Двухзеркальная параболічна антена кругової поляризації по схем

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Міністерство загальної та професійної освіти Російської Федерації
Томський Державний Університет Систем Управління та Радіоелектроніки
(ТУСУР)
Кафедра надвисокочастотної та квантової радіотехніки
(НВЧ і КР)
Двухзеркальная параболічна антена кругової поляризації за схемою Кассегрена
Пояснювальна записка до курсового проекту з дисципліни:
«Пристрої НВЧ і антени»
Студент гр. :
________
«___»_________.
Керівник:
проф. каф. НВЧ і КР
__________
«___»__________.

Реферат
Курсовий проект 17 с., 8 мал., 8 джерел.
ДІАГРАМА СПРЯМОВАНОСТІ, опромінювач, КРУГОВА ПОЛЯРИЗАЦІЯ, КОЕФІЦІЄНТ ВИКОРИСТАННЯ ПОВЕРХНІ, РІВЕНЬ БІЧНИХ ПЕЛЮСТКІВ.
Метою даної роботи є освоєння методів розрахунку параболічних дзеркальних антен і визначення їх основних характеристик.
Курсовий проект виконаний у редакторі Microsoft Word XP, всі розрахунки і побудови графіків виконані за допомогою програми Mathcad 2001 Professional.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УНІВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ ТА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ (ТУСУР)
Кафедра надвисокочастотної та квантової радіотехніки (СВЧіКР)

ЗАТВЕРДЖУЮ
Зав.кафедрою СВЧіКР
___________________
ЗАВДАННЯ 14
на курсове проектування з дисципліни "Пристрої НВЧ і антени»
студенту___________________________________________________, группа__________
1. Тема проекту: Двухзеркальная параболічна антена кругової поляризації за схемою Кассегрена.
2. Термін здачі проекту: _______________________
3. Вихідні дані:
Ширина ДН - 4 градуси
Діапазон частот - від 5,7 ГГц до 6,3 ГГц
УБЛ - не гірше - 25 дБ
Коефіцієнт еліптичності - не гірше 0,95
Вхід - коаксіальний на 75 Ом.
Література:
· Айзенберг Г.З., Ямпільський В.Г., Терешин О.М. Антени УКВ. - М.: Зв'язок, 1971. У 2-х частинах.
· Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектування лінзових, скануючих, широкодіапазонних антен і фідерних пристроїв. - М.: Енергія, 1973. - 440 с.
· Зузенко В.А., Кислов А.Г., Циган Н.Я. Розрахунок і проектування антен. - Л.: ЛВІКА, 1969.
· Покрас А.М., Сомов О.М., Цуріков Г.Г. Антени земних станцій супутникового зв'язку .- М.: Радіо і зв'язок, 1985. - 228 с.
• Ямпільський В.Г., Фролов О.П. Антени та ЕМС. - М.: Радіо і зв'язок, 1983. - 272 с.
4. Зміст пояснювальної записки:
Можливі застосування даного типу антен.
Розрахунок конструктивних розмірів і електричних характеристик опромінювача (ДН, поляризація, фазовий центр). Схема збудження. Апроксимація ДН.
Розрахунок профілів великого і малого дзеркал
Розрахунок характеристик антени (ДН, КНД, КІПа, УБЛ, Ке) на крайніх частотах діапазону
Розрахунок допусків на виготовлення дзеркал і установку опромінювача
Висновки.
5. Перелік графічного матеріалу:
Конструкція опромінювача з розмірами.
Загальний вигляд антени з розмірами.
Графіки розрахункових характеристик опромінювача і антени.
6. Дата видачі завдання :_____________________
КЕРІВНИК:
професор кафедри СВЧіКР __________________________
СТУДЕНТ: ___________________________________________________
Зміст
1 Введення
2. Основна частина
2.1 Розрахунок діаметрів дзеркал, фокусних відстаней і профілів дзеркал
2.2 Розрахунок опромінювача
2.3 Розрахунок характеристик антени

2.4 Вибір схеми і розрахунок поляризатора

2.4.1 Вибір розмірів хвилеводу
2.4.2 Розрахунок збудливого пристрою
Висновок
Список використаних джерел

