Некоммерческое акционерное общество
«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ ИСВЯЗИ»
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 ПАРАМЕТРОВОБЛУЧАТЕЛЯ И ПАРАБОЛОИДА
1.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерноготракта
1.2 Определение диаметра раскрыва
1.3 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателяфункцией вида cosn/2Y
1.4 Определение угла раскрыва и фокусного расстояниязеркальной антенны
2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ИЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ
2.1 Диаграммы направленности облучателя
2.1Распределение поля вапертуре зеркала
3. РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ИОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ
4КОНСТРУКТИВНЫЙ 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 БОКОВЫХЛЕПЕСТКОВ, ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СООТВЕТСТВИЯ ЭТИХ УРОВНЕЙ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ
/>ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Рассчитать малошумящую параболическуюантенну. 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 вибраторс 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 последнеевремя находят все более широкое применение в космических и радиорелейных линияхсвязи. В 1888 году известный немецкий физик Г. Герц в своих опытах по СВЧоптике впервые применил в качестве фокусирующего устройства параболическийцилиндр. Интерес к зеркальным антеннам не ослабевает и в наши дни в связи состремительным развитием космических радиотехнических систем и комплексов.
Достаточная простота и легкостьконструкции, возможность формирования самых разнообразных диаграммнаправленности, высокий КПД, малая шумовая температура – вот основныедостоинства, зеркальных антенн, обуславливающих их широкое применение всовременных радиосистемах.
Целью данной курсовой являетсяосвоение методики проектирования зеркальных параболических антенн: определениеих основных электродинамических параметров и конструктивный расчет.
В курсовой работе определение поляизлучения параболической антенны производится апертурным методом, которыйшироко применяем при проектировании зеркальных антенн.
1 РАСЧЕТГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЛУЧАТЕЛЯ И ПАРАБОЛОИДА1.1 Выбор фидера. Определение шумовойтемпературы фидерного тракта
В качестве фидера будет использованпрямоугольный волновод. Его параметры для частоты f = 1.0 ГГц даны в [1], приложение А:
/> см
a = 0.00405 дБ/м
Шумовая температура фидерного трактаТф:
/>,
где α – коэффициент затуханиялинии передачи [дБ/м],
lф – длина фидерной линии [м].
/>.
Выразим КПД из формулы:
Тф=T0·(1-КПД),
где Т0=290К.
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 металлическойповерхности. Параболическая зеркальная антенна представлена на рисунке 1.
/>
Рисунок 1 – Зеркальная параболическаяантенна
В случае равномерно возбуждённогораскрыва параболического зеркала ширина ДН приближённо определяется:
/>,
где 2Q0.5 – ширина диаграммы направленности науровне половинной мощности, рад.;
l — длина волны излучаемого(принимаемого) антенной радиосигнала;
R0– радиус раскрыва зеркала (рисунок 1).
Длина волны определяется по формуле:
/> cм.
Неравномерное возбуждение раскрывазеркала приводит к некоторому расширению главного лепестка ДН, так какуменьшается эффективная площадь раскрыва. Чаще всего диаграммы направленностизеркальных антенн не обладают осевой симметрией, т.е. ширина главного лепесткав плоскостях Е и Н различна. В большинстве практических случаев это влечёт засобой следующее изменение:
/>
где 2QН0.5, 2QЕ0.5 ширина ДН соответственно вплоскостях H и E.
Для Е и Н плоскостей соответственнонайдем радиусы раскрыва:
/> м;
/> м.
Исходя из исходных данных о ширинедиаграммы направленности в обеих плоскостях, можно определить диаметр раскрыва dp= 2 × R0, причем, из полученных двух значений диаметра следуетвыбрать наибольшее. Следовательно,
R0= 3.673 м,
dp= 2×R0= 2×3.673 = 7.346 м. 1.3 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателяфункцией вида cosn/2Y
В зависимости от размещенияоблучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. Приопределенном оптимальном отношении Ro/fo КНДнаибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит отформы диаграммы направленности облучателя и от отношения Ro/fo. При уменьшении отношения Ro/fo от оптимального КНД уменьшается, таккак увеличивается часть энергии, проходящей мимо зеркала. С другой стороны,увеличение этого отношения также приводит к уменьшению КНД в связи с болеесильным отклонением закона распределения возбуждения от равномерного.Оптимальное значение Ro/fo определяется по аппроксимированнойнормированной ДН облучателя (аппроксимация функцией вида F(Q)=cosn/2(Q),где n определяет степень вытянутости ДНоблучателя).
