Малошумящие однозеркальные параболические антенны

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ
ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра «Радиотехника»
Курсовая работа
По курсу
АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА
И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН.
«МАЛОШУМЯЩИЕ ОДНОЗЕРКАЛЬНЫЕ
ПАРАБОЛИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ»
Выполнила:
студентка группы РРТу – 98 Саркеева Г. Ч.
Шифр 988705
Проверил:
доцент кафедры РТ Гончаров В.Л.
АЛМАТЫ 2000
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ:
Частота сигнала генератора, подводимого к антенне f, ГГц 10.0
Ширина главного лепестка ДН на уровне половинной
Мощности 2? ,мрад
2? 57
2? 62
Уровень боковых лепестков, дБ -19
Тип облучателя Рупор конический
Длина фидерной линии L , м 11
ВВЕДЕНИЕ.
Данная курсовая работа посвящена расчёту зеркальных пара-
болических антенн, которые применяют в различных диапазонах
волн: от оптического до коротковолнового, особенно широко в сан-
тиметровом и дециметровом диапазонах. Эти антенны отличаются
конструктивной простотой, возможностью получения различных
ДН, хорошими диапазонными свойствами и т.д.
Существуют различные типы зеркальных антенн: параболиче-
ские зеркала (параболоид, усечённый параболоид и параболический
цилиндр), сферические зеркала, плоские и угловые зеркала, зеркаль-
ные антенны специальной формы, двух- и многозеркальные антен-
ны, зеркально-рупорные антенны.
Зеркальная параболическая антенна состоит из металлической
поверхности, выполненной в виде параболоида вращения и неболь-
шой слабонаправленной антенны – облучателя, установленной в фо-
кусе параболоида и облучающей внутреннюю поверхность послед-
него. Параболическая поверхность образуется в результате враще-
ния параболы с фокусом в точке F вокруг оси Z.
По заданию, я рассчитывала облучатель типа рупора кониче-
ского. Такой рупор на конце волновода позволяет получить про-
странственную ДН, сравнительно симметричную относительно оси
зеркала. Такой облучатель имеет более узкую ДН, чем волноводный,
и поэтому может применяться в случаях более длиннофокусных па-
раболоидов. Рупорный облучатель имеет значительно меньшее из-
лучение в обратном направлении, чем волноводный. Применение
рупорного облучателя с фазирующей секцией позволяет с помощью
зеркала получить вращающуюся поляризацию.
В данном курсовом проекте определение поля излучения па-
раболической антенны производится апертурным методом, широко
применяемым при проектировании зеркальных антенн. Технические
параметры, заданные для проектирования антенны, приводятся в со-
ответствии с Регламентом радиосвязи и отвечают практическим тре-
бованиям к современным системам радиосвязи. Спроектированная, в
соответствии с заданными параметрами антенна может применяться
в земных станциях магистральной спутниковой связи (Орбита-2,
Орбита-2М, Электроника 4-60, Электроника 4-90 и т. д.), малых
станциях для телефонии и передачи данных (VSАТ), системах спут-
никового телевизионного вещания (Eutelsat, Галс,Теlecom IIA, B,
Tele-X, TVSat-2 и т.д.)
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ-
ПАРАБОЛИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА
1.1. Определение диаметра раскрыва антенны.
Зеркальная антенна – направленная антенна, содержащая пер-
вичный излучатель и отражатель антенны в виде металлической по-
верхности (зеркало).Параболическая зеркальная антенна представ-
лена на рис. 1. В случае равномерно возбужденного раскрыва пара-
болического зеркала ширина диаграммы направленности прибли-
женно определяется:
2? ?1.02 , (1)
где 2? - ширина диаграммы направленности на уровне половинной
мощности;
? - длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигна-
ла;
R – радиус раскрыва зеркала (рис. 1)
Рис.1. Зеркальная параболическая антенна.
Однако, добиться равномерного возбуждения раскрыва прак-
тически не удается. Известно, что коэффициент направленного дей-
ствия зеркальной антенны имеет наибольшую величину в том слу-
чае, если амплитуда возбуждающего поля на краю раскрыва состав-
ляет не менее одной трети от амплитуды поля в центре раскрыва.
