Расчет спутниковой передающей антенны

Задание

Требуется спроектировать и рассчитать антенну, в соответствии с приведёнными ниже техническими данными.

Назначение:

Бортовая спутниковая передающая антенна системы ретрансляции телевизионных сигналов на участке линии ИСЗ-Земля (ИСЗ-З).

Схема:

Однозеркальная антенна с отражателем в виде вырезки из параболоида вращения (параболическая антенна). В качестве облучатели используется конический рупорный облучатель (КР).

Исходные данные:

Средняя рабочая частота: 4 ГГц

Коэффициент усиления приёмной антенны: 48 дБ

Тип фидера: круглый волновод

Мощность передатчика: 50 Вт

Мощность на входе приёмника: -108 дБВт

Длина трассы ИСЗ-З: 39 900 км

Проектирование и расчёт. Параметры передающей антенны

Коэффициент усиления передающей антенны рассчитывается в соответствии с выражением для баланса мощностей на линии ИСЗ-З:

То же выражение в логарифмических единицах — децибелах:

(в этом выражении:)

Величина учитывает дополнительные потери в атмосфере за счёт множителя ослабления и потери в фидерных трактах передатчика и приёмника.

дБ.

— рабочая длина волны, равная при заданной средней рабочей частоте:

м Мощность передатчика в дБВт:

дБВт

дБ Коэффициент усиления антенны в относительных единицах (в разах) составляет 398.

Параметры облучателя

В разрабатываемой антенне используется конический рупорный облучатель. Для КР характерны простая конструкция и достаточно широкий диапазон рабочих частот, определяемый условиями одноволнового режима питающего волновод (используется круглый волновод), а также лучшая симметрия диаграммы направленности, чем у пирамидального рупора.

Коэффициент направленного действия облучателя выбирают, как правило, в пределах относительных единиц.

Пусть, тогда диаметр раскрыва (апертура) рупора:

м Радиус раскрыва рупора: .

Длина рупора:

м Половина угла раскрыва рупора:

Диаграммы направленности излучения облучателя в плоскостях E и H строятся по номограммам ([1], стр. 8, рис. 4) по значению отношения диаметра раскрыва рупора к длине волны .

Определённые по номограммам нормированные значения функций направленности:

Построенные по полученным значениям диаграммы направленности облучателя:

Углы по уровню 0, 3:

Положение фазового центра конического облучателя зависит от величины максимальной фазовой ошибки в раскрыве, равной:

Т. к, то расстояние от центра раскрыва рупора до фазового центра в сторону его вершины:

Защита облучателя от внешних воздействий и попадания влаги в его раскрыв помещается пластина из диэлектрика.

При потерях толщина пластины:

м Радиус волновода выбирается из условия:

По справочной таблице выбирается волновод типа С40 диаметром 52 мм.

Параметры профиля зеркала

бортовой спутниковый передающий антенна

Радиус апертуры зеркала антенны рассчитывается с учётом усиления антенны:

Величина — произведение результирующего коэффициента использования апертуры и КПД антенны.

м Фокусное расстояние параболического отражателя:

— половина оптимального угла раскрыва, определяемого по диаграмме направленности по уровню 0, 3.

м Для рупорного облучателя фокусное расстояние уточняется округлением до целого числа полуволн: .

Для данного случая: f=0, 189 м (n=5).

Профиль параболического зеркала, рассчитанный с помощью выражения :

Таблица для построения профиля:

Распределение амплитуды поля в апертуре антенны

Расчёт распределения амплитуды поля в апертуре антенны выполняется с применением аппроксимирующей функции вида:

(в этом выражении — нормированное расстояние точки в раскрыве антенны от её центра) Расчёт коэффициентов и .

Результаты расчёта зависимости :

Составляется система уравнений (для и), которая решается относительно переменных и :

В результате решения системы получены значения:

Аппроксимирующая функция:

Графики истинного (сплошная линия) и аппроксимированного (пунктирная линия) распределения амплитуды поля в апертуре антенны:

Расчетные значения:

Расчёт диаграммы направленности антенны

Функция направленности для амплитудного распределения поля в раскрыве антенны, аппроксимированного в виде степенного трёхчлена :

(в этом выражении, , — лямбда-функция i-го порядка)

Диаграмма направленности антенны:

Ширина главного лепестка по уровню 0, 7 составляет 4°.

Защита облучателя от отражённой волны

Для устранения влияния отражённой от зеркала волны на облучатель можно применить различные способы:

— вынос облучателя из фокуса;

— поворот отражённой волны на 90° (изменение угла поляризации);

— покрытие центральной части отражателя поглощающим материалом.

При использовании последнего способа в центральной части зеркала помещают металлический диск.

Диаметр диска для данного случая:

м

В результате в точке размещения облучателя противофазные и равноамплитудные волны взаимно компенсируют друг друга.

1. Брауде В. Б., Казанцева Т. П., Чинакаев Н. Р. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: методические указания к курсовому проектированию. СПб.: СПбГУТ, — 2001 г.

2. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов. — М.: Высш. шк., 1989. — 432 с.

3. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: учебник для вузов / Г. А. Ерохин, О. В. Чернышев, Н. Д. Козырев, В. Г. Кочержевский; Под ред. Г. А. Ерохина. — М.: Горячая линия — Телеком, 2007. — 491 с.