/>
Рисунок 2 — Вариантыразмещения облучателя
Для вибратора с контррефлектором ввиде диска:
n=4; R0/f0=1.0…1.25; ν=0.82
/>
Аппроксимированная нормированная ДНпредставлена на рисунке 3.
/>
Рисунок 3 – Апроксимированнаянормированная ДН облучателя 1.4 Определение угла раскрыва и фокусного расстояниязеркальной антенны.
С точки зрения оптимизации геометрииантенны по максимальному отношению сигнал/шум необходимо произвести следующий расчет.
Чувствительность g определяется по формуле:
/> ,
где первые четыре коэффициента независят 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 раскрывазеркала:
/>
/> Рисунок 4 – Графикфункции 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) можноопределить:
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 f0может быть найдено из следующего соотношения:
зеркальнаяантенна облучатель зеркало
/>м.
В зависимости от размещенияоблучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. Приопределенном оптимальном отношении R0/f0КНД наибольший. Заданный интервал отношения R0/f0= (1.0÷1.25). Расчетноеотношение R0/f0= 1.029, что удовлетворяет условию.
2. РАСЧЕТГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ2.1 Диаграммы направленностиоблучателя
Полуволновой симметричный вибратор сконтррефлектором в виде диска
Фазовый центр вибратора сконтррефлектором в виде диска лежит между вибратором и контррефлекторомнесколько ближе к последнему. Обычно контррефлекторы выполняются в виде дисковдиаметром 2d = (0.7… 0.8), при этом ДНимеет форму, близкую к диаграмме с осевой симметрией. Расстояние междувибратором и контррефлектором выбирается близким к четверти длины волны, адлина вибратора — к половине длины волны (2l /2).
Диаграмма направленности такогооблучателя в Е плоскости рассчитывается по формуле [11]
/>/>
Рисунок 5 – ДН облучателя в плоскостиЕ
а в Н плоскости — по формуле
/>
/>
Рисунок 6 – ДН облучателя в плоскостиH
Эти формулы справедливы для E и H менее />.
Таблица 2 – Расчет ДН коническогорупора
/>, град 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
/> 0.27 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 апертурезеркала 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. РАСЧЕТПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ
Инженерный расчёт пространственнойдиаграммы направленности ДН параболической антенны часто сводится к определениюДН идеальной круглой синфазной площадки с неравномерным распределениемнапряжённости возбуждающего поля. В данном случае распределение напряжённостивозбуждающего поля в основном определяется ДН облучателя в соответствующейплоскости. Выражение для нормированной ДН зеркальной параболической антенны приэтом имеет вид:
/>,
где J1, J2 – цилиндрические функции Бесселяпервого и второго порядка.
/>
— Коэффициент, показывающий восколько раз амплитуда возбуждающего поля, на краю раскрыва меньше амплитуды вцентре раскрыва в соответствующей плоскости с учётом различий расстояний отоблучателя до центра зеркала и до края зеркала;
Екр, Емах –амплитуды поля на краю и в центре раскрыва.
/>
ДН зеркальной параболической антенныимеет следующий вид (рисунок 2.5).
Приближенно коэффициент направленногодействия зеркальной антенны определяется выражением:
/>, г
де
S – площадь раскрыва;
υрез – результирующийкоэффициент использования поверхности
/>
F(ϴ)
ϴ, рад />
Рисунок 8 – Пространственная ДНпараболической антенны
Коэффициент использованияповерхности:
/>
Эффективная площадь антенны:/> м2.
Коэффициент направленного действия:/>
Коэффициент усиления антенны:/>
4. КОНСТРУКТИВНЫЙРАСЧЕТ АНТЕННЫ4.1 Расчет профиля зеркала
Зеркальные антенны имеют наибольшийКНД при синфазном возбуждении раскрыва (плоский фазовый фронт волны).Параболический профиль зеркала обеспечивает одинаковые длины электрическихпутей от облучателя, установленного в фокусе параболоида вращения, до каждойточки плоскости раскрыва (свойство параболы). В полярной системе координатпарабола 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 фронтволны
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 ветровыхнагрузок поверхность зеркала часто выполняется перфорированной, или сетчатой
/>
/>/>
Рисунок 10 – Конструкция зеркала
При такой конструкции зеркала частьэнергии просачивается сквозь него, образую нежелательное излучение. Допустимымявляется значение коэффициента прохождения в обратном направлении.
