Министерство образования и науки РеспубликиКазахстан
Северо-Казахстанский государственныйуниверситет им. М. Козыбаева
Факультет энергетики и машиностроения
Кафедра «Радиоэлектроника ителекоммуникации „
Утверждаю_______________
Заведующий кафедрой
“___”____________2008 г.
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ
ЗАПИСКА
к дипломному проекту
на тему:Исследование характеристик направленности зеркальных антенн
Р1РТ.000000.000ПЗ
Консультанты:
По нормоконтролю:
“___”_______2008г. _____________
по расчетунадежности
“___”_______2008г. _____________
по экономикепроизводства:
“___”_______2008 г. _____________
по безопасностижизнедеятельности:
“___”_______2008 г. _____________
Руководитель: “___”_______2008 г. _____________
по графике
“___”_______2008 г. _____________
Дипломник: студент группы
“___”_______2008 г. _____________
Петропавловск 2008
Түсініктеме
қазіргі кезде айналытеңшегіш ең таралған үшкір толқынжима дециметржәне сантиметр ауқымға. Басқы кейіпке айналар параболытұлғаңы үстірткі — шыркөбелек айналдыруңыпараболоиды және параболаңы цилиндры пайдаланылады. Бүйірлі қолданыстыайналы теңшегіштері ең алуандас радиожүйеде қарапайым мүмкіншілік,мүмкіндікке алмалыққа әрқилы тұрпаттардиаграммасы беталысқа, бақандай жөндемді іс коэффициенті, жұдырықтай дабыралы дүрмектігі және жақсылықдиапазоналық қасиеттері аңдасады. Радилокациясының қолдандастарыайналы теңшегіштер жеңіл біришаратылык белдемі билік берілді, біржолы ұйымдастыру қаншамадиаграммасы беталысқа жалпы айна. Кейбіреу тұрпаттар айналытеңшегіштары жылдам бұлғалаққа шұғыладыайтарлықтайынды бұрыштағы секторге. Айналы теңшегішті әлемдіктебайланысқа байланысады. Жәрдемке айналы теңшегіштарінда даңғырадайқұрылысты тиімді үстірті теңшегішке ойлап шығаружолы түсады.
Жақсарту әдістемелік жәрдемақы айтылмышаймақ студенттер білімдер жоғарылады, практиканы білгендікпайдаланынды және жақсартулар жетілдірады.
Аннотация
В настоящеевремя зеркальные антенны являются наиболее распространёнными остронаправленнымиантеннами в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазоне. Главным образомиспользуются зеркала параболической формы поверхности – параболоид вращения ипараболический цилиндр. Их широкое применение в самых разнообразныхрадиосистемах объясняется простотой конструкции, возможностью полученияразнообразных видов Д.Н., высоким КПД, малой шумовой температурой, хорошимидиапазонными свойствами и т.д. В радиолокационных применениях зеркальныеантенны позволяют легко получить равносигнальную зону, допускают одновременноеформирование нескольких Д.Н. общим зеркалом (в том числе суммарных иразностных). Некоторые типы зеркальных антенн могут обеспечивать достаточнобыстрое качание луча в значительном угловом секторе. Зеркальные антенныявляются наиболее распространённым типом антенн в космической связи ирадиоастрономии, и именно с помощью зеркальных антенн удаётся создаватьгигантские антенные сооружения с эффективной поверхностью раскрыва, измеряемойтысячами квадратных метров.
Разработкаметодических указаний в данной области поможет студентам повышать свои знания ииспользовать их на практике используя разработки созданные ранее, совершенствуяих, и придумывая новые.
The annotation
Now mirror aerials are the most widespreadsharpdirected aerials in decimeter and especially ina centimetric range. Mirrors of the parabolic form ofa surface are mainly used such mirrors as the paraboloidof rotation and the parabolic cylinder. Their wide application in thediversified radiosystems speaks simplicity of adesign, an opportunity of reception of various kinds of the diagram of anorientation., high efficiency, small noisy in temperature, good bandproperties, etc. In radar-tracking applications mirror aerials allow to receiveeasily equal of signal zone, suppose simultaneous formation of several diagramof an orientation. The general mirror (including total and difference). Some types ofmirror aerials can provide fast enough качаниеa beam in significant angular sector. Mirror aerials are the mostwidespread type of aerials in space communication and radio astronomy, and bymeans of mirror aerials it manages to create huge antenna constructions with aneffective surface of the aperture, measured thousand square meters.
In it the energy which has got in theaerial of radiowaves will concentrate. Development ofmethodical instructions in the given area will help students to raise theknowledge and to use them in practice using development created earlier,improving them, and thinking out new.
Изм.
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Лист
2
Р1РТ.000000.000 ПЗ
Разраб.
Провер.
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Исследование характеристик направленности зеркальных антенн
Лит.
