Расчет малошумящей однозеркальной параболической антенны

РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ Кафедра Радиотехники

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

Тема: Расчет малошумящей однозеркальной параболической антенны

Руководитель: доцент В. Л. Гончаров Выполнил: студент группы ССП-03−2

О. В. Баранов

№ студенческого билета: 33 413

Вариант № 13

Алматы 2006

Техническое задание

Рабочая частота f = 1,1 ГГц;

Ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности ^Н_0.5

^Н_0.5 = 54 мрад;

^Е_0.5 = 59 мрад;

Тип облучателя: Полуволновый вибратор с дисковым контррефлектором;

Уровень боковых лепестков УБЛ = - 23 дБ;

Средняя яркостная температура неба Т_нср = 15 К;

Температура шумов приемника Т_пр = 2100 К;

Длина фидерной линии l_ф = 6 м.

б = 0,405 дБ/м

a = 19,5 см

b = 9,8 см

Техническое задание

1. Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя и параболоида:

1.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта;

1.2 Определение диаметра раскрыва;

1.3 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны.

1.3.1 аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида cos^n/2

2. Расчет геометрических и электродинамических характеристик поля

2.1 диаграммы направленности облучателя

2.2 распределение поля в апертуре зеркала.

3. Расчет пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны

4 Конструктивный расчет антенны:

a) расчет профиля зеркала

b) выбор конструкции зеркала

c) определение допусков на точность изготовления Выводы

Приложение А

1. Определение геометрических размеров параболического зеркала

1.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта Т_афу и КПД;

Выбираем фидер РК-75−3-13, т. к. он подходит по частоте f=1 ГГц и обладает наименьшим коэффициентом затухания 0,11

Длина волны определяется по формуле:

Шумовая температура фидерного тракта Т_афу определяется по формуле:

где б — коэффициент затухания линии передачи [дБ/м],

l_ф — длина фидерной линии [м].

КПД определяется по формуле:

Определим шумовую температуру антенной системы:

1.2 Определение диаметра раскрыва

параболическая антенна облучатель поле Зеркальная антенна — направленная антенна, содержащая первичный излучатель и отражатель антенны в виде металлической поверхности. Параболическая зеркальная антенна представлена на рисунке 1.

В случае равномерно возбуждённого раскрыва параболического зеркала ширина ДН приближённо определяется:

где

_0.5 — ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности, рад.;

— длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;

R₀ — радиус раскрыва зеркала (рисунок 1).

Неравномерное возбуждение раскрыва зеркала приводит к некоторому расширению главного лепестка ДН, так как уменьшается эффективная площадь раскрыва. Чаще всего диаграммы направленности зеркальных антенн не обладают осевой симметрией, т. е. ширина главного лепестка в плоскостях Е и Н различна. В большинстве практических случаев это влечёт за собой следующее изменение:

где

^Е_0.5, ^Н_0.5 ширина ДН соответственно в плоскостях Е и Н.

Для Е и Н плоскостей соответственно найдем радиус раскрыва:

Т. к. в курсовой имеются данные о ширине диаграммы направленности в обеих плоскостях, можно определить диаметр раскрыва d_p = 2 R₀, причем из полученных двух значений диаметра следует выбрать наибольшее. Следовательно, R₀ = 3,03 (м).

d_p = 2 R₀ = 2 3,033 = 6,066 м

1.3 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны

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 (рисунок 2) оптимальное значение R₀/f₀ определяется по аппроксимированной ДН облучателя (аппроксимация функцией вида где n определяет степень вытянутости ДН облучателя). Для вибратора с контррефлектором в виде диска n=4, R₀/f₀ = 1.0…1.25, = 0.82.

С точки зрения оптимизации геометрии антенны по максимальному отношению сигналшум необходимо произвести следующий расчет.

Чувствительность определяется формулой:

Где первые четыре коэффициента не зависят от _о, а ^' вычисляется:

где Т₁ = Т_пр + Т₀ (1 — з) + з Т_нср = 2100 + 290 (1 — 0.994) + 0.994 15 = 2117 К Т_о = 290 К;

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

u = 0.03;

n = 4 — определяется типом облучателя;

₁ = 1 — cosⁿ⁺¹₀;

S = р R²= 3.14 3,03² = 28.843 м², площадь апертуры зеркала;

при n=4

Построим график функции г`(₀), по максимуму которого определим угол раскрыва зеркала.

График 1 — График функции г`(₀)

₀ = 0.945 (рад) = 54,145 ₁ = 0.931, g = 0.88, ` = 3,822 10^-4, = 9,57 10 —³.

Фокусное расстояние f может быть рассчитано на основе следующего соотношения:

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R₀/f₀ КНД наибольший. Заданный интервал отношения R₀/f₀ = (1,0…1,25). Расчетное отношение R₀/f₀ = 1,02, что удовлетворяет условию.

2 Расчет геометрических и электродинамических характеристик облучателей

Расчет сводиться к определению геометрических размеров облучателя, при которых уменьшение амплитуды поля на краю раскрыва зеркала происходит до одной трети амплитуды поля в центре раскрыва, и диаграммы направленности облучателя.

2.1 Полуволновый симметричный вибратор с контррефлектором в виде диска

Фазовый центр вибратора с контррефлектором в виде диска лежит между вибратором и контррефлектором несколько ближе к последнему. Обычно контррефлекторы выполняются в виде дисков диаметром 2d = (0.7…0.8)л, при этом ДН имеет форму, близкую к диаграмме с осевой симметрией, но, отличается от нее. Расстояние между вибратором и контррефлектором выбираетса близким к четверти длины волны, а длина вибратора — к половине длины волны (2l? л/2).

