РЕСПУБЛІКА КАЗАХСТАН
АЛМАТІТНСКІЙ ІНСТИТУТ ЕНЕРГЕТИКИ ТА ЗВ'ЯЗКУ
ФАКУЛЬТЕТ радіотехніки ТА ЗВ'ЯЗКУ
Кафедра Радіотехніки
Курсова робота
на тему: "Малошумящий однозеркальние параболічні антени"
Алмати 2008
ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ
Робоча частота f, ГГц
Ширина ДН на рівні половини потужності 2 Q 0,5 Н, мрад
Ширина ДН на рівні половини потужності 2 Q 0,5 Е, мрад ...
Рівень бічних пелюсток, дБ
Середня яркостная температура неба Т НСР, ° К
Температура шумів приймача Т пр, ° К
Довжина фідерної лінії l ф, м
Тип опромінювача
Відкритий кінець прямокутного хвилеводу
ЗМІСТ
Технічне завдання
Зміст
Введення
1. Розрахунок геометричних і електродинамічних параметрів опромінювача і параболоїда:
вибір фідера. Визначення шумової температури фідерного тракту;
визначення діаметра розкриву;
апроксимація аналітичного вигляду ДН опромінювача функцією виду
cos n / 2 Y;
визначення кута розкриву й фокусної відстані дзеркальної антени.
2. Розрахунок геометричних і електродинамічних характеристик поля:
діаграми спрямованості опромінювача;
розподіл поля в апертурі дзеркала.
3. Розрахунок просторової діаграми спрямованості та визначення параметрів параболічної антени.
4. Конструктивний розрахунок антени:
розрахунок профілю дзеркала;
вибір конструкції дзеркала;
визначення допусків на точність виготовлення
Висновки
Список літератури
Додаток А
ВСТУП
Параболічні антени в останній час знаходять все більш широке застосування в космічних і радіорелейних лініях зв'язку. У 1888 році відомий німецький фізик Г. Герц в своїх дослідах по НВЧ оптиці вперше застосував в якості фокусуючого пристрої параболічний циліндр. Інтерес до дзеркальних антен не слабшає і в наші дні у зв'язку зі стрімким розвитком космічних радіотехнічних систем і комплексів. Достатня простота і легкість конструкції, можливість формування найрізноманітніших діаграм спрямованості, високий ККД, мала шумова температура - ось основні переваги, дзеркальних антен, які обумовлюють їх широке застосування в сучасних радіосистемах. Метою даної курсової є освоєння методики проектування дзеркальних параболічних антен: визначення їх основних електродинамічних параметрів і конструктивний розрахунок. У курсовій роботі визначення поля випромінювання параболічної антени проводиться апертурний методом, який широко застосовуємо при проектуванні дзеркальних антен.
1. Розрахунок геометричних і електродинамічних параметрів опромінювача і параболоїда
вибір фідера. Визначення шумової температури фідерного тракту
Як фідера будемо використовувати прямокутний хвилевід для частоти f = 5 ГГц ([1], додаток А):
a x b = 4.0 x 2.0 (см);
a = 0.0431 (дБ / м).
Шумова температура фідерного тракту Т АФУ визначається за формулою:
,
де α - коефіцієнт загасання лінії передачі [дБ / м],
l ф - довжина фідерної лінії [м].
ККД визначається за формулою:
визначення діаметра розкриву
Дзеркальна антена - спрямована антена, яка містить первинний випромінювач і відбивач антени у вигляді металевої поверхні. Параболічна дзеркальна антена представлена на малюнку 1.
Малюнок 1 - Дзеркальна параболічна антена
У випадку рівномірно порушеної розкриву параболічного дзеркала ширина ДН наближено визначається:
,
де
2Q 0.5 - ширина діаграми спрямованості на рівні половинної потужності, радий.;
l - довжина хвилі випромінюваного (прийнятого) антеною радіосигналу;
R 0 - радіус розкриву дзеркала (малюнок 1).
Довжина хвилі визначається за формулою:
Нерівномірний збудження розкриву дзеркала призводить до деякого розширення головної пелюстки ДН, тому що зменшується ефективна площа розкриву. Найчастіше діаграми спрямованості дзеркальних антен не мають осьовою симетрією, тобто ширина головного пелюстка в площинах Е і Н різна. У більшості практичних випадків це тягне за собою наступне зміна:
, Де
2Q Е 0.5, 2Q Н 0.5 ширина ДН відповідно в площинах Е і Н.