/>,
где Рпад, Робр– мощность излучения падающего на зеркало и в обратном направлении,соответственно.
Двухлинейная сетка работаетудовлетворительно 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 наточность изготовления
Неточность изготовления зеркалавызывает несинфазность поля в раскрыве. Допустимыми являются фазовые искаженияполя в раскрыве зеркала не более ± p/4. При этом уменьшение коэффициентаусиления антенны не превышает нескольких процентов.
Пусть поверхность параболоида имеетнекоторые неровности (выступы и углубления). Наибольшее отклонение от идеальнойповерхности в направлении r обозначим через Δr.
/>
Рисунок 11 – Допуски на точностьизготовления зеркала
Путь луча, отраженного от неровностив месте наибольшего отклонения от r изменяется при этом на величину Dr + Dr × cosY, асоответствующий 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 центрапараболоида (Y = 0)необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшееотклонение от идеальной поверхности не должно превосходить величины l/16 (т.е. 0.0023) у кромки параболоидатребования к точности получаются наименьшими. Точность установки облучателятакже определяется нормами на наибольшие допустимые фазовые искажения поля враскрыве. Пусть фазовый облучатель смещен на Dх (рисунок 4.4). Тогда длины путей лучей от фазовогоцентра до раскрыва увеличиваются.
/>
Рисунок 12 — Допуски на точностьустановки облучателя
Наибольшее удлинение пути происходиту лучей, падающих на вершину зеркала. Это удлинение путей при малых смещениях можноприблизительно определить как Dх×cosY. Тогда изменение фазы составитвеличину
/>, где
Dj0, Djа – фазовыеискажения, возникающие из-за неточности установки облучателя, вцентре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать p/4, отсюда получаем:
/>
/>
Такимобразом, с увеличением угла раскрыва точность и установка облучателя в фокусеповышается.
5. СОПОСТАВЛЕНИЕРАСЧЕТНОГО И ЗАДАННОГО УРОВНЯ БОКОВЫХ ЛЕПЕСТКОВ, ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯОБЕСПЕЧЕНИЯ СООТВЕТСТВИЯ ЭТИХ УРОВНЕЙ
Пографику, изображенному на рисунке 8, найдем ширину ДН на уровне половинноймощности:
2QH0.5 = 44 мрад, что меньше заданногозначения 2QH0.5 = 49 мрад на 10,2% и 2QЕ0.5=48меньше значения 2QЕ0.5 = 54 мрад на 11,1%.
Для увеличения ширины ДНнеобходимо уменьшить радиус параболоида.
Пусть радиус параболоидабудет равным /> м. Тогда получаем графикДН:
/>
Рисунок 13 – ДН антенны
По графикуопределим 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 помаксимальному уровню боковых лепестков.
НайдемУБЛ:
УБЛ = 0.11
/>дБ
Допустимое значение УБЛ =-17 дБ, значит вычисленное значение допустимо, потому что уровень боковыхлепестков ослабляется дополнительно на 1.416 чем задано по условию, т.о.придавая ей большую узконаправленность.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной курсовой работе быласпроектирована зеркальная параболическая антенна с облучателем в видеконического рупора. При расчете геометрических и электродинамическиххарактеристик облучателя и параболоида исходные данные немного отклоняются отвычисленных значений: отклонение ширины ДН на уровне половинной мощности вплоскости E составляет 18,5%, а в плоскости H – 10,2%. Причиной этому явиласьидеализация устройства (использовалась идеальная модель), использованиеаппроксимации при вычислениях. В реальных системах необходимо учитыватьвоздействие многих посторонних факторов, влияние которых может существенноповлиять на результат расчётов.
Однако внесение некоторыхпреобразований (уменьшение радиуса параболоида до /> м) позволяет прийти к компромиссу. При этом значении отклонения шириныДН на уровне половинной мощности в плоскостях H и Eотсутствуют.
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ
1. ГончаровВ.Л. Методические указания и задание к выполнению курсовой работе. Алматы: АИЭС– 2007
2. Антенны иустройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток/ Под ред. проф.Д.И. Воскресенского. – М.: Советское радио, 1994.
3. КочержевскийГ.М., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. — М.: Радио исвязь, 1989.
4. Регламентрадиосвязи. Т.1. – М.: Радио и связь, 1995.
5. Сазонов Д.М.Антенны и устройства СВЧ. – М.: Высшая школа, 1988.
6. Спутниковая связьи 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.