Содержание пояснительной записки
Исходныеданные для расчета
Сравнительныйанализ антенных устройств
1)Вибраторные антенны
2) Щелевые антенны
3)Волноводно-рупорные антенны
4) Антенны поверхностныхволн
5)Спиральные и логопериодические антенны
6) Линзовые антенны
7)Зеркальные антенны
А) Однозеркальные антенны
Б) Двухзеркальныеантенны
Выбортипа антенны
Выборконструкции антенны
Расчетконструкции антенны
1)Расчет волновода
2) Расчет элемента антеннойрешетки
Расчетпараметров и характеристик антенны
Выборсхемы и конструкция устройства питания антенны
Выводы
ИспользованнаялитератураИсходные данные для расчета
Орбита спутниковогоретранслятора (СР) – геостационарная (ее высотанад экватором Земли 35875 км)
Эквивалентнаяизотропно излучаемая мощность – 44,7 кВт
Средняя частота излученияСР – 16,4 ГГц
Ширина спектра излученияСР – 18 МГц
Поляризация излучения СР– линейная
Угол места СР – 21°
Мощность сигнала навыходе антенны – 0,3 пВт Сравнительный анализ антенных устройств
1)Вибраторные антенны (наиболее просты в изготовлении, вследствие чего наиболеераспространены, особенно на частотах метрового и дециметрового диапазонов.Вследствие низкого КНД используются в основном как приемные. Легко может бытьреализована как линейная, так и круговая поляризация (турникетные антенны). Прииспользовании специальной конструкции могут быть достаточно широкополосные(диполь Надеенко) – полоса до 50%. Входные сопротивления могут изменятся вбольшом диапазоне значений в зависимости от конструкции):
а) Полуволновойвибратор:
Форма ДН – тороидальная
Ширина ДН – />
Достижимый КНД – 1,64
Диапазон волн – МВ, ДМВ,СМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,3…1,5
Поляризация – линейная,однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работатьс полем эллиптической поляризации
б) Петлевойвибратор Пистолькорса:
Форма ДН – тороидальная
Ширина ДН – />
Достижимый КНД – 1,64
Диапазон волн – МВ, ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – 2…2,5
Поляризация – линейная,однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работатьс полем эллиптической поляризации
в) Волновойвибратор:
Форма ДН – тороидальная
Ширина ДН – />
Достижимый КНД – 2,5
Диапазон волн – МВ, ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,35
Поляризация – линейная,однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работатьс полем эллиптической поляризации
г) Вибратор слинейным пассивным рефлектором:
Форма ДН – приблизительнокардиоида вращения
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – не менее -15 дБ
Достижимый КНД – 4…6
Диапазон волн – МВ, ДМВ,СМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,35
Поляризация – линейная,однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работатьс полем эллиптической поляризации
д) Вибратор сплоским рефлектором:
Форма ДН – приблизительнокардиоида вращения
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – не менее -16,5…-9 дБ
Достижимый КНД – до 7
Диапазон волн – МВ, ДМВ,СМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,3…1,5
Поляризация – линейная,однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работатьс полем эллиптической поляризации
е) Директорнаяантенна:
Форма ДН – игольчатая,без учета влияния Земли
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -15…-10,5 дБ
Достижимый КНД – 40
Диапазон волн – МВ, ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,1…1,35
Поляризация – линейная,однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работатьс полем эллиптической поляризации
ж) Многовибраторнаясинфазная антенна с пассивным рефлектором:
Форма ДН – игольчатая иливеерная
Ширина ДН – до />
Уровень боковых (задних)лепестков – -15…-9 дБ
Достижимый КНД –ограничивается лишь конструктивными особенностями
Диапазон волн – МВ, ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,15…1,35
Поляризация – линейная,однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работатьс полем эллиптической поляризации
2) Щелевые антенны (ввиду отсутствия выступающих частейизлучающая поверхность может быть совмещена с внешними обводами корпусалетательного аппарата; распределение поля в раскрыве может выбираться в широкихпределах за счет изменения связи излучателя с волноводом; имеет сравнительнопростое возбуждающее устройство; проста в эксплуатации; имеет ограниченныйдиапазон свойств):
а) Одиночнаяодносторонняя щель в плоском экране бесконечных размеров:
Форма ДН – широкийоднонаправленный лепесток
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – четко выраженных боковых лепестков нет
Достижимый КНД – 3…3,5
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,1
