Курсовая Расчет зеркальной параболической антенны с облучателем в виде конического рупора
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-25Поможем 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.
от 25%
договор
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 =
dp = 2×R0 = 2×3.673 =
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 =
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
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:
,
|
|
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
|
|
|
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 =
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
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 =
d = 0.01 × 0.3 =
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