Диаграмма направленности такого облучателя в Е плоскости рассчитывается по формуле:

а в Н плоскости — по формуле:

График 2 — ДН полуволнового симметричного вибратора с контррефлектором в виде диска и аппроксимация.

2.2 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.

График 3 — Распределение поля в апертуре зеркала В данном случае ₀ — текущий угол, а — сдвиг фаз между токами.

3 Расчет пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны

Инженерный расчёт пространственной диаграммы направленности ДН параболической антенны часто сводится к определению ДН идеальной круглой синфазной площадки с неравномерным распределением напряжённости возбуждающего поля. В данном случае распределение напряжённости возбуждающего поля в основном определяется ДН облучателя в соответствующей плоскости. Выражение для нормированной ДН зеркальной параболической антенны при этом имеет вид:

где J₁, J₂ — цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка.

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

Е_кр, Е_мах — амплитуды поля на краю и в центре раскрыва.

Для Е — плоскости к₁ = 0.316

Для Н — плоскости к₁ = 0.631

Построим ДН зеркальной параболической антенны:

График 4 — Пространственная ДН параболической антенны в Е плоскости.

График 5 — Пространственная ДН параболической антенны в Е плоскости.

Приближенно коэффициент направленного действия зеркальной антенны определяется выражением:

где

S — площадь раскрыва;

х_рез — результирующий коэффициент использования поверхности Коэффициент использования поверхности:

Эффективная площадь антенны:

м²

Коэффициент направленного действия:

Коэффициент усиления антенны:

4 Конструктивный расчет антенны

4.1 Расчет профиля зеркала

Зеркальные антенны имеют наибольший КНД при синфазном возбуждении раскрыва (плоский фазовый фронт волны). Параболический профиль зеркала обеспечивает одинаковые длины электрических путей от облучателя, установленного в фокусе параболоида вращения, до каждой точки плоскости раскрыва (свойство параболы). В полярной системе координат парабола описывается уравнением

где

 — полярные координаты;

f — фокусное расстояние;

изменяется от 0 до ₀.

График 6 — Плоский фазовый фронт волны

4.2 Выбор конструкции зеркала

С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность зеркала часто выполняется перфорированной, или сетчатой При такой конструкции зеркала часть энергии просачивается сквозь него, образуя нежелательное излучение. Допустимым является значение коэффициента прохождения в обратном направлении.

где Р_обр, Р_пад — мощность излучения в обратном направлении и падающего на зеркало, соответственно.

Двухлинейная сетка работает удовлетворительно при расстоянии между проводниками меньше 0.1 и диаметре проводов не менее 0.01.

d_п = 0.1 0.273 = 0.027 м;

d_пров = 0.01 0.273 = 0.0027 м.

4.3 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 (выступы и углубления). Наибольшее отклонение от идеальной поверхности в направлении обозначим через Д.

Путь луча, отраженного от неровности в месте наибольшего отклонения от, изменяется при этом на величину + cos, а соответствующий сдвиг фаз составит величину = (1+cos), и он не должен превышать величину 4, отсюда получаем Анализ полученного выражения для показывает, что вблизи центра параболоида (= 0) необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной поверхности не должно превосходить величины 16, у кромки параболоида требования к точности получаются наименьшими.

Точность установки облучателя также определяется нормами на наибольшие допустимые фазовые искажения поля в раскрыве. Пусть фазовый центр облучателя смещен на х.

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 хcos. Тогда изменение фазы составит величину

где

₀, _а — фазовые искажения_, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать /4, отсюда получаем:

Выводы

Сравним полученные данные с исходными:

Исходные данные:

^Н_0.5 = 54 мрад — ширина ДН на уровне половинной мощности в плоскости Н

^Е_0.5 = 59 мрад — ширина ДН на уровне половинной мощности в плоскости Е УБЛ = -23 дБ — уровень боковых лепестков Рассчитаем параметры:

— уровень боковых лепестков

— отклонение боковых лепестков от заданного значения Полученная ширина ДН:

^Н_0.5 = 53 мрад

^Е_0.5 = 61 мрад

— отклонение в плоскости Н

- отклонение в плоскости Е

1 В. Л. Гончаров, А. Л. Патлах, А. Р. Аклюев, А. Х. Хорош. Малошумящие однозеркальные параболические антенны, Алматы 1998;

2 Д. И. Вознесенский. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. М: Советское радио, 1994;

3 Д. М. Сазонов. Антенны и устройства СВЧ. — М.: Высшая школа, 1988

4 Г. М. Кочержевский, Г. А. Ерохин, Н. Д. Козырев. Антенно-фидерные устройства.- М.: Радио и связь, 1989;

5 В. Ф. Хмель, А. Ф. Чаплин, И. И. Шумлянский. Антенны и устройства СВЧ. — Киев.: Вища школа, 1990;

6 Марков Г. Т. Сазанов Д. М. «Антенны», М: Энергия, 1975;

7 Айзенберг Г. З. «Антенны ультракоротких волн», М: Связьиздат, 1957;

8 Хмель В. Ф. «Антенны и Устройства СВЧ», Киев 1976.

Зеркальная параболическая антенна