Для Е і Н площин відповідно знайдемо радіус розкриву:
Так як в курсової є дані про ширину діаграми спрямованості в обох площинах, можна визначити діаметр розкриву d p = 2 × R 0, причому з отриманих двох значень діаметра слід вибрати найбільше. Отже, R 0 = 0,476 (м).
d p = 2 × R 0 = 2 × 0,476 = 0,952 (м)
апроксимація аналітичного вигляду ДН опромінювача функцією виду cos n / 2 Y
Залежно від розміщення опромінювача щодо дзеркала можна отримати те чи інше значення КНД. При певному оптимальному відношенні R o / f o КНД найбільший. Це пояснюється тим, що кількість втрачається енергії залежить від форми діаграми спрямованості опромінювача і від відношення R o / f o. При зменшенні відносини R o / f o від оптимального КНД зменшується, тому що збільшується частина енергії, що проходить повз дзеркало. З іншого боку, збільшення цього відносини також призводить до зменшення КНД у зв'язку з більш сильним відхиленням закону розподілу порушення від рівномірного; оптимальне значення R o / f o визначається за апроксимованими нормованої ДН опромінювача (апроксимація функцією виду F (q) = cos n / 2 (q), де n визначає ступінь витягнутості ДН опромінювача). Для опромінювача у вигляді пірамідального рупора n = 6 ([1], таблиця 4.1).
визначення кута розкриву й фокусної відстані дзеркальної антени
З точки зору оптимізації геометрії антени по максимальному відношенню сигнал / шум необхідно провести наступний розрахунок.
Чутливість g визначається за формулою:
Де перші чотири коефіцієнта не залежать від y о, а g 'обчислюється:
, Де
Т 1 = Т пр + Т 0 × (1 - η) + η × Т НСР = 1500 × 290 × (1 - 0.871) + 0.871 × 5 = тисяча п'ятсот сорок два До
Т о = 290 К;
u = (0.02 - 0.03) - коефіцієнт, що враховує «переливання» частини потужності опромінювача через краї дзеркала;
u = 0.025;
S = π × R 2 = 3.14 × 0,476 = 0,712 м 2, площа апертури дзеркала;
n = 6 - визначається типом опромінювача;
a 1 = 1 - cos n +1 Y 0;
σ а / 2 R = 0.4 × 10 -4 - точність профілю дзеркала.
Побудуємо графік функції γ `(Y 0), по максимуму якого визначимо кут розкриття дзеркала.
Графік 1 - Графік функції γ `(Y 0)
Y 0 = 0.8 2 (рад) = 4 6, 9 83 ° Þ a 1 = 0, 931, g = 0,877, g `= 5,216 × 10 -4.
Фокусна відстань f може бути знайдено з наступного співвідношення:
Залежно від розміщення опромінювача щодо дзеркала можна отримати те чи інше значення КНД. При певному оптимальному відношенні R 0 / f 0 КНД найбільший. Заданий інтервал відносини R 0 / f 0 = (0.8 ÷ 1.0). Розрахункове відношення R 0 / f 0 = 0.89, що задовольняє умові.
Визначимо шумову температуру антеною системи:
2. Розрахунок геометричних і електродинамічних характеристик поля
діаграми спрямованості опромінювача
Розрахунок зводитися до визначення геометричних розмірів опромінювача, при яких зменшення амплітуди поля на краю розкриву дзеркала відбувається до однієї третини амплітуди поля в центрі розкриву, і діаграми спрямованості опромінювача.
Малюнок 3 - відкритий кінець прямокутного хвилеводу
ДН рупорної антени розраховуються за формулами:
в Е площині
в Н площині , Де
β 0 = 2 × π / λ - хвильове число
-Апроксимація аналітичного вигляду ДН опромінювача
Оскільки Ro-радіус розкриву дзеркала, був обчислений за приблизною формулою він не задовольняє обчислень, внаслідок чого я вибрав Ro = 0,407 (м) задовольняє подальшим обчислень.
d p = 2 × R 0 = 2 × 0,407 = 814 (м);
S = π × R 2 = 3.14 × 0,407 = 1,52 м 2, площа апертури дзеркала;
Графік 2 - ДН опромінювача (відкритий кінець прямокутного хвилеводу)
розподіл поля в апертурі дзеркала
Розрахунок розподілу поля в апертурі дзеркала здійснюється за наступними формулами:
, Де
F 0 (Y) - діаграма спрямованості опромінювача, Y 0 - кут розкриття, Y - поточний кут.
, Де
f 0 - фокусна відстань.
Графік 3 - Розподіл поля в апертурі дзеркала
У даному випадку Y 0 - поточний кут, а Y - зрушення фаз між струмами.
