Курсовая

Курсовая Расчет зеркальной параболической антенны с облучателем в виде конического рупора

Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Выберите тип работы:

Скидка 25% при заказе до 22.11.2024





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



ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ




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 РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЛУЧАТЕЛЯ И ПАРАБОЛОИДА1.1 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:





 
Рисунок 4 – График функции γ(Y0)
Таблица 1 – Аргументы функции γ(Y0) и её значения

Y0

0.301

0.601

0.901

1.201

1.401

1.501

γ(Y0)

3.779e-3

0.012

0.017

0.014

0.011

8.863e-3



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 = (1.0ч1.25). Расчетное отношение R0/f0 = 1.029, что удовлетворяет условию.



2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ2.1 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

, град

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90



1

1

0.995

0.977

0.931

0.843

0.701

0.503

0.258

0.087

, град

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0



0

0.27

0.513

0.708

0.848

0.934

0.978

0.996

1

1

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:
,






ρ, м
 


 
Рисунок 7 – Распределение поля в апертуре зеркала



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 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



 

F(ϴ)
 

ϴ, рад
 


Рисунок 8 – Пространственная ДН параболической антенны

Коэффициент использования поверхности:

Эффективная площадь антенны:

 м2.




Коэффициент направленного действия:




Коэффициент усиления антенны:


4. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ АНТЕННЫ4.1 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

, рад

-0.95

-0.85

-0.75

-0.65

-0.55

-0.45

-0.35

-0.25

-0.15



4.516

4.303

4.125

3.977

3.856

3.759

3.683

3.628

3.592

, рад

-0.05

0.05

0.15

0.25

0.35

0.45

0.55

0.65

0.75



3.574

3.574

3.592

3.628

3.683

3.759

3.856

3.977

4.125

, рад

0.85

0.95

















4.303

4.516














4.2 Выбор конструкции зеркала




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

0,03



0,003

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.



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




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.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ




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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ




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.

Размещено на Allbest.ru



1. Сочинение на тему Москва М А Булгакова
2. Реферат на тему Child Development Essay Research Paper Physical Mental
3. Доклад группа Argent
4. Курсовая на тему Монтаж и эксплуатация оборудования и систем газоснабжения
5. Реферат на тему Lady Macbeth Is Worse Than Macbeth Essay
6. Изложение Дино Буццати. Татарская пустыня
7. Реферат Анализ прибыли и рентабельности продукции при принятии управленческих решений
8. Реферат Организация гостиничного хозяйства в зарубежных странах
9. Реферат Разработка и исследование имитационной модели разветвленной СМО системы массового обслуживания в
10. Курсовая Социальная политика Российской Федерации