВ

Курсовая работа

Специальность:

050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Выполнил: студент Джуматаев Е.Б.

Алматы 2010

Содержание

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЛУЧАТЕЛЯ И ПАРАБОЛОИДА

1.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта

1.2 Определение диаметра раскрыва

1.3 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида cosn/2Y

1.4 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны

2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ

2.1 Диаграммы направленности облучателя

2.1 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

5. СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО И ЗАДАННОГО УРОВНЯ БОКОВЫХ ЛЕПЕСТКОВ, ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СООТВЕТСТВИЯ ЭТИХ УРОВНЕЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Рассчитать малошумящую параболическую антенну. Исходные данные:

Частота сигнала генератора, подводимого к антенне, f = 1,0 ГГц;

Ширина главного лепестка ДН на уровне половинной мощности 2Q0.5

2QН0.5 = 49 мрад;

2QЕ0.5 = 54 мрад;

Уровень боковых лепестков (- 17) дБ;

Тип облучателя: Полуволновой вибратор с дисковым контррефлектором;

Средняя яркостная температура неба Тнср = 5 К;

Температура шумов приемника Тпр = 1800 К;

Длина фидерной линии lф=5 м.

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.

1.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта

В качестве фидера будет использован прямоугольный волновод. Его параметры для частоты f = 1.0 ГГц даны в [1], приложение А:

 см

a = 0.00405 дБ/м

Шумовая температура фидерного тракта Тф:

,

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

lф – длина фидерной линии [м].

.

Выразим КПД из формулы:

Тф=T0·(1-КПД),

где Т0=290 К.

Тогда КПД равен:

.

Шумовая температура антенной системы:

a1 = 1 - cosn+1Y0 = 0.929 (см. пункт 1.4)

 К;

К.

1.2 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 2Q0.5 – ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности, рад.;

l - длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;

R0 – радиус раскрыва зеркала (рисунок 1).

Длина волны определяется по формуле:

 cм.

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 2QН0.5 , 2QЕ0.5 ширина ДН соответственно в плоскостях H и E.

Для Е и Н плоскостей соответственно найдем радиусы раскрыва:

 м;

 м.

Исходя из исходных данных о ширине диаграммы направленности в обеих плоскостях, можно определить диаметр раскрыва dp = 2 × R0, причем, из полученных двух значений диаметра следует выбрать наибольшее. Следовательно,

R0 = 3.673 м,

dp = 2×R0 = 2×3.673 = 7.346 м.

1.3 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида cosn/2Y

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

Рисунок 2 - Варианты размещения облучателя

Для вибратора с контррефлектором в виде диска:

n=4; R0/f0=1.0…1.25; ν=0.82

Аппроксимированная нормированная ДН представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Апроксимированная нормированная ДН облучателя

1.4 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны.

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

Чувствительность g определяется по формуле:

 ,

где первые четыре коэффициента не зависят от yо, а g' вычисляется:

,

где Т1

u = (0.02 – 0.03) – коэффициент, учитывающий «переливание» части мощности облучателя через края зеркала:

u = 0.025;

S – площадь апертуры зеркала

S= π×R2 = 3.142×3.6732 = 42.394 м2;

n = 4 – определяется типом облучателя;

a1 = 1 - cosn+1Y0;

Построим график функции γ(Y0), по максимуму которого определим угол раскрыва зеркала:

Таблица 1 – Аргументы функции γ(Y0) и её значения

По графику (рисунок 1.4) можно определить:

Y0 = 0.95 рад = 54.431°,

тогда

a1 = 1 – cos5(54.431°) = 0.933,

g = 0.88,

g` = 4.466 ×10-4,

g = 0.0169.

Фокусное расстояние f0 может быть найдено из следующего соотношения:

зеркальная антенна облучатель зеркало

м.

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R0/f0 КНД наибольший. Заданный интервал отношения R0/f0 = (1.0÷1.25). Расчетное отношение R0/f0 = 1.029, что удовлетворяет условию.

2.1 Диаграммы направленности облучателя

Полуволновой симметричный вибратор с контррефлектором в виде диска

Фазовый центр вибратора с контррефлектором в виде диска лежит между вибратором и контррефлектором несколько ближе к последнему. Обычно контррефлекторы выполняются в виде дисков диаметром 2d = (0.7 ... 0.8), при этом ДН имеет форму, близкую к диаграмме с осевой симметрией. Расстояние между вибратором и контррефлектором выбирается близким к четверти длины волны, а длина вибратора - к половине длины волны (2l  /2).