Поляризация – линейная
б) Кольцеваящель:
Форма ДН –воронкообразная
Ширина ДН –ненаправленная в плоскости щели
Уровень боковых (задних)лепестков – четко выраженных боковых лепестков нет
Достижимый КНД –несколько единиц
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,5
Поляризация – линейная
в) V-образная щель
Форма ДН –воронкообразная
Ширина ДН –ненаправленная в плоскости щели
Уровень боковых (задних)лепестков – четко выраженных боковых лепестков нет
Достижимый КНД –несколько единиц
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,4
Поляризация – линейная
г) Крестообразнаящель:
Форма ДН – широкийоднонаправленный осесимметричный лепесток
Ширина ДН – />по θ-му компоненту и /> по j-му
Уровень боковых (задних)лепестков – четко выраженных боковых лепестков нет
Достижимый КНД – 3,5…4
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,1
Поляризация –эллиптическая
д) Двухщелевойоблучатель:
Форма ДН – широкийоднонаправленный осесимметричный лепесток
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – четко выраженных боковых лепестков нет
Достижимый КНД – 7…8
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,1
Поляризация – линейная
е) Одиночнаямногощелевая антенна:
Форма ДН – веерная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – более -25 дБ
Достижимый КНД – 400
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,1
Поляризация – линейнаяили эллиптическая
ж) Плоскаярешетка:
Форма ДН – игольчатая
Ширина ДН – до />
Уровень боковых (задних)лепестков – более -25 дБ
Достижимый КНД –3500…4500
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,1
Поляризация – линейнаяили эллиптическая
3) Волноводно-рупорные антенны (наиболее простые антенны,являющиеся частью питающего волновода. Имеют высокий КПД порядка 100%, являютсяширокополосными устройствами, однако для достижения высокого КНД необходимоувеличивать ширину раскрыва рупора. При этом ухудшается его согласование сволноводом, так что нужно увеличивать длину рупора пропорционально квадратуувеличения его поперечных размеров. Для обеспечения круговой поляризациинеобходимо вводить дополнительные элементы в раствор рупора, либо применятьпару рупоров с взаимным смещением фаз 900):
а) Открытый конецволновода:
Форма ДН –однонаправленный широкий лепесток
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – четко выраженных боковых лепестков нет
Достижимый КНД – 2…5
Диапазон волн – СМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – 2,6…2,9
Поляризация – линейная(нетрудно получить круговую)
б) Секториальныеплоскостные оптимальные рупоры:
Форма ДН – веерная
Ширина ДН – в плоскостирасширения />
Уровень боковых (задних)лепестков – -14…-9 дБ (уровень бокового излучения взят для направления,соответствующего первому боковому лепестку)
Достижимый КНД – 6…50
Диапазон волн – СМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – 2,6…2,9
Поляризация – линейная
в) Коробчатыйрупор:
Форма ДН – веерная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – />
Достижимый КНД – 2…40
Диапазон волн – СМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – 2,6…2,9
Поляризация – линейная
г) Пирамидальныйи конический оптимальные рупоры:
Форма ДН –однонаправленный узкий лепесток
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – /> (уровень боковогоизлучения взят для направления, соответствующего первому боковому лепестку)
Достижимый КНД – 10…400
Диапазон волн – СМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – 2,6…2,9
Поляризация – линейная(нетрудно получить круговую)
4) Антенны поверхностных волн (обладают малыми поперечнымиразмерами, хорошими диапазонными свойствами по диаграмме направленности ивходному сопротивлению. Технология их изготовления достаточно проста. Однако уданного типа антенн уровень боковых лепестков по сравнению с другими типамиантенн большой, КПД – низкий (за счет поглощения в диэлектрике илипереотражения от металлических рёбер)):
а) Стержневыедиэлектрические антенны:
Форма ДН –осесимметричная коническая
Ширина ДН –/>
Уровень боковых (задних)лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ приспециально выбранном замедлении вдоль структуры
Достижимый КНД – 20…120
Диапазон волн – (0,5…30)см
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 2
Поляризация – линейнаяили эллиптическая
б) Стержневыеребристые антенны:
Форма ДН –осесимметричная коническая
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ приспециально выбранном замедлении вдоль структуры
Достижимый КНД – 20…120
Диапазон волн – (3…300)см
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,3…1,5
Поляризация – линейнаяили эллиптическая
