Порядок расчета малошумящей параболической антенны

Некоммерческое акционерное общество

«Алматинский Университет энергетики и связи»

Кафедра радиотехники КУРСОВАЯ РАБОТА На тему: «Порядок расчета малошумящей параболической антенны»

Алматы 2013

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ Выполнить конструктивный и электродинамический расчет малошумящей однозеркальной параболической антенны.

Исходные данные Рабочая частота: f = 3 ГГц;

Ширина ДН на уровне половинной мощности: 2ИH0.5 = 62 мрад

2ИE0.5 = 67 мрад;

Тип облучателя: Полуволновый вибратор с дисковым контррефлектором;

Уровень боковых лепестков: -25 дБ;

Средняя яркостная температура неба: Tнср = 7 К;

Температура шумов приемника: Tпр = 1900 К;

Длина фидерной линии: lф = 5 м

ВВЕДЕНИЕ

Настоящий курсовой проект посвящен расчету зеркальных параболических антенн, которые находят широкое применение в космических и радиорелейных линиях связи, а также в радиоастрономии. Специфика спутниковой связи, заключающаяся в большой протяженности трас между искусственными спутниками Земли и земными станциями (около 35 000 км для геостационарных ИСЗ), значительных ослаблениях радиосигналов на этих трассах, предъявляет серьезные требования к конструкции и параметрам зеркальных антенн. Для снижения влияния внешних помех необходимо повышение помехозащищенности антенн и снижение уровня боковых лепестков ДН.

Достаточная простота и легкость конструкции, возможность формирования самых разнообразных ДН, высокий КПД, малая шумовая температура — вот основные достоинства зеркальных антенн, обусловливающих их широкое применение в современных радиосистемах.

В курсовом проекте определение поля излучения параболической антенны производится апертурным методом, широко применяемым при проектировании зеркальных антенн.

1. Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта и КПД Выберем прямоугольный волновод в качестве фидера, так как он обладает низким погонным затуханием при данной частоте.

Геометрические размеры фидера: a Ч b = 18.6 Ч 4.3 см;

Погонное затухание:

Определение шумовой температуры фидерного тракта Тафу и КПД производится по формулам:

где — коэф. затухания линии передачи [дБ/м]

1ф — длина фидерной линии [м]

2. Расчет геометрических размеров параболоида

2.1 Расчет диаметра раскрыва

Зеркальная антенна — направленная антенна, содержащая первичный излучатель (облучатель) и отражатель антенны в виде металлической поверхности (зеркало)[2]. Параболическая зеркальная антенна представлена на рисунке 2.1:

Рисунок 2.1 — Зеркальная параболическая антенна В случае равномерно возбужденного раскрыва параболического зеркала ширина ДН приближенно определяется [3]:

(2.1)

где 2И0.5 — ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности, рад.;

— длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;

R0 — радиус раскрыва зеркала (рисунок 2.1).

Однако, добиться равномерного возбуждения раскрыва практически не удается. Известно [3], что КНД зеркальной антенны имеет наибольшую величину в том случае, если амплитуда возбуждаемого поля на краю раскрыва составляет не менее одной трети от амплитуды поля в центре раскрыва.

Неравномерное возбуждение раскрыва зеркала приводит к некоторому расширению главного лепестка ДН, так как уменьшается эффективная площадь раскрыва. Кроме этого, необходимо иметь в виду, что чаще всего диаграммы направленности зеркальных антенн не обладают осевой симметрией (большинство излучателей формируют осенесимметричные ДН), т. е. ширина главного лепестка в плоскостях Е и Н различна. В большинстве практических случаев это влечет за собой следующие изменение выражения (2.1) [4]:

где 2ИН0.5, 2ИЕ0.5 — ширина ДН соответственно в плоскости Н и Е.

В связи с тем, что в задании на курсовой проект имеются данные о ширине ДН в обеих плоскостях, из выражений (2.2) и (2.3) можно определить диаметр раскрыва, причем, из полученных двух значений диаметра следует выбрать наибольшее.

Выбираем диаметр раскрыва зеркала dр = 2R0 = 1.94 м

2.2 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией cosn/2 и выбор числа n

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R0/f0 КНД наибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит от формы ДН облучателя и от отношения R0/f0. При уменьшении отношения R0/f0 от оптимального КНД уменьшается часть энергии, проходящей мимо зеркала. С другой стороны, увеличение этого отношения также приводит к уменьшению КНД в связи с более сильным отклонением закона распределения возбуждения от равномерного. Оптимальное значение R0/f0 определяется по аппроксимированной ДН облучателя.