1. Введення
В останнє десятиліття в областях космічної та радіорелейного зв'язку, радіоастрономії та інших широке поширення отримали двухзеркальние антени.
Основними достоїнствами осесиметричних двухзеркальних антен в порівнянні з однозеркальнимі є:
§ Поліпшення електричних характеристик, зокрема підвищення коефіцієнта використання поверхні розкриву антени, так як наявність другого дзеркала полегшує оптимізацію розподілу амплітуд по поверхні основного дзеркала.
§ Конструктивні зручності, зокрема спрощення підводки системи фідерного живлення до випромінювача.
§ Зменшення довжини хвилеводних трактів між приймально-передавальним пристроєм і опромінювачем, наприклад, шляхом розміщення приймального пристрою, поблизу вершини основного дзеркала.
Принцип дії двухзеркальних антен полягає в перетворенні сферичного хвильового фронту електромагнітної хвилі, випромінюваної джерелом, у плоский хвильовий фронт в розкриві антени в результаті послідовного переотроженія від двох дзеркал: допоміжного і основного з відповідними профілями.
У класичних схемах Кассегрена використовується наступне геометрооптіческое властивість відображення сферичної хвилі від поверхонь другого порядку: сферична хвиля, що випромінюється джерелом з фазовим центром, що збігається з одним з фокусів довільній поверхні другого порядку, в результаті переотраженія від неї перетвориться знову в сферичну хвилю, але з фазовим центром , що збігається з іншим фокусом.
Схема Кассегрена запропонована в 1672 р. для побудови оптичних телескопів.
Ця схема може бути взята за основу при побудові антенних пристроїв у діапазоні НВЧ при достатньо великому відношенні діаметра розкриву антени до довжини хвилі.
Антени Кассегрена широко використовуються в області радіорелейного та космічного зв'язку, у радіоастрономії, радіоуправлінні, радіолокації і т.д.
Для космічного зв'язку зазвичай будують антени великих розмірів з діаметром великого дзеркала в 20-30 м і більше. На тропосферних лініях зв'язку застосовуються антени сдіаметром розкриву 7-18 м. В області радіорелейного зв'язку застосовуються антени з діаметром розкриву від 0,5 до 5 м.
У даній роботі необхідно розрахувати двухзеркальную параболічну антену кругової поляризації за схемою Кассегрена.

2. Основна частина
2.1 Розрахунок діаметрів дзеркал, фокусних відстаней і профілів дзеркал

Знаходимо середню довжину хвилі заданого частотного діапазону:
[М]
Знайдемо значення хвильового числа k:

Знайдемо значення хвильового опору :


Діаметр основного дзеркала 2R п пов'язаний із заданою довжиною хвилі і потрібним кутом розчину діаграми спрямованості на рівні половинної потужності приблежения залежністю [6]:


Фокусна відстань вибирається зі співвідношення



звідки
Відстань між фокусами гіперболоїда f г вибирається залежно від вимоги до місця розміщення опромінювача. Зазвичай опромінювач розташовують поблизу центру основного дзеркала, з цього



У літературі наводиться наступне приблежения співвідношення для оптимального вибору діаметра гіперболоїда:
K-відношення діаметра ефективного розкриву опромінювача до діаметру затінювання (близька до 1 і зменшується при великому числі опромінювачів);
f-фокусна відстань параболоїда;
Звідки вибираємо R Г = 0.082 м.
Кут розкриття   визначається за формулою



Профіль параболи визначається в полярних координатах залежністю
Вид параболоїда і допоміжного дзеркала показаний на малюнку 1.

Рис.1-Профіль великого і малого дзеркала
Воспользовшісь поняттям про еквівалентному параболоїда знайдемо його фокус і кут розкриття:



2.2 Розрахунок опромінювача

В якості опромінювача будемо застосовувати рупор. Діаграму спрямованості невеликого рупора можна розрахувати за допомогою наступних наближених співвідношень:

       F E (Y) = (1 + cos (Y)) (sin (kb р sin (Y) / 2)) / (2kb р sin (Y) / 2) (2.2.1)
F H (Y) = (1 + cos (Y)) (cos (ka р sin (Y) / 2)) / (2 (1 - (2ka р sin (Y) / (2p)) 2)) (2.2 .2)
Де F E (Y), F H (Y) - нормовані діаграми спрямованості по напруженості поля в площинах E і H          відповідно;
Y - кут, відлічуваний від напрямку максимуму діаграми спрямованості;
a p і b p   - Розміри раскривa рупора в площинах H і E відповідно;

Далі користуючись графіком (малюнок 2) і формулами (2.2.1) і (2.2.2) знайдемо розміри a p і b p, зі співвідношення, якому повинна задовольняти Д.М. опромінювача (2.2.3):

0.238 = (1 + cos (Y 02)) F (Y 02) / 2 (2.2.3)
Тоді F (Y 02) = 0.25
Таким чином підставимо F (Y 02) в формули (2.1.1) і (2.1.2) і знайдемо значення sin (u 1) / u 1 і cos (u 2) / (1 ​​- (2 u 2 / p) 2).
Де u 1 = kb р sin (Y 02) / 2 для площини E і
u 2 = ka р sin (Y 02) / 2 для площини H.
Тепер з малюнка (2.1.1) знайдемо значення u 1 і u 2. З яких, висловимо а р і b р.