в) Стержневыемодулированные антенны:
Форма ДН – коническая
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ приспециально выбранном замедлении вдоль структуры
Достижимый КНД – 20…30
Диапазон волн – (3…30) см
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 1,5
Поляризация – линейнаявертикальная
г) Плоскиедиэлектрические антенны:
Форма ДН –осесимметричная веерная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ приспециально выбранном замедлении вдоль структуры
Достижимый КНД – до 150
Диапазон волн – (0,5…30)см
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 2
Поляризация – линейнаяили эллиптическая
д) Плоскиеребристые антенны:
Форма ДН –осесимметричная веерная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ приспециально выбранном замедлении вдоль структуры
Достижимый КНД – до 150
Диапазон волн – (3…30) см
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,3…1,5
Поляризация – линейнаявертикальная
е) Плоскиемодулированные антенны:
Форма ДН –осесимметричная веерная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ приспециально выбранном замедлении вдоль структуры
Достижимый КНД – до 300
Диапазон волн – (3…30) см
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 1,5
Поляризация – линейнаявертикальная
ж) Дисковыедиэлектрические антенны:
Форма ДН – коническая
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ приспециально выбранном замедлении вдоль структуры
Достижимый КНД – 25…30
Диапазон волн – (0,5…30)см
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 2
Поляризация – линейнаяили эллиптическая
з) Дисковыеребристые антенны:
Форма ДН – коническая
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ приспециально выбранном замедлении вдоль структуры
Достижимый КНД – 20…30
Диапазон волн – (3…30) см
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,3…1,5
Поляризация – линейнаявертикальная
5) Спиральные и логопериодические антенны (основное преимущество – легкостьобеспечения поляризации ЭМВ, близкой к круговой без введения дополнительныхэлементов, простота конструкции. Однако для получения высоконаправленнойантенны её длина должна быть недопустимо большой (не выполняется условиемеханической прочности)):
а) Цилиндрическиеспиральные антенны:
Форма ДН – с увеличениемчастоты, ДН сужается
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – /> до 30%
Достижимый КНД – 5…25
Коэффициент перекрытиядиапазона – 10…20
Поляризация –эллиптическая или управляемая
б) Частотно-независимыеэквиугольные спиральные антенны:
Форма ДН – ДН являетсяпериодической функцией логарифма рабочей частоты
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – /> до 20%
Достижимый КНД – 2…10
Коэффициент перекрытиядиапазона – 10…20
Поляризация –эллиптическая или управляемая
в) Частотно-независимыелогопериодические антенны:
Форма ДН – ДН являетсяпериодической функцией логарифма рабочей частоты
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – /> до 10%
Достижимый КНД – 4…15
Коэффициент перекрытиядиапазона – 10…20
Поляризация – линейная(может быть получена эллиптическая и управляемая с помощью двух крестообразнорасположенных логопериодических антенн)
г) Квазичастотно-независимыеплоские архимедовы спиральные антенны:
Форма ДН – зависит отзакона изменения угла намотки по длине антенны
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – почти отсутствует
Достижимый КНД – 3…6
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 5
Поляризация –эллиптическая или управляемая
д) Квазичастотно-независимыеспиральные антенны на телах вращения:
Форма ДН – зависит отзакона изменения угла намотки по длине антенны
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – /> до 30%
Достижимый КНД – 2…15
Коэффициент перекрытиядиапазона – 2,5…5
Поляризация –эллиптическая или управляемая
6) Линзовые антенны (обеспечивают высокую направленностьизлучения/приема, однако по сравнению с зеркальными менее требовательны кточности изготовления поверхности, имеют 3 степени свободы (2 поверхностипреломления и закон распределения коэффициента преломления) для приданияантенне дополнительных свойств (широкоугольное качание диаграммынаправленности, требуемое распределения амплитуды и фазы поля по раскрыву).Также отсутствует затенение раскрыва облучателем. Существенными недостаткамиявляются большая масса, узкополосность и потери в веществе линзы):
а) Замедляющиелинзы – сплошной диэлектрик:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -20 дБ
Достижимый КНД – 100…1000
Диапазон волн – (0,1…10)см
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,8
Поляризация – линейная икруговая