Аппроксимация осуществляется функцией вида

(2.4)

где n — определяет степень вытянутости ДН облучателя.

Значения для полуволнового вибратора с дисковым контррефлектором:

n = 2; R0/f0 = 1.25… 1.43 ;

2.3 Оптимизация геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум С точки зрения оптимизации геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум необходимо произвести следующий расчет.

Чувствительность г определяется формулой

(2.5)

где первые четыре коэффициента не зависят от ц0, а г' вычисляется:

(2.6)

где T1 = Tпр + T0 (1-КПД) + КПД Tнср

T0 = 290 K

u = (0.02 — 0.03) — коэффициент, учитывающий «переливание» части мощности облучателя через края зеркала, примем u = 0.025;

1 = 1 — cosn+1 Ш0, n — определяется типом облучателя;

S — площадь апертуры зеркала.

При n = 2, g (Ш0) имеет следующий вид:

В итоге получим:

2.4 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны

По максимуму построенной графически функции г' (Ш0) определяется угол раскрыва зеркала (шаг изменения угла раскрыва Ш0 не более 5°).

Где 1(Ш)? «(Ш) Из графика Ш0 = 80о.

Фокусное расстояние f0 может быть рассчитано на основе следующего соотношения:

(2.8)

Проверим допустимость отношения R0/f0:

Полученное значение удовлетворяет требованиям, т. е. входит в заданный диапазон

R0/f0 = 1.25… 1.43

откуда

3. Расчет геометрических и электродинамических характеристик облучателей

3.1 Облучатель в виде полуволнового вибратора с дисковым контррефлектором в виде стержня Полуволновый вибратор 2l/2. Расстояние d выбирается в диапазоне 0.1</2<0.25, а длина контррефлектора, а длина контррефлектора 2a (1.05 — 1.1)2l.

В этом случае ДН описывается следующим аналитическим выражением

В плоскости Е:

(3.1)

В плоскости Е:

(3.2)

Где:

Расстояние между вибратором и контррефлектором:

Волновое число:

Длина вибратора: 2l=0.05 м Длина контррефлектора: 2a=0.056 м Отношение амплитуд токов пассивном и активном вибраторах:

Сдвиг фаз:

В нашем случае, а x22 определяется из

3.2 Распределение поля в апертуре зеркала Расчет распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам:

где F0() — диаграмма направленности облучателя,

0 — угол раскрыва,

— текущий угол,

— полярная координата.

Получаем, что

(3.5)

(3.6)

Графическое изображение полученного выражения показано в приложении А, рисунок 3.3.

4. Расчет пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны Инженерный расчет пространственной ДН параболической антенны часто сводится к определению ДН идеальной круглой синфазной площадки с неравномерным распределением напряженности возбуждающего поля. В данном случае распределение напряженности возбуждающего поля в основном определяется ДН облучателя в соответствующей плоскости. Выражение для нормированной ДН зеркальной параболической антенны при этом имеет вид (приложение А, рисунок 4.1):

(4.1)

где Jl, J2 — цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка;

(4.2)

k — коэффициент, показывающий во сколько раз амплитуда возбуждающего поля, на краю раскрыва меньше амплитуды в центе раскрыва в соответствующей плоскости с учетом различий расстояний от облучателя до центра зеркала и до края зеркала;

Екр, Емах — амплитуды поля на краю и в центре раскрыва.

Приближенно коэффициент направленного действия зеркальной антенны определяется выражением [1]:

(4.3)

где S — площадь раскрыва;

рез — результирующий коэффициент использования поверхности. Для рупорных облучателей рез = 0.81

С учетом того, что КПД зеркальной антенны примерно 0.9, можно рассчитать ее коэффициент усиления.

Точное определение параметров антенны.

Коэффициент использования поверхности

(4.4),

где

= 0.410−3 10−5 — точность выполнения профиля зеркала. Примем = 10−4.

Тогда согласно (2.7)

Эффективная площадь антенны

(4.6)

Коэффициент направленного действия

(4.7)

Коэффициент усиления антенны

(4.8)

5. Конструктивный расчет антенны

5.1 Расчёт профиля зеркала параболическая антенна облучатель зеркало Зеркальные антенны имеют наибольший КНД при синфазном возбуждении раскрыва. Параболический профиль зеркала обеспечивает одинаковые длины электрических путей от облучателя, установленного в фокусе параболоида вращения, до каждой точки плоскости раскрыва. В полярной системе координат парабола описывается уравнением:

(5.1)

где , — полярные координаты, f0 — фокусное расстояние. В данном случае изменяется от 0 до 0, т. е. от 0o до 47o.(приложение А, рисунок 5.1).