Неравномерное возбуждение раскрыва зеркала приводит к не-
которому расширению главного лепестка диаграммы направленно-
сти, так как уменьшается эффективная площадь раскрыва. Кроме
этого, необходимо иметь в виду, что чаще всего диаграммы направ-
ленности зеркальных антенн не обладают осевой симметрией,
(большинство излучателей формируют осенесимметричные диа-
граммы направленности), т.е. ширина главного лепестка в плоско-
стях Е и Н различна. В большинстве практических случаев это вле-
чет за собой следующее изменение выражения (1):
2? ?1.2 (2)
2? ?1.3 (3)
где 2? ,2? - ширина диаграммы направленности соответственно
Н и Е плоскостях.
Тогда R для Н плоскости:
(м)
R для Е плоскости:
(м)
В связи с тем, что в задании на курсовую работу имеются дан-
ные о ширине диаграммы направленности в обеих плоскостях, из
выражений (2) и (3) определяем диаметр раскрыва d = 2R , при,
чем, из полученных двух значений диаметра выбираем наибольшее,
т.е.:
d =2*0.315(м), следовательно: =0.63(м)
1.2 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния
зеркальной антенны.
В зависимости от размещения облучателя относительно зерка-
ла можно получить, то или иное значение КНД. При определенном
оптимальном отношении R /f КНД наибольший. Это объясняется
тем, что количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы
направленности облучателя 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 более сильным отклонением закона
распределения возбуждения от равномерного; оптимальное значение
R /f определяется по апроксимированной нормированной ди-
аграмме направленности облучателя (апроксимация функцией вида
F( )= cos ( ), где n определяет степень вытянутости диаграммы
направленности облучателя).Для рупорных облучателей значения
приводим в таблице ниже:
N
R /f
?
6
0.8…1
0.81
F( )= cos ( )=cos
Расчет апроксимации диаграммы направленности облучателя
приведен в приложении.
В зависимости от значения n определяем оптимальную вели-
чину отношения R /f . Более точное значение R /f определяем из
графиков зависимости КИП ? параболоида от угла раскрыва ? , 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 ? может быть рассчитан на основе следующего соотно-
шения:
? = 2 arctg = 2arctg =2 arctg(0.45)=48
2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНА-
МИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРРИСТИК ОБЛУЧАТЕЛЕЙ.
Расчет сводится к определению геометрических размеров об-
лучателя, при которых уменьшение амплитуды поля на краю рас-
крыва зеркала происходит до одной трети амплитуды поля в центре
раскрыва и диаграммы направленности облучателя.
Диаграмму направленности конического рупора рис(2) опре-
деляем как для идеальной круглой излучающей поверхности радиу-
сом a:
F( )= ,
где J ( sin ) – цилиндрическая функция Бесселя первого рода,
= - волновое число.
Размеры оптимального конического рупора связанны между
собой
l = .
Радиус апертуры рупора выбирается из соображений обеспе-
чения на краю раскрыва спадания амплитуды поля до 1/3.
Рис. 2. Апертурный облучатель в виде конического рупора.
Расчет диаграммы направленности облучателя приведен в
приложении.
3. РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИАГРАММЫ
НАПРАВЛЕННОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРА-
МЕТРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ.
Инженерный расчет пространственной диаграммы направ-
ленности параболической антенны сводится к определению диа-
граммы направленности идеальной круглой синфазной площадки с
неравномерным распределением напряженности возбуждающего
поля. В данном случае распределение напряженности возбуждающе-
го поля в основном определяется диаграммой направленности облу-
чателя в соответствующей плоскости. Выражение для нормирован-
ной диаграммы направленности зеркальной параболической антен-
ны при этом имеет вид:
,
где -цилиндрические функции Бесселя первого и второ-
го порядка;
- коэффициент, показывающий во
сколько раз амплитуда возбуждающего поля, на краю рас-
крыва меньше амплитуды в центре раскрыва, в соответст-
вующей плоскости с учетом различий расстояний от облуча-
теля до центра зеркала и до края зеркала;
-амплитуды поля на краю и в центре раскрыва.
