Расчет антенны для земной станции спутниковой системы связи (ЗССС)

Расчет антенны для земной станции спутниковой системы связи (ЗССС)

Курсовая работа

Расчет антенны для земной станции спутниковой системы связи (ЗССС)

Введение

Зеркальные антенны являются наиболее распространёнными остронаправленными антеннами. Их широкое применение в самых разнообразных радиосистемах объясняется простотой конструкции, возможностью получения разнообразных видов диаграмм направленности (ДН), высоким коэффициентом полезного действия (КПД), малой шумовой температурой, хорошими диапазонными свойствами и т.д. В радиолокационных применениях зеркальные антенны позволяют легко получить равносигнальную зону, допускают одновременное формирование нескольких ДН общим зеркалом (в том числе суммарных и разностных). Некоторые типы зеркальных антенн могут обеспечивать достаточно быстрое качание луча в значительном угловом секторе. Зеркальные антенны являются наиболее распространённым типом антенн в космической связи и гигантские антенные сооружения с эффективной поверхностью раскрыва, измеряемой тысячами квадратных метров.

Схема Кассегрена предложена в 1672 г. для построения оптических телескопов. Эта схема может быть взята за основу при построении антенных устройств в диапазоне СВЧ при достаточно большом отношении диаметра раскрыва антенны к длине волны.

Двухзеркальная антенна по схеме Кассегрена представляет собой систему, состоящую из двух отражающих поверхностей софокусных параболоида и гиперболоида и облучателя, установленного во втором фокусе гиперболоида. Все расстояния по ломаной линии от фокуса до раскрыва одинаковы, что обеспечивает синфазность поля в раскрыве. Двухзеркальная антенна является более компактной, чем однозеркальная, и обеспечивает более равномерное распределение возбуждения по раскрыву, а также является более помехозащищённой, даёт возможность укоротить тракт СВЧ, и разместить основную часть конструкции облучателя за зеркалом, что особенно удобно в моноимпульсных радиолокаторах. При оптимизации размеров облучателя и малого зеркала удаётся получить КИП (0,60-=-0,65). Недостаток системы затенение раскрыва малым её зеркалом, а также обратная реакция малого зеркала на облучатель.

В классических схемах Кассегрена используется следующее геометрооптическое свойство отражения сферической волны от поверхностей второго порядка: сферическая волна, излучаемая источником с фазовым центром, совпадающим с одним из фокусов произвольной поверхности второго порядка, в результате переотражения от нее преобразуется снова в сферическую волну, но с фазовым центром, совпадающим с другим фокусом.

Антенны Кассегрена широко используются в области радиорелейной и космической связи, в радиоастрономии, радиоуправлении, радиолокации и т.д.

1. Общий анализ и сравнительная характеристика антенн

В последнее десятилетие в области космической и радиорелейной связи, радиоастрономии и других областях широкое распространение получили двухзеркальные антенны (ДЗА).

Основными достоинствами осесимметричных ДЗА по сравнению с однозеркальными являются:

. Улучшение электрических характеристик, в частности повышение коэффициента использования поверхности раскрыва антенны, так как наличие второго зеркала облегчает оптимизацию распределения амплитуд по поверхности основного зеркала.

. Конструктивные удобства, в частности упрощение подводки системы фидерного питания к излучателю.

. Уменьшение длины волноводных трактов между приемо-передающим устройством и облучателем, например, путем размещения приемного устройства, вблизи вершины основного зеркала.

Вместе с тем ДЗА свойственны следующие недостатки:

. высокая степень затенения излучающего раскрыва, особенно для антенн с малым электрическим размером раскрыва, то есть характеризуемым сравнительно малым значением DA,;

. высокий уровень боковых лепестков по угловым направлениям, примыкающим к направлению главного излучения;

. значительно более серьезные трудности в конструировании квазичастотно независимых облучателей антенны по сравнению с однозеркальной схемой;

. большие физические размеры облучателя;

Принцип действия ДЗА заключается в преобразовании сферического волнового фронта электромагнитной волны, излучаемой источником, в плоский волновой фронт в раскрыве антенны в результате последовательного переотражения от двух зеркал: вспомогательного и основного с соответствующими профилями.

Одним из наиболее распространенных вариантов исполнения двухзеркальной антенны является антенна типа Кассегрена, содержащая параболоидное основное зеркало, облучатель и вспомогательное зеркало (контррефлектор), представляющее собой часть поверхности в виде гиперболоида вращения (рисунок 1.1).