б) Замедляющиелинзы – искусственный диэлектрик:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -20 дБ
Достижимый КНД –1000…10000
Диапазон волн – (3…20) см
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,8
Поляризация – линейная икруговая
в) Ускоряющиелинзы:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -20 дБ
Достижимый КНД – 100…1000
Диапазон волн – (1…10) см
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,8
Поляризация – линейная
г) Геодезическиелинзы:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -20 дБ
Достижимый КНД –1000…10000
Диапазон волн – (1…10) см
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,8
Поляризация – линейная
д) Линзы спеременным коэффициентом преломления:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – -20 дБ
Достижимый КНД –100…10000
Диапазон волн – (1…10) см
Коэффициент перекрытиядиапазона – 1,8
Поляризация – линейная икруговая
7) Зеркальные антенны (легко обеспечивают высокуюнаправленность, широкополосны, имеют сравнительно простую конструкцию. Привысоких частотах требования к точности изготовления очень жесткие (отклоненияпорядка />). Круговаяполяризация обеспечивается конструкцией облучателя или введением дополнительныхэлементов, что усложнит и утяжелит конструкцию.):
А) Однозеркальные антенны:
а) Парабола –параболоид вращения осесимметрический:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – />
Достижимый КНД – до1000000
Диапазон волн – ММВ, СМВ,ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 7,8
Поляризация –определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)
б) Парабола –параболоид вращения усеченный:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – />
Достижимый КНД – до1000000
Диапазон волн – ММВ, СМВ,ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 7,8
Поляризация –определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)
в) Парабола –круглая или квадратная внеосевая несимметричная вырезка из параболоида вращения:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – />
Достижимый КНД – до1000000
Диапазон волн – ММВ, СМВ,ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 7,8
Поляризация –определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)
г) Парабола –параболический симметричный цилиндр:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – /> (в плоскости профиля)
Уровень боковых (задних)лепестков – /> (в плоскостипрофиля)
Достижимый КНД – до1000000
Диапазон волн – ММВ, СМВ,ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 7,8
Поляризация –определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)
д) Профиль –окружность, зеркало – сферическое:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – />
Достижимый КНД – до1000000
Диапазон волн – ММВ, СМВ,ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 7,8
Поляризация –определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)
е) Профиль –окружность, зеркало – круглоцилиндрическое:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – /> (в плоскости профиля)
Уровень боковых (задних)лепестков – /> (в плоскостипрофиля)
Достижимый КНД – до1000000
Диапазон волн – ММВ, СМВ,ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 7,8
Поляризация –определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)
Б) Двухзеркальные антенны:
а) Большоезеркало – параболоид, малое зеркало – гиперболоид:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – />
Достижимый КНД – до100000000
Диапазон волн – ММВ, СМВ,ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 7,8
Поляризация – определяетсяоблучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)
б) Двухзеркальнаяапланатическая система:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – />
Достижимый КНД – до100000000
Диапазон волн – ММВ, СМВ,ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 7,8
Поляризация –определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)
в) Большоезеркало – сферическое, малое зеркало – специального профиля:
Форма ДН – различная
Ширина ДН – />
Уровень боковых (задних)лепестков – />
Достижимый КНД – до100000000
Диапазон волн – ММВ, СМВ,ДМВ
Коэффициент перекрытиядиапазона – до 7,8
Поляризация – определяетсяоблучателем (может быть любой в широком диапазоне частот)Выбор типа антенны
Нужно спроектироватьантенну для системы спутникового непосредственного телевизионного вещания.Вследствие этого к ней должны предъявляться такие требования:
· Надежность
· Устойчивость кагрессивному влиянию внешней среды
· Дешевизна
· Простотаэксплуатации
· Возможно меньшиегабариты и масса
Перечисленному спискухорошо удовлетворяет волноводно-щелевая антенна.