3. Розрахунок просторової діаграми спрямованості та визначення параметрів параболічної антени
Інженерний розрахунок просторової діаграми спрямованості ДН параболічної антени часто зводиться до визначення ДН ідеальної круглої синфазної майданчики з нерівномірним розподілом напруженості збудливого поля. У даному випадку розподіл напруженості збудливого поля в основному визначається ДН опромінювача у відповідній площині. Вираз для нормованої ДН дзеркальної параболічної антени при цьому має вигляд:
,
де J 1, J 2 - циліндричні функції Бесселя першого і другого порядку.
,
де
Е кр, Е мах - амплітуди поля на краю і в центрі розкриву.
Коефіцієнт, що показує у скільки разів амплітуда збудливого поля, на краю розкриву менше амплітуди в центрі розкриву у відповідній площині з урахуванням відмінностей відстаней від опромінювача до центру дзеркала і до краю дзеркала;
Побудуємо ДН дзеркальної параболічної антени:
для площини Н
Графік 4 - Просторова ДН в площині Н
для площини Е
Графік 5 - Просторова ДН в площині Е
Рівень бічних пелюсток.
Для площині Е
Для площині Н
Наближено коефіцієнт спрямованої дії дзеркальної антени визначається виразом:
,
де
S - площа розкриву;
υ рез - результуючий коефіцієнт використання поверхні
Коефіцієнт використання поверхні:
Ефективна площа антени:
Коефіцієнт спрямованої дії:
Коефіцієнт підсилення антени:
4. Конструктивний розрахунок антени
Розрахунок профілю дзеркала
Дзеркальні антени мають найбільший КНД при синфазном порушення розкриву (плоский фазовий фронт хвилі). Параболічний профіль дзеркала забезпечує однакові довжини електричних шляхів від опромінювача, встановленого у фокусі параболоїда обертання, до кожної точки площини розкриву (властивість параболи). У полярній системі координат парабола описується рівнянням
,
де
r, Y - полярні координати;
f - фокусна відстань;
Y змінюється від 0 до Y 0.
Графік 6 - Плоский фазовий фронт хвилі
Вибір конструкції дзеркала
З метою зменшення ваги і вітрових навантажень поверхня дзеркала часто виконується перфорованою, або сітчастої
Малюнок 3 - Конструкція дзеркала
При такій конструкції дзеркала частина енергії просочується крізь нього, утворю небажане випромінювання. Допустимим є значення коефіцієнта проходження у зворотному напрямку.
,
де
Р пад, Р обр - потужність випромінювання падає на дзеркало і в зворотному напрямку, відповідно.
Дволінійна сітка працює задовільно при відстані між провідниками менше 0.1 l і діаметрі проводів не менше 0.01 l.
d п = 0.1 × 0.06 = 0.006 (м);
d = 0.01 × 0.06 = 0.0006 (м).
Визначення допусків на точність виготовлення
Неточність виготовлення дзеркала викликає несінфазность поля в розкриві. Припустимими є фазові спотворення поля в розкриві дзеркала не більш ± p / 4. При цьому зменшення коефіцієнта посилення антени не перевищує декількох відсотків.
Нехай поверхня параболоїда має деякі нерівності (виступи і поглиблення). Найбільше відхилення від ідеальної поверхні в напрямку r позначимо через Δ r.
Рисунок 4 - Допуски на точність виготовлення дзеркала
Шлях променя, відбитого від нерівності в місці найбільшого відхилення від r змінюється при цьому на величину Dr + Dr × cos Y, а відповідний зсув фаз складе величину Dj = b × Dr × (1 + cos Y), і він не повинен перевищувати величину p / 4, звідси отримуємо
Аналіз отриманого виразу для Dr показує, що поблизу центру параболоїда (Y = 0) необхідна точність виготовлення дзеркала найвища. Тут найбільше відхилення від ідеальної поверхні не повинне перевершувати величини l / 16 (тобто 0.013) у кромки параболоїда вимоги до точності виходять найменшими. Точність установки опромінювача також визначається нормами на найбільші допустимі фазові спотворення поля в розкриві. Нехай фазовий опромінювач зміщений на D х. Тоді довжини шляхів променів від фазового центру до розкриву збільшуються. Найбільше подовження шляху відбувається у променів, падаючих на вершину дзеркала. Це подовження шляхів при малих зсувах можна приблизно визначити як D х × cos Y. Тоді зміна фази складе величину
,
де
Dj 0, Dj а - фазові спотворення, що виникають через неточності установки опромінювача, в центрі і на краю розкриву, відповідно. Ця величина не повинна перевищувати p / 4, звідси отримуємо:
Таким чином, із збільшенням кута розкриву точність і установка опромінювача у фокусі підвищується.