Принцип действия двухзеркальных антенн заключается в преобразовании сферического волнового фронта электромагнитной волны, излучаемой источником, в плоский волновой фронт в раскрыве антенны в результате последовательного переотрожения от двух зеркал: вспомогательного и основного с соответствующими профилями.

Рисунок 1.1 - Антенна типа Кассегрена

2. Электрический и конструктивный расчет характеристик антенны

.1 Расчет электрических характеристик антенны

К основным энергетическим характеристикам антенны относят коэффициент усиления и коэффициент направленного действия. Коэффициент усиления передатчика можно определить по формуле:

.

дБ

Таким образом, получен коэффициент усиления передатчика в дБ. Для того, чтобы выразить его в разах необходимо использовать математическое определение децибела, и выразить соотношение:

раз.

Коэффициент направленного действия (КНД) определяется как отношение коэффициента усиления к КПД, который обозначен в техническом задании (КПД=0,87). Тогда КНД определиться:

, тогда:

2.2 Расчет радиуса раскрыва большого зеркала

В предварительных расчетах радиус раскрыва вычисляется без учета площади затенения. Для определения предварительного радиуса раскрыва (R₀’) используется следующее соотношение:

,

где КИП принимается равным 0,6 в соответствии с техническим заданием;

л - длина волны излучателя:

.

Исходя из приведенных соотношений, можно выразить площадь раскрыва антенны и определить радиус предварительного раскрыва антенны:

Как известно площадь окружности определяется по формуле:

.

В результате получим выражении для определении предварительного радиуса раскрыва антенны:

.

Теперь можно рассчитать диаметры большого и малого зеркал:

,

.

При этом диаметр малого зеркала определяется в соответствии с рекомендациями:

,

.

В дальнейшем анализе необходимо учитывать площадь затенения, иными словами определить площадь малого зеркала, и соответственно вычислить радиус раскрыва с учетом этой площади. Площадь тени определяется так:

,

где , тогда

.

В итоге необходимо проверить соотношение . Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что условие удовлетворено:

.

антенна спутниковый облучатель

Дальнейший расчет основан на выборе угла раскрыва (Ш₀) и угла облучения (ц₂), подбираемых в установленных пределах:

Ш₀ = 100⁰…105⁰, примем Ш₀ = 103⁰;

ц₂ = 40⁰…41⁰, примем ц₂ = 40⁰.

2.3 Расчет эксцентриситета малого зеркала гиперболы, фокусных расстояний зеркал и диаметра облучателя

антенна облучатель эксцентриситет зеркало

Эксцентриситет малого зеркала гиперболы возможно найти аналитическим способом и графическим. Аналитически эксцентриситет определяется по формуле:

, →.

Графически эксцентриситет определяется с помощью семейства установленных зависимостей значения эксцентриситета образующей гиперболы от набора углов (Ш₀) и (ц₂) для различных схем антенных излучателей, представленных на рисунке 2.1.

Из графика, представленного на рисунке 2.1, видно, что при углах Ш₀ = 103⁰ и ц₂ = 40⁰ значение эксцентриситета близко к полученному при аналитических вычислениях результату: е≈1,81.

При дальнейших расчетах необходимо определить фокусное расстояние большого (F) и малого (f) зеркал. Это можно сделать, используя следующее соотношение:

;

Тогда:

Из приведенного выше соотношения можно определить F_э так:

,

.

Теперь можно рассчитать фокусное расстояние малого зеркала, при этом формула для его определения выглядит следующим образом:

;

Как известно, разность расстояний от фокусов до произвольной точки на поверхности гиперболоида постоянна, т.е. , где 2а - это расстояние между его вершинами. Расстояние между двумя фокусами гиперболоида . При этом эксцентриситет образующей гиперболы равен .

Наглядно расстояния 2а и 2С представлены на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2. графическое представление расстояний 2С и2а

Теперь можно отыскать численные значения расстояний 2С и 2а. Для этого используются следующие выражения:

;

;

Для состоятельности полученныхзначений необходимо выполнение условия: . Подставляя числовые значения, получим:

. Т.е. расстояния рассчитаны правильно.

На завершающем этапе расчета данного раздела необходимо определить диаметр облучателя по формуле:

.

Тогда диаметр облучателя можно определить так:

;

.

При этом необходимо выполнить условие .