Листов
80
СКГУ Содержание
1 Введение… 4
2 Выбор и обоснование структурной схемы… 8
2.1 Описание параболической антенны… 8
2.2Описание структурной схемы… 10
3 Расчетная часть … 13
3.1 Расчет геометрических характеристикзеркальной антенны… 14
3.2 Расчет параметров облучателя и диаграммынаправленности… 16
3.3. Апертурныйметод расчет поля излучения… 19
3.4 Определение коэффициент направленногодействия, коэффициента полезного действия и коэффициент усиления зеркальнойантенны… 24
3.5Определение ширины диаграммы направленности… 33
3.6 Определение характеристик рупорнойантенны… 36
4 Описание эксперимента… 39
4.1Подготовка к проведению исследований… 39
4.2Описание лабораторной установки и методики измерений… 39
4.3Формирования узкой диаграммы направленности… 40
4.4Определение функции Бесселя первого рода… 45
4.5Определение теневого эффекта… 47
4.6Структурная схема установки для исследования влияния отраженной
от зеркала волны на облучатель… 50
5 … 52
5.1Определение цены программного продукта… 52
5.2Расчет основной заработной платы… 53
5.3Расчет дополнительной заработной платы… 54
Изм.
Лист
№докум.
Подпись
Дата
Лист
3
Р1РТ.000000.000 ПЗ
… 55
5.5Затраты на оплату машинного времени… 56
5.6Расчет накладных расходов… 59
5.7Расчет себестоимости программного продукта… 69
6 Экономический расчет… 61
6.1Понятие надежности радиоэлектронной аппаратуры … 61
6.2Показатели надежности РЭА… 63
6.3Расчет показателей надежности проектируемого устройства… 64
7 Охрана безопасности и жизнедеятельности… 69
7.1 Общие требования безопасности… 69
7.2 Анализ опасных ивредных факторов … 70
7.3Требования к организации работы… 70
7.4Правила при работе в лаборатории… 71
7.5Требования безопасности перед началом работы… 72
7.6Требования безопасности во время работы… 73
7.7Требования безопасности по окончании работы… 74
7.8Требования к освещенности рабочего места… 75
7.9Техника безопасности при работе с электроприборами… 78
Заключение… 79
Списоклитературы… 80
Приложение
1 Введение
Изм.
Лист
№докум.
Подпись
Дата
Лист
4
Р1РТ.000000.000 ПЗ
Антенна — устройство для излучения и приёма радиоволн (разновидностиэлектромагнитного излучения). Антенна является конвертором электрического токарадиочастотного диапазона в электромагнитное излучение и наоборот.
Форма, размеры и конструкция антенн разнообразны и зависят от длиныизлучаемых или принимаемых волн и назначения антенны. Применяются антенны ввиде отрезка провода, комбинаций из таких отрезков, отражающих металлическихзеркал различной конфигурации, полостей с металлическими стенками, в которыхвырезаны щели (щелевая антенна), спиралей из металлических проводов и другие.Основные типы антенн
· Апертурныеантенны
o рупорные антенны
o щелевые антенны
o зеркальные антенны
o линзовые антенны
· Антенны бегущей волны
o диэлектрические стержневыеантенны
o спиральные антенны
o импедансныеантенны
o антенны вытекающей волны
o антенны «волновой канал»
· Фазированные антенные решетки
o пассивные(с однимпередающим/приемным устройством на антенну)
o активные(с однимпередающим/приемным устройством на каждый модуль антенны)
·
Изм.
Лист
№докум.
Подпись
Дата
Лист
5
Р1РТ.000000.000 ПЗ
Спутниковые антенны
o Офсетные антенны
o Прямофокусныеантенны Характеристики антенны. Каждая антенна как пассивное линейноеустройство может работать в режимах передачи и приема. В обоих режимах антеннахарактеризуется направленными, поляризационными, фазовыми свойствами и входнымимпедансом. К основным характеристикам и параметрам, описывающим эти свойства,относятся:
· Полоса пропускания
· поляризация
· входной импеданс и коэффициент стоячей волны
· диаграмма направленности (ДН)
· коэффициент направленного действия (КНД)
· эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ)
· коэффициент усиления антенны (КУ)
· фазовая диаграмма (ФД)
· коэффициент полезного действия (КПД)
· шумовая температура антенны (ТА)
Зеркальнымиантеннами называют антенны, у которых поле в раскрыве формируется в результатеотражения электромагнитной волны от металлической поверхности специальногорефлектора (зеркала). Источником электромагнитной волны обычно служиткакая-нибудь небольшая элементарная антенна, называемая в этом случаеоблучателем зеркала или просто облучателем. Зеркало и облучатель являютсяосновными элементами зеркальной антенны.
Зеркало обычноизготовляется из алюминиевых сплавов. Иногда для уменьшения парусности зеркалоделается не сплошным, а решетчатым. Поверхности зеркала придается форма,обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболеераспространенными являются зеркала в виде параболоида вращения, усеченногопараболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля.Облучатель помещается в фокусе параболоида или вдоль фокальной линиицилиндрического зеркала. Соответственно для параболоида облучатель должен бытьточечным, для цилиндра – линейным. Наряду с однозеркальными антеннамиприменяются и двухзеркальные.