Т.к. эта антенна состоитиз металлических волноводов, то чтобы ее повредить требуется большое усилие. Всвою очередь ее конструкция проста, что означает маловероятную поломку. Отсюдаследует вывод о большой надежности антенны.
При покрытии волноводовантикоррозийными материалами или их изготовлении из коррозостойких металловпредотвращает разрушение антенны из-за атмосферных осадков. Ветер, падениедеревьев и т.п. должны иметь большую разрушительную силу, чтобы повредитьантенну. Т.е второй пункт также выполняется.
Простота конструкции идеталей, дешевизна материалов, простота изготовления – все это приводит кнебольшой стоимости антенны по сравнению, например, с зеркальными.
Обслуживание антенны нетребует значительных усилий.
Т.к. антенна, в основном,состоит из металлических частей, то она имеет довольно большую массу присравнительно небольших габаритах.
Как видим, выбранный типантенны удовлетворяет большинству требований, предъявленных выше.
В свою очередь онареализовывает оптимальную ДН, что приводит к хорошим усилительным свойствамантенны.
По условию проектируемаяантенна узкополосная – это исключает такой недостаток волноводно-щелевойантенны как отклонение луча в пространстве от заданного направления приизменении частоты.
Исходя из приведенныхдоводов, волноводно-щелевую антенну можно применять для систем спутниковоготелевидения и использовать при предложенных исходных данных. Выбор конструкции антенны
волноводнаяантенна щелевая спутниковое вещание
Принцип антеннывращающейся поляризации в виде комбинации двух антенн линейной поляризациииспользуется во многих типах антенн, таких как: турникетные антенны, рупорныеантенны, диэлектрические стержневые антенны и другие.
Наиболеераспространенными являются рупорные антенны. Они представляют собой совмещеннуюкомбинацию двух антенн с перпендикулярными линейными поляризациями. При этомамплитуды полей в раскрыве одинаковы, а фазы сдвинуты между собой на />. Это обеспечиваетсяполяризатором, что усложняет конструкцию и расчет антенны. Эти антенныширокополосные, имеют малые потери, большую пропускную мощность (из недостатков– большие габариты). Применяются, в основном, в СМ диапазоне и части ММдиапазона. Используются как в качестве одиночного излучателя, так и в качестверешетки рупоров. Могут выступать в качестве облучателей других антенн(например, зеркальных или линзовых). Применяются и для наземной, и дляспутниковой связи, но в основном для наземной связи.
В данной курсовой работенеобходимо рассчитать волноводно-щелевую антенну для частоты />ГГц.
Для проектированиянеобходимой антенны рассчитаем сначала некоторые параметры, которые будутвлиять на размеры и конструкцию антенны.
Определим общую длинутрассы луча и длину трассы в пределах слоя тропосферы.
Расположение спутника иЗемли:
/>
По теоремекосинусов запишем:
/>
Для расчета затухания ватмосфере воспользуемся той же формулой, но вместо h подставим высоты расположения дождя, водяных паров икислорода.
Известно, что дождевыеоблака не поднимаются выше 6 – 8 км, водяные пары и кислород находятся втропосфере не выше 15 км. Примем:
/>
/>
/>
Тогда:
/>
/>
/>
Решив эти уравнения,получим:
/>
/>
/>
Множитель ослабленияопределим по формуле:
/> (дБ),
где />, />, /> — погонные поглощения впарах воды, кислороде и осадках.