Диаграмма направленности такого облучателя в Е плоскости рассчитывается по формуле [11]

Рисунок 5 – ДН облучателя в плоскости Е

а в Н плоскости - по формуле

Рисунок 6 – ДН облучателя в плоскости H

Эти формулы справедливы для E и H менее .

Таблица 2 – Расчет ДН конического рупора

2.1 Распределение поля в апертуре зеркала

Расчет распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам:

где F0(Y) – диаграмма направленности облучателя,

Y0 – угол раскрыва,

Y – текущий угол.

Зависимость угла Y от текущего радиуса r:

,

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 J1, 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 учётом различий расстояний от облучателя до центра зеркала и до края зеркала;

Екр, Емах – амплитуды поля на краю и в центре раскрыва.

ДН зеркальной параболической антенны имеет следующий вид (рисунок 2.5).

Приближенно коэффициент направленного действия зеркальной антенны определяется выражением:

, г

де

S – площадь раскрыва;

υрез – результирующий коэффициент использования поверхности

Рисунок 8 – Пространственная ДН параболической антенны

Коэффициент использования поверхности:

Эффективная площадь антенны:

 м2.

Коэффициент направленного действия:

Коэффициент усиления 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 r, Y - полярные координаты;

f = 3.572 м - фокусное расстояние;

Y изменяется от 0 до Y0=0.95 рад.

Рисунок 9 – Плоский фазовый фронт волны

Таблица 3 – Расчет профиля зеркала

4.2 Выбор конструкции зеркала

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

Рисунок 10 – Конструкция зеркала

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

,

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

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

dп = 0.1 × 0.3 = 3 см;

d = 0.01 × 0.3 = 3 мм.

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 ± p/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 r обозначим через Δr.

Рисунок 11 – Допуски на точность изготовления зеркала

Путь луча, отраженного от неровности в месте наибольшего отклонения от r изменяется при этом на величину Dr + Dr × cosY, а соответствующий сдвиг фаз составит величину Dj = b×Dr×(1+cosY), и он не должен превышать величину p/4, отсюда получаем

Анализ полученного выражения для Dr показывает, что вблизи центра параболоида (Y = 0) необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной поверхности не должно превосходить величины l/16 (т.е. 0.0023) 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 Dх (рисунок 4.4). Тогда длины путей лучей от фазового центра до раскрыва увеличиваются.

Рисунок 12 — Допуски на точность установки облучателя

Наибольшее удлинение пути происходит у лучей, падающих на вершину зеркала. Это удлинение путей при малых смещениях можно приблизительно определить как Dх×cosY. Тогда изменение фазы составит величину

, где

Dj0, Djа – фазовые искажения, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать p/4, отсюда получаем:

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

По графику, изображенному на рисунке 8, найдем ширину ДН на уровне половинной мощности:

2QH0.5 = 44 мрад, что меньше заданного значения 2QH0.5 = 49 мрад на 10,2% и 2QЕ0.5=48 меньше значения 2QЕ0.5 = 54 мрад на 11,1%.

Для увеличения ширины ДН необходимо уменьшить радиус параболоида.

Пусть радиус параболоида будет равным  м. Тогда получаем график ДН:

Рисунок 13 – ДН антенны

По графику определим ширину 2QH0.5 = 49 мрад, равно значению 2QH0.5 = 49 мрад и 2QЕ0.5 = 54 равное заданному значением 2QЕ0.5 = 54 мрад. Достигнут компромисс.

Уровень УБЛ возьму по максимальному уровню боковых лепестков.

Найдем УБЛ:

УБЛ = 0.11

дБ

Допустимое значение УБЛ = -17 дБ, значит вычисленное значение допустимо, потому что уровень боковых лепестков ослабляется дополнительно на 1.416 чем задано по условию, т.о. придавая ей большую узконаправленность.

В данной курсовой работе была спроектирована зеркальная параболическая антенна с облучателем в виде конического рупора. 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 18,5%, а в плоскости H – 10,2%. 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 отсутствуют.

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.