Висновки
У результаті проведеної роботи порівняємо отримані дані з вихідними:
Вихідні дані:
2Q Н 0.5 = 77 мрад - ширина ДН на рівні половинної потужності в площині Н
2Q Е 0.5 = 82 мрад - ширина ДН на рівні половинної потужності в площині Е
УБЛ = -29 дБ - рівень бічних пелюсток
Розраховані дані:
- Рівень бічних пелюстків у площині Н
- Відхилення бічних пелюстків у
площині Н від заданого значення
- Рівень бічних пелюстків у площині Е
- Відхилення бічних пелюстків у
площині Е від заданого значення
Отримана ширина ДН:
2Q Н 0.5 = 81,4 мрад
2Q Е 0.5 = 81 мрад
- Відхилення в площині Н
- Відхилення в площині Е
Відхилень в площині Н і Е незначне.
Зниження рівня далекого бічного випромінювання антени забезпечується насамперед спадом амплітуди збудливого поля до країв розкриву. Інтенсивність дифракційного поля може бути оцінена методом геометричної теорії дифракції (ВМД).
Інший шлях зниження поля в задньому півпросторі полягає у використанні спеціальних екранів, що послаблюють розсіяне поле. Цей спосіб можна проілюструвати на прикладі рупорної антени. На малюнку 17 показано звичайна рупорна антена зі спеціальними екранами. Екрани виконані у вигляді частини поверхні параболічного циліндра, фокальні лінії яких поєднані із крайками рупора. У такій схемі помітно знижується рівень випромінювання в задньому півпросторі, але конструкція є занадто складною. У дзеркальних антенах можуть бути використані більш прості плоскі екрани, як показано на малюнку 18, а і б. Використання одного екрану дозволяє зменшити рівень поля в задньому півпросторі на 8 ... 14 дБ. Два послідовно розташованих екрану забезпечують зменшення рівня поля на 20 ... 25 дБ. Ці екрани можуть виконуватися з листового металу або густий дротяної сітки, причому жорстких вимог до точності виконання та встановлення екранів не пред'являється.
Малюнок 17. Рупорна антена.
Малюнок 18. Дзеркальні антени. Малюнок 19. Типи расфазірующіх крайок
Третій шлях зниження інтенсивності дифракційних полів заснований на деформації контуру розкриву антени. Так, якщо контур розкриву представляє коло з центром, що лежить на фокальній осі параболоїда, всі струми контуру порушуються синфазно, що обумовлює високий рівень дифракційного поля в напрямку 2 = 180 °. Для зменшення рівня цього поля необхідно надати кромці параболоїда таку форму, при якій парціальні дифракційні поля, порушувані окремими ділянками крайок, були б расфазіровани у напрямках, близьких до 2 = 180 °. На рисунку 19 наведені різні типи расфазірующіх крайок (спіральна, трикутна, пелюсткова). Вони зменшують випромінювання у напрямках, близьких до 2 = 180 °, на 5 ... 6 дБ.
Четвертий шлях зниження далекого бічного випромінювання антени пов'язаний з виконанням периферійної частини поверхні розкриву антени з радіопост-глощающего або частково радіопрозорого матеріалу. Найбільш просто такий матеріал виконати у вигляді металевого листа, поверхня якого перфорована отворами. Змінюючи розміри отворів і їх щільність розташування, можна домогтися зменшення інтенсивності розсіяного поля.
На закінчення відзначимо, що ще одним істотним чинником, що визначає далеке бічне випромінювання антен (втім, як і близьке), є наявність статистичних розподілених помилок амплітудно-фазового розподілу, обумовлених, наприклад, технологічними погрішностями виконання профілю дзеркала.
Список літератури
Гончаров В.Л. Татлах А.Л. «Малошумящий однозеркальние параболічні антени і розповсюдження радіо хвиль», 1998;
Вознесенський Д.І. «Антени. Сучасний стан і проблеми », М: Радянське радіо, 1979;
Марков Г.Т. Сазанов Д. М. «Антени», М: Енергія, 1975;
Кочержевскій Г.М. «Антенно-фідерні пристрої», М: Радіо і зв'язок, 1981;
Айзенберг Г.З. «Антени ультракоротких хвиль», М: Связьіздат, 1957;
Хміль В.Ф. «Антени і Пристрої НВЧ», Київ 1976.