На частоте 16,4 ГГц эти параметры имеют следующиезначения:
/>
/>
/> – для умеренного дождя.
Выберем />
Получаем:
/>
Переведя в разы, получим:
/>раза
Определим векторПойнтинга – плотность потока мощности, которую создает в точке приемаспутниковый ретранслятор:
/>
где /> – эквивалентнаяизотропно-излучаемая мощность СР.
/>
С помощью вектораПойнтинга рассчитаем коэффициент усиления антенны:
/>, где /> –коэффициент направленного действия антенны
/> – коэффициент полезного действия антенны
/>, где эффективная площадь антенны
/>, где /> –длина волны
/>
Тогда:
/>
Подставив численныезначения величин, получим:
/>
Определим КНД антенны:
/>,
где GА – коэффициент усиленияантенны
hА – коэффициент полезногодействия антенны
Коэффициент полезного действия волноводно-щелевых антенн с поглощающейнагрузкой на конце при большом количестве щелей довольно высок и имеет значениеблизкое к единице. Возьмем />.Тогда:
/>
Из того, что мы знаем /> найдем количество щелей,которые смогут обеспечить прием заданной мощности:
/>, где n –количество щелей
/>
Необходимо, чтобыгабариты антенны были минимальными – это ведет к снижению массы антенны.Поэтому оптимальным вариантом будет плоскостная решетка, состоящая изволноводов с прорезанными в них щелями, где количество щелей по длине и ширинебудет удовлетворять:/>
Следовательно: мырассчитываем плоскостную решетку волноводно-щелевых антенн. Расчет конструкции антенны
Расчет конструкцииантенны ведется по следующему алгоритму:
1. Расчет волновода
2. Расчет элемента антенной решетки1) Расчетволновода
Для расчета данного видаволноводно-щелевой антенны используется прямоугольный волновод с воздушнымзаполнением. Требуется, чтобы по волноводу распространялся только основной типволны – />.
Так как рассчитываетсярезонансная антенна
/>,
то все вычисления будемпроводить для средней частоты: отклонения для минимальной и максимальнойчастоты будут незначительны.
Критическая длина волны длялюбого типа волны равна:
/>/>,
где />– тип волны,распространяющейся по волноводу
а – ширина волновода
b – длина волновода
В частности для волны />:
/>
Оптимальным для волнысчитается волновод, если />
Тогда:
/>
Исходя из полученного a выбираем ближайший стандартныйволновод с внутренними размерами: a =15,8 мм b = 7,9 мм
Затухание в волноводеобусловлено в основном электрическими потерями в металле. Значит необходимовыбрать металл с хорошей удельной проводимостью. Возьмем алюминий –относительно дешевый и легкий материал с хорошей проводимостью. Тогда:
/>
/> – удельная проводимость алюминия.
Вычислим длину волны вволноводе:
/> 2) Расчет элемента антенной решетки
Рассчитываемая антеннаявляется резонансной. Поэтому, согласно [1, стр.119] ее длина равна />. В свою очередь ширинащели зависит от ее длины и может быть определена так:
/>,
где P – подводимая к антенне мощность
N – количество излучателей
/> – внешняя проводимость щели
/>
Исходя из этого выраженияпредельная ширина щели очень мала и мы можем брать нужную конструктивныхсоображений. Возьмем ширину щели равную />.
Следующим этапом расчетаэлемента есть определение его смещения относительно продольной оси волновода.Максимальное возбуждение продольных щелей волновода имеет место при смещении />.