Рис.2 - Перебування значень u 1 і u 2

Тепер висловимо а р і b р. З графіка видно, що u 1 = 2.61, а u 2 = 3.34.
Таким чином, висловимо а р і b р з u 1 = kb р sin (Y 02) / 2 = 2.61 і u 2 = ka р sin (Y 02) / 2 = 3.34.
Тоді a р = 0.126 м., а b р = 0.098 м..
Діаграма спрямованості в різних площинах наведена на рисунку 3.
Так як ширина діаграми спрямованості для різних площин відрізняється незначно, то будемо проводити розрахунок тільки для однієї площини.
--- Для площини H
для площини E
Рис. 3 - Діаграма спрямованості рупорної антени

Коефіцієнт спрямованої дії рупора орієнтовно визначається:
(2.2.4)

Для забезпечення кругової поляризації в рупорні антену поміщають фазує секції. Помістимо в розкривши рупора фазує секцію (рис.4). Така фазує секція складається з нахилених під кутом 45 градусів паралельних металевих пластин, розташованих в розкриві рупора. Принцип роботи таких пластин заснований на тому, що падаюче на пластини лінійно поляризоване поле (наприклад, вертикально поляризоване поле) може бути розкладено на дві взаємно перпендикулярні складові поля (Etg і En) з однаковими фазами й амплітудами (мал. 5). Тонкі металеві пластинки впливають на швидкість розповсюдження тільки тією складовою поля, електричний вектор якої паралельний пластин (тобто Etg).
Вибираючи відстань між пластинами a та їх ширину l, можна отримати необхідний зрушення фаз між складовими поля.
Відстань між пластинами вибирається з наступного нерівності:
.
Візьмемо x = 0,75 λ = 0,75 * 0,05 = 0,375 м. (2.2.5)
Ширина пластин l фазує секції, при якій на її виході дві взаємно перпендикулярні складові поля Etg і En будуть зрушені по фазі на 90 градусів, визначається за формулою:
, Де (2.2.6)
(2.2.7)
-Довжина хвилі у вільному просторі.

Рис. 4-рупорна антена з фазує секцією

Рис. 5-Розкладання поля металевими пластинами в розкриві рупора на складові

2.3 Розрахунок характеристик антени
Тепер, коли основні дані опромінювача і параболоїда наближено знайдені, слід зробити розрахунок діаграми спрямованості. Найбільш універсальним є апертурний метод розрахунку, яким ми і скористаємося.
Розрахунок апертурний методом виконується зазвичай в 2 етапи.
За відомою нормованої діаграмі спрямованості опромінювача F (y) визначається полі
в розкриві параболоїда F (r). При цьому вважається, що фазовий центр опромінювача (точка, з якої поширюються сферичні хвилі) суміщено з фокусом параболоїда, а параболоїд знаходиться від опромінювача на відстані, відповідному далекій зоні. Як відомо, в сферичної хвилі амплітуда напруженості поля убуває назад пропорційно відстані, тому на шляху від фокуса до поверхні дзеркала (відстань від фокуса до різних точок параболоїда різне) відбудеться зміна амплітудних співвідношень відповідно до зміни r / (r / зростає в міру руху точки від центру дзеркала до його периферії). Після відбиття від поверхні дзеркала пучок променів приймається за паралельний, а хвиля за плоску. З цієї причини можна вважати, що амплітудні співвідношення поля на поверхні дзеркала відповідають амплітудним співвідношенням на розкриві. Крім того, рівність шляхів, прохідних будь-яким променем від фокуса до поверхні розкриву, дозволяє стверджувати, що поле на розкриві буде синфазним.
Поле на розкриві можна представити вже відомим виразами. Якщо ввести нормований розкривши ( r змінюється від 0 до R П, а R при цьому набуває значення від 0 до 1), то нормований розподіл поля на нормованому розкриві можна записати у вигляді
(2.3.1)
Остання операція необхідна для того, щоб можна було користуватися при розрахунку діаграми спрямованості l-функціями.
При розрахунку розподілу поля на розкриві доцільно скласти табл. 2.3.1
Таблиця 2.3.1
j
sin (j)
cos (j)