Изм.
Лист
№докум.
Подпись
Дата
Лист
6
Р1РТ.000000.000 ПЗ
Рассмотрим принцип действиязеркальной антенны. Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнувпроводящей поверхности зеркала, возбуждает на ней токи, которые создаютвторичное поле, обычно называемое полем отраженной волны. Для того чтобы назеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучательдолжен излучать только в одну полусферу в направлении зеркала и не излучать вдругую полусферу. Такие излучатели называют однонаправленными.
В раскрывеантенны отраженная волна обычно имеет плоский фронт для получения остройдиаграммы направленности либо фронт, обеспечивающий получение диаграммыспециальной формы. На больших (по сравнению с длиной волны и диаметром зеркала)расстояниях от антенны эта волна в соответствии с
законамиизлучения становится сферической.
Зеркальныепараболические антенны применяются в различных диапазонах волн: от оптическогодо коротковолнового, особенно широко в сантиметровом и дециметровом диапазонах.Эти антенны отличаются конструктивной простотой, возможностью полученияразличных ДН, хорошими диапазонными свойствами и т.д. Существуют различные типызеркальных антенн: параболические зеркала (параболоид, усечённый параболоид ипараболический цилиндр), сферические зеркала, плоские и угловые зеркала,зеркальные антенны специальной формы, двух- и многозеркальные антенны, зеркально-рупорныеантенны. Зеркальная параболическая антенна состоит из металлическойповерхности, выполненной в виде параболоида вращения и небольшойслабонаправленной антенны – облучателя, установленной в фокусе параболоида иоблучающей внутреннюю поверхность последнего. Параболическая поверхностьобразуется в результате вращения параболы с фокусом в точке Fвокругоси Z.
Изм.
Лист
№докум.
Подпись
Дата
Лист
7
Р1РТ.000000.000 ПЗ
Цель дипломнойработы
Разработка методических пособий для проведения двух лабораторных работдля закрепления материала по принципу действия и характеристикам направленностизеркальных параболических антенн.
Задачи дипломной работы:
·
·
·
· ирину диаграммы направленности
· правильнопоставить цели в лабораторных работах перед студентами, чтобы теоретическиезнания полученные в лекциях были освоены и закреплены
·
2 Выбор и обоснованиеструктурной схемы
Изм.
Лист
№докум.
Подпись
Дата
Лист
8
Р1РТ.000000.000 ПЗ
2.1 Описание параболической антенны
Параболическая антенна используется для создания остронаправленногоизлучения в диапазоне СВЧ, когда размеры антенны во много раз превышают рабочуюдлину волны l. Антенна состоит изметаллического зеркала (рефлектора) параболической формы и облучателя,расположенного в ее фокусе. В работе исследуется антенна с зеркалом в видепараболоида вращения (рисунок 2.1.1) с раскрывом, имеющим форму круга диаметром2R. Прямая, перпендикулярная плоскости раскрыва и проходящая через егоцентр, является осью зеркала, точка О пересечения оси с поверхностьюзеркала – его вершиной. Расстояние f отвершины зеркала до фокуса F называется фокусным расстоянием.
Рисунок2.1.1 — Схема параболической антенны
Изм.
Лист
№докум.
Подпись
Дата
Лист
9
Р1РТ.000000.000 ПЗ
Рисунок2.1.2 — Ход лучей в параболической антенне
Для формирования узкой диаграммынаправленности (ДН) в режиме передачи враскрыве зеркала необходимо возбудить синфазное поле. В режиме приемапараболическое зеркало фокусирует падающую плоскую волну в небольшой объем вблизифокуса («фокальное пятно») размером порядка l.Поскольку линейные размеры зеркала значительно превышают l, при анализе параболической антенны можнопользоваться методом геометрической оптики. Сферическая волна, создаваемаяоблучателем, помещенным в фокус параболического зеркала, преобразуется зеркаломв плоскую волну, распространяющуюся вдоль его оси. Действительно, в силугеометрических свойств параболы расстояние, проходимое любым лучом от фокуса допараболического зеркала и от него до плоскости раскрыва, есть величинапостоянная для всех лучей (рисунок 2.1.2): FAB=FCK. Необходимо знать,что:
1) припомещении облучателя в фокус параболического зеркала главный максимум ДНантенны ориентирован вдоль ее оси;
Изм.
Лист
№докум.
Подпись
Дата
Лист
10
Р1РТ.000000.000 ПЗ
ширина главного лепестка ДН определяется главнымобразом отношением l/2R, нозависит также от закона изменения амплитуды поля в раскрыве зеркала;
3) дляуменьшения уровня боковых лепестков ДНантенны амплитуда поля в раскрыве должна уменьшаться от центра к краю, чтодостигается использован