2.4 Расчет профилей большого и малого зеркал

Данный расчет производится на основе известных выражений для  как для большого зеркала гиперболоида, так и для контррефлектора. Эти выражения выглядят следующим образом:

, и

Для упрощения алгоритма вычислений в курсовой работе данный расчет производится в программе AGRAP205 в полярных координатах при изменении значений угла ш в следующих пределах (-ш₀; ш₀).

Рассчитанные профили приведены в полярных координатах на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Профили большого и малого зеркал

.5 Расчет диаграммы направленности облучателя

Из всего многообразия типов и видов облучателей наиболее предпочтительными для нашего проекта является круглый волновод с переходом в конический рупор. Задача состоит в определении и графическом отображении главного бокового лепестка конического рупора. Используя этот лепесток необходимо убедиться, что ширина ДН облучателя уложена в угол ц₂. рисунок 2.4 содержит данные для определения главного лепестка. на нем указаны углы и с осью рупора ,соответствующего различным уровням главного лепестка.

Рисунок 2.4

Для того чтобы построить ДН облучателя нужно работать по следующему алгоритму (согласно рис 2.4) на оси абсцисс откладываем полученное значений отношения , затем, проведя нормаль к оси рупора, получаем значения углов. Как видно из графиков, ширина ДН облучателя имеет малое значение.

Рассчитаем ДН в Е- плоскости и Н- плоскости, соответственно по следующим формулам:

, где ,

Графическое представление диаграмм направленности облучателя изображено ниже. При этом можно увидеть, что в обеих плоскостях ширина главного лепестка уложена в угол ц₂=41⁰.

Рисунок 2.5. Диаграмма направленности облучателя в Е-плоскости и Н-плоскости

2.6 Расчет амплитудного распределения в раскрыве зеркала антенны

Распределение амплитуд в раскрыве зеркала антенны определяется по формуле:

,

где  - коэффициент пересчета, определяемый соотношением:

.

Изменяя пределы угла Ш от 0 до Ш₀ получим значения с(Ш).

Для того, чтобы построить амплитудное распределение с учетом облучателя мы должны пересчитать F_обл(и) к зависимости от угла Ш. Данное преобразование целесообразно выполнить с использованием следующей формулы:

.

Тогда: .

Максимум распределения амплитуд найдется так:

.

По результатам расчетов получим значение =0,4468.

Следующим элементом расчета является выбор аппроксимирующее амплитудное распределение. Задача состоит в том, чтобы из всех амплитудных распределений выбрать то, которое удовлетворяет требованиям к диаграмме направленности зеркальной антенны, то есть имеет максимальный КИП и минимальный УПБЛ.

Выбираем следующее амплитудное распределение:

.

Формула перерасчета расстояния в градусы имеет вид:

.

По результатам вышеприведенных вычислений построим графики зависимости  и  - истинное и аппроксимирующее амплитудные распределения в наложении и представим их на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 -Истинное и аппроксимирующее амплитудные распределения в наложении

3. Расчет диаграммы направленности антенны

Задавшись амплитудным распределением в раскрыве антенны, можно рассчитать диаграмму направленности антенны. Для выбранного амплитудного распределения диаграмму направленности антенны можно найти по формуле:

, где

В результате математических преобразований и уточнений по приведенным формулам можно построить диаграмму направленности антенны, представленную на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Диаграмма направленности антенны

По диаграмме направленности антенны можно определить:

·          ширину главного лепестка 2и_0,5=0,8⁰;

·        положение первого нуля ≈1⁰1^/;

·        уровень первого бокового лепестка  = -34,425 дБ.

Заключение

В ходе курсового проектирования была спроектирована антенна для Земной станции спутниковой системы связи. Для этого был произведен расчет электрических и конструктивных параметров антенны ЗССС.

В результате расчета получили параметры антенны, соответствующие параметрам, заданным техническим заданием. При проектировании были успешно применены элементы программирования в программе MathCAD и отображены схемы двухзеркальной антенны, собранной по схеме Кассегрена.

Список литературы

1. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н., Антенны УКВ. - М.: Связь, 1971. В 2-х частях.

2. Конарейкин Д.Б., Потехин В.Л., Шишкин И.Ф. Морская поляриметрия. - Л.: Судостроение, 1968. - 328 с.

3. Лавров А.С., Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов. - М.: Советское радио, 1974. - 368 с.

4. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Учебное пособие для вузов. / Под ред. профессора Воскресенского Д.И. - М.: Советское радио, 1972. - 320 с.