F (R)
0
2.5
5
7.5
10
12.5
15
17.5
20
22.5
25
0
0.044
0.087
0.131
0.174
0.217
0.259
.301
0.343
0,383
0.423
1
0.999
0.996
0.991
0.985
0.976
0.966
0.954
0.94
0.924
0.906
1.05
1.051
1.052
1.055
1.058
1.063
1.068
1.075
1.083
1.092
1.102
0.246
0.246
0.246
0.245
0.244
0.243
0.242
0.24
0.239
0.237
0.235
0
0.046
0.092
0.138
0.184
0.23
0.277
0.324
0.371
0.418
0.466
0
0.098
0.195
0.293
0.392
0.49
0.589
0.689
0.789
0.89
0.993
1
0.988
0.952
0.895
0.82
0.732
0.635
0.534
0.434
0.339
0.252
Таким чином, в результаті розрахунку на першому етапі визначено нормований розподіл поля на розкриві.
Розподіл поля в розкриві дзеркала антени показано на рис. 6.
· По знайденому розподілу поля на розкриві обчислюється діаграма спрямованості дзеркальної антени . Типова картина розподілу поля на розкриві дзеркала показана на рисунку 7. Вона може бути аппроксимирована за допомогою співвідношення:
(2.3.2)
де = 0.25-рівномірна частина розподілу поля;
= 0.75-нерівномірна частина розподілу поля;
Графік апроксимації при n = 2 зображений на малюнку 6.

Рис.6-апроксимувати ДН
Вираз для нормованої діаграми спрямованості антени буде мати вигляд:

Нормована діаграма спрямованості

де -
- Радіус великого дзеркала
- Функція порядку n, аргумент U
- Лямбда-функція (2.3.4)
Побудуємо діаграму спрямованості дзеркальної антени в декартовій системі координат.

Рис.7 - Діаграма спрямованості дзеркальної антени в декартовій системі координат


Коефіцієнт спрямованої дії антени
(2.3.5)
(2.3.6)
Коефіцієнт використання поверхні антени
(2.3.7)
Розрахуємо допуск на установку опромінювача в фокальній площині. Найбільша відносна расфазіровка виходить на краю дзеркала [3].
мм (2.3.8)
Розрахуємо допуск на установку опромінювача в площині, перпендикулярної фокальній. Він обчислюється з умови, що коефіцієнт спрямованої дії антени знижується на 10%.
мм (2.3.9)
З графіка діаграми спрямованості можна визначити рівень бічних пелюсток, що дорівнює мінус 25 дБ.

2.4 Вибір схеми і розрахунок поляризатора

3
2
1
Рупорна антена з обертовою поляризацією складається з наступних елементів:
1. Рупор;
2. Хвилевід;
3. Збудливого пристрою;
Рис.8 - рупорна антена з обертовою поляризацією
Одним з найважливіших елементів рупорної антени з обертовою поляризацією є збудливу пристрій. Воно призначене для формування двох перпендикулярно-поляризованих хвиль з необхідним співвідношенням амплітуд, причому небажані типи хвиль не мають порушуватись. Збудник повинен ефективно працювати у всьому діапазоні хвиль. Нехай приймач з'єднаний з антеною коаксіальним кабелем. Порушення антенного хвилеводу буде здійснюватися штирем розташованим під 45 градусів в кутку перерізу прямокутної секції хвилеводу, штир з'єднується з приймачем коаксіальним кабелем.
2.4.1 Вибір розмірів хвилеводу
Розміри рупора розраховані раніше: a р = 0.126 м., b р = 0.098 м.
Визначимо довжину рупора в площині E.
, Тоді Rв = 0.096 м. (2.4.1)
Визначимо довжину рупора в площині Н.
, Тоді Rа = 0,105 м. (2.4.2)
Обчислимо кути розкриву рупора:
, Ψа = 30.8 ° (2.4.3)
, Ψb = 37.4 ° (2.4.4)
Фазовий центр: , Fc = 0.101 м. (2.4.5)
Вибір розмірів поперечного перерізу прямокутного хвилеводу (рис.9) а і b виробляється з умови розповсюдження в хвилеводі тільки одного типу
хвилі H 10: 0.6l £ a £ 0.9l
Приймемо а = 0.75l = 0.0375 м. (2.4.6)
Розмір b повинен відповідати умові:
, Тоді b = 0.023 м (2.4.7)