Согласно [1, рис 5.2],чтобы продольная щель имела резонансную длину близкую к /> смещение х не должнопревышать />. Тогда:
/>
Расстояние между центрамидвух щелей равно />, причемрасположены они в шахматном порядке:
/>
Таким образом, мыполучаем плоскую решетку из щелевых излучателей размерами 43 щели />43 щели. Длина волноводавычисляется с учетом количества щелей и короткозамкнутого четвертьволновогоотрезка волновода:
/>
где n – количество щелей плоскостнойрешетки
Ширина антенной решетки:
/>
Здесь а – внешняя стенкаволновода (а = 16,3 мм)
Толщина антенной решеткиопределяется внешней толщиной волновода:
b = 8,4 мм
Расчет параметров и характеристик антенны
Определим добротностьантенны:
/>,
где GА – коэффициент усиленияантенны
ТА – шумоваятемпература антенны
В рассчитываемомдиапазоне
/>
влияние внешнихисточников (внешних шумов) пренебрежимо мало. Поэтому ТАопределяется тепловым движением электронов в самой антенне:
/>
Также учитывается шумоваятемпература, обусловленная атмосферой и тепловым излучением Земли:
/>
Тогда:
/>
Подставляя численныезначения в формулу для определения добротности, получаем:
/>
Рассчитаем теперь общеезатухание спроектированной антенны:
/>,
где /> – количество щелейплоскостной решетки
/> – длина одного волновода
/> – затухание в одном волноводе
Подставляя численныезначения, получаем:
/>
Рассчитаем теперьдиаграмму направленности плоскостной антенной решетки, т.е. рассмотримэквидистантную дискретную систему излучателей, образующих плоскостную антеннуюрешетку.
Диаграмму направленностив продольной плоскости для продольной щели можно определить с помощьювыражения:
/>
/>
Распределение по раскрывудискретной линейной решетки излучателей экспоненциальное. Тогда:
/>
Здесь />– величина, характеризующаянеравномерность амплитудного распределения по раскрыву
d – постоянная затухания
/> – длина волновода
/>– обобщенная координата
/> – отклонение главного максимума ДН от нормали к линиирасположения излучателей
/>
Тогда:
/>
Нормированная ДН линейнойрешетки имеет вид:
/>,
Следовательно:
/>
(Рисунки после спискалитературы)
Ширина ДН по мощности приэкспоненциальном распределении:
/>Выбор схемы иконструкция устройства питания антенны
Принятую антенноймощность необходимо отводить от антенны. Для этого используется устройствопитания.
Сложность в том, чторассчитываемая антенна состоит из большого количества волноводов.
Реализовать суммированиемощности с помощью волноводных мостов нерационально, т.к. приведет кгромоздкости и большой массе конструкции. Поэтому суммирование будет проводитьсяс помощью змеевидного волновода.
Питающий волновод имеетформу змеевика, изгибаясь по узким стенкам. В его широкой стенке прорезаютсякруглые отверстия согласно топологии решетки.
При изготовленииустройства питания необходим изгиб питающего волновода под углом в 90° для компенсации отражений. Для этогоприменим простой уголок с компенсацией. Подбором расстояния d всегда можно добиться компенсацииотражений.
/>
Таким образом, схема иконструкция устройства питания были выбраны с учетом требований минимизациимассы и габаритов, простоты реализации и относительной дешевизны.
Выводы
В данной курсовой работебыла спроектирована волноводно-щелевая приемная антенна для системыспутникового непосредственного телевизионного вещания. Эта антенна обладаеттакими параметрами и характеристиками:
- коэффициентусиления антенны />
- коэффициентнаправленного действия />
- коэффициентполезного действия />
- ширина ДН пополовине мощности />
- добротность />
- размеры антеннойрешетки />/>
- количествоэлементов 1740
- смещение элементаотносительно продольной оси волновода 4,5 мм
- внутренниеразмеры прямоугольного волновода />
- материалволновода: алюминий
Спроектированная антеннаполностью удовлетворяет исходным данным.
Для этой антеннынаилучшим применением является использование в авиационных радиоустройствах,где необходима обтекаемость. Это и есть одним из основных достоинств этойантенны, а также небольшие потери из-за почти полной согласованности щелей.
Волноводно-щелеваяантенна проста в эксплуатации, имеет сравнительно простое питающее устройство.
Следует заметить, что всеприменяемые в антенне и питающем устройстве волноводы имеют одинаковыевнутренние размеры, что позволяет идеально согласовать питающее устройство сантенной.