Малошумящие однозеркальные параболические антенны

РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И  СВЯЗИ

Кафедра Радиотехники

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

По дисциплине: Антенно-фидерные устройства

Тема: Малошумящие однозеркальные параболические антенны

 

 

 

 

Проверил:

доц. каф. РТ 

Прилепкина Л. П.

 « __ » _________ 2007 г.   

Выполнил:

Калашников П. П.

Группа МРС-04-02

№ з.к. 043381

 

 

 

Алматы 2007

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 4

1. РАСЧЕТ ГЕОМЕРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ОБЛУЧАТЕЛЯ И ПАРАБОЛОИДА 5

1.    Выбор фидера. Определение шумовой температуры

фидерного тракта и КПД 5

1.2   Определение диаметра раскрыва 6

          1.3   Оптимизация геометрии антенны 9

1.4  Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя 12

1.5  Определение угла раскрыва и фокусного расстояния 13

2  РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ 14

2.1  Диаграмма направленности облучателя 14 

2.2 Распределение поля в апертуре зеркала 17

      3  РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИАГРАММЫ

НАПРАВЛЕННОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ПАРАМЕТРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ 19

3.1   Расчет полного коэффициента использования площади,

эффективной площади, КНД и Ку антенны 22

4  КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ АНТЕНЫ 23

4.1  Расчёт профиля зеркала 23

4.2  Выбор конструкции зеркала 24

4.3 Определение допусков на точность изготовления 25

ВЫВОД 27

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 28

 

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 РK50-17-51C (pадиочастотный коаксиальный кабель

с полувоздушной изоляцией из Ф-4)

эталонное погонное затухание для него на частоте 6.0 ГГц.

Либо кабель заграничного производства RG-20A/U: (эталонное погонное затухание для него ).

Выбирем кабель РK50-17-51C.

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

 

 

 

 

 

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.;

       l -   длина волны излучаемого (принимаемого) антенной

радиосигнала;

       R0 –   радиус раскрыва зеркала (рисунок 1).

Длина волны определяется по следующей формуле

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    

Для E    

 

Определяем из данных выражений радиус :

Выбираем наибольшее значение  

а затем диаметр раскрыва   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Оптимизация геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум.

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:

 

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

Примем 

площадь апертуры зеркала

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

Рисунок 2 – Зависимость 

от

Таблица 1

	0	0.2	0.4	0.6	0.8	1	1.2	1.4
	0.0	11.6	22.9	34.4	45.8	57.3	68.8	80.2
	0.0

 

	1.6	1.8	2.0	2.2	2.4	2.6
	91.7	103.1	114.6	126.1	137.5	149.0

 

	2.8	3.0
	160.4	171.9

 

Для определения  , найдем и по формулам и

, точность профиля зеркала.

Таким образом,

Определим шумовую температуру  антенной системы:

 

1.4 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида и выбор числа n.

Я выбрал число n из таблицы 4(1), так как  мне задан полуволновой вибратор с дисковым контррефлектором.

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД.

При определенном оптимальном отношении  КНД наибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы направленности облучателя и от отношения . При уменьшении отношения 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  определяется по аппроксимированной нормированной ДН облучателя (аппроксимация функцией вида , где n определяет степень вытянутости ДН облучателя).  

 

1.5 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния

По максимуму построенной графически функции  определяется угол раскрыва зеркала:

Фокусное расстояние может быть рассчитано на основе следующего соотношения:

Проверим, входит ли соотношение  в заданный предел 1,0…1,25:

 

 

 

 

 

 

 

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

Рисунок 4 - Диаграмма направленности облучателя в плоскости Е

 

Диаграмма такого облучателя в  плоскости Н рассчитывается по формуле

Рисунок 5 – Диаграмма направленности облучателя в плоскости Н

 

Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя

Рисунок 6 – Аппроксимированная ДН облучателя

Таблица 2

	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	0,947	0,798	0,58	0,337	0,12	0	0,12	0,337	0,58

 

	150	165	180	195	210	225	240	255	270
	0,798	0,95	1	0,95	0,798	0,563	0,295	0,082	0
	-0,978	-0,999	- 1	- 0,99	- 0,97	- 0,89	- 0,70	- 0,39	10-15
	0,798	0,947	1	0,947	0,798	0,58	0,337	0,12	0