Рис.9 - Прямокутний хвилевід з встановленим похилим штирем
Довжина відрізка хвилеводу i 1 від збудливого штиря до закорочує стінки вибирається з умови узгодження з живильним коаксіалом.
, Тоді t1 = 0.017 м. (2.4.8)
Довжина хвилеводу i 2 від збудливого пристрою до горловини рупора вибирається з умови фільтрації вищих типів хвиль. Поблизу штиря крім хвилі H 10 збуджується безліч вищих типів хвиль, всі вони опиняються в за критичному режимі і в міру руху до рупор загасають у exp. Вищі типи хвиль не повинні проходити в горловину рупора, а потім у його розкривши, для цього їх амплітуда повинна зменшитися на довжині i 2 приблизно в 100 разів.
, (2.4.9)
де l кр H 11 - критична довжина хвилі H 11, рівна a.
Звідси i 2 = 0.042 м.
Знайдемо відстань від розкриву до горловини рупора, однакове в площинах E і H:
h = R А-R А a / a p (2.4.10)
h = 0.105-0.105 × 0.0375/0.126 = 0.074 м.
2.4.2 Розрахунок збудливого пристрою
Хвиля, відбита від дзеркала, погіршує узгодження опромінювача лише в тому випадку, коли її поляризація відповідає поляризації опромінювача в режимі прийому. Тому опромінювач з круговою поляризацією не приймає відбиту хвилю, так як напрямок обертання вектора Е поля після відбиття від металу змінюється на протилежне і хвиля не проникає в лінію, яка живить опромінювач.
Критерієм узгодження збудливого пристрою з хвилеводом служить режим біжучої хвилі в коаксіальному живильному фідері, тобто рівність вхідного опору R вх збудливого пристрою хвильовому опору фідера r ф (для коаксіального проводу 75 Ом).

R вх = r ф (2.4.11)
(2.4.12)
де x 1 = a / 2 - положення штиря на широкій стінці хвилеводу (по середині);
r в = 120pl в / l = 120p × 0.067/0.05 = 505 Ом-хвильовий опір хвилеводу;
h д - діюча висота штиря в хвилеводі, геометрична висота якого l визначається за наступною формулою:
(2.4.13)
Тепер з формули (2.4.12) виразимо h д:

З формули (2.4.13) знайдемо геометричну висоту штиря
На цьому розрахунок рупорної антени з обертовою поляризацією закінчений.

Висновок
У даній роботі була спроектована параболічна дзеркальна антена кругової поляризації з рупорні опромінювачем з наступними характеристиками:
Ширина діаграми спрямованості головного пелюстка 4 °
Коефіцієнт спрямованої дії 3150
Коефіцієнт використання поверхні 0.05
Рівень бічних пелюсток мінус 25 дБ
Допуск на установку опромінювача:
По горизонталі 0.565 см
По вертикалі ± 1.5 см

Список використаних джерел
1. Айзенберг Г. З., Ямпільський В. Г., Терешин О. М., Антени УКВ. - М.: Зв'язок, 1971. У 2-х частинах.
2. Конарейкін Д. Б., Потєхін В. Л., Шишкін І. Ф. Морська поляриметрія. - Л.: Суднобудування, 1968. - 328 с.
3. Лавров А. С., Резніков Г. Б. Антенно-фідерні пристрої. Навчальний посібник для вузів. - М.: Радянське радіо, 1974. - 368 с.
4. Антени та пристрої НВЧ. Розрахунок і проектування антенних решіток і їх випромінюючих елементів. Навчальний посібник для вузів. / Под ред. професора Воскресенського Д. І. - М.: Радянське радіо, 1972. - 320 с.
5. Жук М. С., Молочков Ю. Б. Проектування лінзових, скануючих, широкодіапазонних антен і фідерних пристроїв. - М.: Енергія, 1973. - 440 с.
6. Зузенко В. А., Кислов А. Г., Циган Н. Я. Розрахунок і проектування антен. - Л.: ЛВІКА, 1969.
7. Хміль В. Ф. Антени та пристрої НВЧ. Збірник завдань. Видавнича об'єднання «Вища школа», 1976. - 216 с.
8. Кочержевскій Г. М. Антенно-фідерні пристрої: Підручник для вузів. М.: Радіо і зв'язок, 1981. - 280 с., Іл.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Курсова
62.5кб. | скачати


Схожі роботи:
Проблема поляризації країн
Виховання фізичних якостей методом кругової тренування
Про орієнтаційної поляризації спінових систем
Антена випромінює
Спіральна антена
Вивчення плоских діелектричних хвилеводів для ТЕ поляризації
Дзеркальна антена РЛС
Розвиток силових якостей у юних футболістів 15-16 років методом кругової тренеровки
Розвиток силових якостей у юних футболістів 15 16 років методом кругової тренеровки
© Усі права захищені
написати до нас