5.2 Выбор конструкции зеркала С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность зеркала часто выполняется перфорированной или сетчатой (рисунок 5.1).

Рисунок 5.2 — Перфорированная (а) и сетчатая (б) поверхность зеркала

При такой конструкции зеркала часть энергии просачивается сквозь него, образуя нежелательное излучение. Допустимым является значение коэффициента прохождения в обратном направлении:

(5.2)

где Робр, Рпад — мощность излучения в обратном направлении и падающего на зеркало, соответственно. Двух линейная сетка работает удовлетворительно при расстоянии между проводниками l < 0.1 = 16.7мм и диаметре проводов d 0.01 = 1.67мм.

5.3 Определение допусков на точность изготовления Неточность изготовления зеркала вызывает несинфазность поля в раскрыве. Допустимыми являются фазовые искажения поля в раскрыве зеркала не более ± /4. При этом уменьшение коэффициента усиления антенны не превышает нескольких процентов.

Пусть поверхность параболоида имеет некоторые неровности с наибольшим отклонением от нормы (рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 — Допуски на точность изготовления зеркала Путь луча, отраженного от поверхности в месте наибольшего отклонения от изменяется при этом на величину

+ cos (), (5.3)

а соответствующий сдвиг фаз составит величину и он не должен превышать /4, отсюда получаем:

(5.4)

Анализ полученного выражения показывает, что в близи центра параболоида необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной поверхности не должно превышать

у кромки параболоида требования к точности получаются наименьшими. Точность установки облучателя так же определяется нормами на наибольшие допустимые фазовые искажения поля в раскрыве.

Пусть фазовый центр облучателя смещён на x (рисунок 5.3).

Рисунок 5.4 — Допуски на точность установки облучателя Тогда длины путей лучей от фазового центра до раскрыва увеличиваются. Наибольшее удлинение пути происходит у лучей, падающих на вершину зеркала. Это удлинение путей при малых смещениях можно приблизительно определить как xcos (). Тогда изменение фазы составит величину:

(5.6)

где 0, aфазовые искажения, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать /4, отсюда получим, что

(5.7)

Таким образом, с увеличением угла раскрыва точность и установка облучателя в фокусе повышается.

Выводы Подводя итог проделанной работы, можно выделить следующие моменты:

с увеличением угла раскрыва точность и установка облучателя в фокусе повышается;

ширина ДН на уровне повинной мощности:

20.5 =76 мрад (по условию)

20.5 =74 мрад (по расчетам), что вполне допустимо, т.к. это составляет около 2.6% (допустимое значение до 5%);

УБЛ:

— 24 дБ (по условию)

— 23.071 дБ, что несколько больше допустимого. Для уменьшения уровня боковых лепестков можно рекомендовать увеличить радиус раскрыва антенны.

1. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / под ред. проф. Воскресенского Д. И. — М.: Советское радио, 1994. 592 с.

2. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ.- М.: Высшая школа, 1988.-432 с.

3. Кочержевский Г. М., Ерохин Г. А., Козырев Н. Д. Антенно-фидерные устройства. — М.: Радио и связь, 1989. — 352 с.

4. Хмель В. Ф., Чаплин А. Ф., Шумлянский И. И. Антенны и устройства СВЧ.- Киев.: Вища школа, 1990. — 232с.

5. Регламент радиосвязи. Т.1. М.: Радио и связь, 1995. -509 с.

6. Спутниковая связь и вещание /Под ред. Кантора Л. А. — М.: Радио и связь, 1987.-526с.

7. Патлах А. Л., Гончаров В. Л. Антенны и устройства СВЧ. Методические указания курсовой работе «Зеркальные параболические антенны». — Алма-Ата; АЭИ: 1987.-32с.

Приложение, А Рисунок 2.2 — Зависимость чувствительности антенны от угла раскрыва

Рисунок 3.1 — Зависимость распределение амплитуды поля от радиуса апертуры рупора

Рисунок 3.2 — Диаграмма направленности конического рупора

Рисунок 3.3 — Распределение поля в апертуре зеркала Рисунок 4.1 — Диаграмма направленности зеркальной параболической антенны