Порядок расчета малошумящей параболической антенны

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: 2ΘH0.5 = 62 мрад

 2ΘE0.5 = 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 35000 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 × b = 18.6 × 4.3 см;

Погонное затухание:  

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

где a - коэф. затухания линии передачи [дБ/м]

1ф - длина фидерной линии [м]

2. Расчет геометрических размеров параболоида

.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 2×Θ0.5 - ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности, рад.;

l - длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;- 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 2×ΘН0.5 , 2×ΘЕ0.5 - 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/2Y 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: = 2;             R0/f0 = 1.25... 1.43 ;

.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 γ определяется формулой

 (2.5)

где первые четыре коэффициента не зависят от φ0, а γ’ вычисляется:

 (2.6)

где T1 = Tпр + T0 × (1-КПД) + КПД × Tнср= 290 K= (0.02 - 0.03) - коэффициент, учитывающий «переливание» части мощности облучателя через края зеркала, примем u = 0.025;

a1 = 1 - cosn+1 Ψ0, n - определяется типом облучателя;- площадь апертуры зеркала.

При n = 2, g(Ψ0) имеет следующий вид:

В итоге получим:

.4 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны

По максимуму построенной графически функции γ’ (Ψ0) определяется угол раскрыва зеркала (шаг изменения угла раскрыва Ψ0 не более 5°).

Где g1(Ψ) ≡ g”(Ψ)

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/f0 = 1.25... 1.43

откуда

3. Расчет геометрических и электродинамических характеристик облучателей

.1 Облучатель в виде полуволнового вибратора с дисковым контррефлектором в виде стержня

Полуволновый вибратор 2l»l/2. Расстояние d выбирается в диапазоне 0.1<l/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

.2 Распределение поля в апертуре зеркала

Расчет распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам:

где F0(Y) - диаграмма направленности облучателя,

Y0 - угол раскрыва,

Y - текущий угол,

r - полярная координата.

Получаем, что

 (3.5)

 (3.6)

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

. 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)

- 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;

nрез - результирующий коэффициент использования поверхности. Для рупорных облучателей nрез = 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

s = 0.4×10-3¸ 10-5 - точность выполнения профиля зеркала. Примем s = 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

.1 Расчёт профиля зеркала

параболическая антенна облучатель зеркало

 (5.1)

где r, Y - полярные координаты, f0 - фокусное расстояние. В данном случае Y изменяется от 0 до Y0, т.е. от 0o до 47o.(приложение А, рисунок 5.1).

.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 < 0.1l = 16.7мм и диаметре проводов d ³ 0.01l = 1.67мм.

.3 Определение допусков на точность изготовления

Неточность изготовления зеркала вызывает несинфазность поля в раскрыве. Допустимыми являются фазовые искажения поля в раскрыве зеркала не более ± p/4. При этом уменьшение коэффициента усиления антенны не превышает нескольких процентов [3].

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

Рисунок 5.3 - Допуски на точность изготовления зеркала

Путь луча, отраженного от поверхности в месте наибольшего отклонения от r изменяется при этом на величину

Dr + Dr × cos(Y), (5.3)

а соответствующий сдвиг фаз составит величину и он не должен превышать p/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 [6].

Пусть фазовый центр облучателя смещён на Dx (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 Dx×cos(Y). Тогда изменение фазы составит величину:

 (5.6)

где Df0, Dfa- фазовые искажения, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать p/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:

Q0.5 =76 мрад (по условию)

Q0.5 =74 мрад (по расчетам), что вполне допустимо, т.к. это составляет около 2.6 % (допустимое значение до 5%);

УБЛ:

дБ (по условию)

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

Список литературы

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

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

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

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

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

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

. 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