Расчет ДН выполнен на ЭВМ и приведен в приложении.
Приближенно коэффициент направленного действия зер-
кальной антенны определяется выражением:
D = ,
где S – площадь раскрыва;
- результирующий коэффициент использования поверхно-
сти.
Тогда КНД будет равен D
С учётом того, что КПД зеркальной антенны 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
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.
В данном случае изменяется от 0 до
Расчет профиля и его графическое построение приведены в
приложении.
4.2. Выбор конструкции зеркала.
С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность
зеркала часто выполняется перфорированной, или сетчатой.
При такой конструкции зеркала часть энергии просачивается
сквозь него, образуя обратное, нежелательное излучение. Допусти-
мым является значение коэффициента прохождения в обратном на-
правлении:
Т = 0.01…0.02,
Где - мощность излучения в обратном направлении и
падающего на зеркало, соответственно. Для перфорированного от-
ражателя диаметр отверстий должен быть меньше 0.2 при суммар-
ной площади отверстий не более 0.5…0.6 всей площади зеркала.
Двухлинейная сетка работает удовлетворительно при рас-
стоянии между проводниками меньше 0.1 и диаметре проводов не
менее 0.01 .
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 коэффици-
ента усиления антенны не превышает нескольких процентов.
Пусть поверхность параболоида имеет некоторые неровности
(выступы и углубления). Наибольшее отклонение от идеальной по-
верхности в направлении обозначим через
Путь луча, отражённого от неровности в месте наибольшего
отклонения от изменяется при этом на величину , а
соответствующий сдвиг фаз составит величину , и
он не должен превышать величину , отсюда получаем:
.
Анализ полученного выражения для показывает, что
вблизи центра параболоида необходимая точность изготовле-
ния зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной
поверхности не должно превосходить величины , у кромки па-
раболоида требования к точности получаются наименьшими.
Для центра параболоида:
(м)
У кромки параболоида:
(м)
Точность установки облучателя также определяется нормами
на наибольшие допустимые фазовые искажения поля в раскрыве.
Пусть фазовый центр облучателя смещён на .
Тогда длины путей лучей от фазового центра до раскрыва
увеличиваются. Это удлинение путей при малых смещениях можно
приблизительно определить как х cos . Тогда изменение фазы со-
ставит величину:
,
где: -фазовые искажения, возникающие из-за неточ-
ности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва, соответ-
ственно. Эта величина не должна превышать ,отсюда получаем,
что:
(м).
Таким образом, с увеличением угла разрыва точность и уста-
новка облучателя в фокусе повышается.
П Р И Л О Ж Е Н И Е
Список использованной литературы.
1. Кочержевский Г.М.,Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Ан-
тенно-фидерные устройства. –М.:Радио и связь,1989г.
2. Хмель В.Ф.,Чаплин А.Ф.,Шумлянский И.И. Антенны
и устройства СВЧ. –Киев.: Высшая школа,1990г.
3. Патлах А.Л.,Гончаров В.Л. Антенны и устройства
СВЧ. Задание и методические указания к курсовой рабо-
те. Алма-Ата АЭИ,1987г.
СОДЕРЖАНИЕ.
Тeхническое задание 2.
Введение 3.
1. Определение геометрических параметров
параболического зеркала . 4.
1.1. Диаметр раскрыва зеркала 4.
1.2. Определение угла раскрыва и
фокусного расстояния 5.
2. Расчёт геометрических и электро-
динамических характеристик
облучателя 7.
3. Расчёт пространственной диаграммы
направленности и определение пара-
метров параболической антенны 8.
4. Конструктивный расчёт антенны. 9.
4.1. Расчёт профиля зеркала 9.
4.2. Выбор конструкции зеркала 9.
4.3. Определение допусков на
точность изготовления 9.
Приложение 11.
Список использованной литературы 12.
6
12
13