Расчет малошумящей параболической антенны
Расчет зеркальных параболических антенн, которые находят широкое применение в космических и радиорелейных линиях связи. Определение поля излучения параболической антенны апертурным методом. Шумовая температура фидерного тракта. Выбор конструкции зеркала.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 04.03.2011 |
| Размер файла | 1,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/27
РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра Радиотехники
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту по дисциплине антенно-фидерные устройства
Тема: Расчет малошумящей параболической антенны
Руководитель: Прилепкина Л.П.
Студент: Уданов Д.Б.
Группа КСС-05-2
Алматы 2008
Техническое задание
1. Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта Тафу и КПД.
2. Расчет геометрических параметров параболоида:
а) диаметров раскрыва;
б) оптимизация геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум;
в) аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида cosn/2Ш и выбор числа n;
г) определение угла раскрыва и фокусного расстояния.
3. Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя.
4. Расчет распределения поля в апертуре зеркала.
5. Расчет ДН параболической антенны.
6. Вычисление шумовых температур антенной системы.
7. Расчет полного коэффициента использования площади, эффективной площади, КНД и КУ антенны.
8. Конструктивный расчет антенны:
а) расчет профиля зеркала;
б) выбор конструкции зеркала;
в) определение допусков на точность изготовления зеркала и установки облучателя.
9. Сопоставление расчетного и заданного уровня боковых лепестков, выработка рекомендации для обеспечения соответствия этих уровней.
Содержание
- Техническое задание
- Введение
- Исходные данные
- 1. Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта Тафу и КПД
- 2. Расчет геометрических параметров параболоида
- 3. Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя
- 4. Расчет распределения поля в апертуре зеркала
- 5. Расчет ДН параболической антенны
- 6. Конструктивный расчёт антенны
- 6.1 Расчёт профиля зеркала
- 6.2 Выбор конструкции зеркала
- 6.3 Определение допусков на точность изготовления
- Заключение
- Список литературы
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, 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.
Исходные данные
1. Рабочая частота f = 6,0 (ГГц);
2. Ширина ДН на уровне половинной мощности 2ИН0,5 = 53 (мрад); 2ИЕ0,5 = 58 (мрад);
3. Тип облучателя - Открытый конец прямоугольного волновода;
4. Уровень боковых лепестков = - 18 (дБ);
5. Средняя яркостная температура неба Тнср = 13 (0К);
6. Температура шумов приемника Тпр = 1700 (0К);
7. Длина фидерной линии lф = 12 (м).
1. Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта Тафу и КПД
а) Выбор фидера
Параметры прямоугольного волновода для частоты f = 6,0 (ГГц):
a b [см] = 4.0 2.0; Коэффициент затухания кабеля [дБ/м] = 0.0431.
б) Определение шумовой температуры фидерного тракта Тафу
в) Определение КПД
г) Вычисление шумовых температур антенной системы.
2. Расчет геометрических параметров параболоида
а) Определение диаметра раскрыва
Зеркальная антенна - направленная антенна, содержащая первичный излучатель и отражатель антенны в виде металлической поверхности.
Рисунок 1 Параболическая зеркальная антенна.
В случае равномерного возбужденного раскрыва параболического зеркала ширина диаграммы направленности определяется:
(1)
Однако, добиться равномерного возбуждения раскрыва практически не удается. Известно, что КНД зеркальной антенны имеет наибольшую величину в том случае, если амплитуда возбуждающего 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 диаграммы направленности), т.е. ширина главного лепестка в плоскостях E и H различна. В большинстве практических случаев это влечет за собой следующее изменение выражения (1):
(2)
(3)
Радиус раскрыва зеркала:
a) Для H плоскости: (4)
б) Для E плоскости: (5)
Диаметр раскрыва:
Выбираем наибольший радиус R0=0,566
б) определение угла раскрыва и фокусного расстояния
В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении Ro/fo КНД наибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы направленности облучателя и от отношения Ro/fo. При уменьшении отношения Ro/fo от оптимального КНД уменьшается, так как увеличивается 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 Ro/fo определяется по аппроксимированной нормированной диаграмме направленности.
|
Тип облучателя |
n |
Ro/fo |
v |
|
|
Рупорные и др. облучатели |
6 |
0.8.1.0 |
0.81 |
Рисунок 2 Варианты размещения облучателя
С точки зрения оптимизации геометрии антенны по максимальному отношению сигналшум необходимо произвести следующий расчет.
Чувствительность определяется по формуле:
(6)
Где первые четыре коэффициента не зависят от о, а ' вычисляется:
, (7),
Где
(8)
u = (0.02 - 0.03) - коэффициент, учитывающий "переливание" части мощности облучателя через края зеркала, u = 0.025;
Площадь апертуры зеркала: ;
Точное определение параметров антенны:
Определим коэффициенты б2 и б3:
(9)
(10)
Рисунок 3 - Зависимость чувствительности от ц0
По максимуму построенной графической функции определяем угол раскрыва зеркала. рад = 470.
Фокусное расстояние f может быть расчитано на основе соотношения:
0 = 2 arctg ; ; (м) (11)
- оптимальное значение т.к. входит в область (0.8.1.0).
3. Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя
Размеры облучателя в виде открытого конца прямоугольного волновода выбираются исходя из существующего ряда стандартных волноводов для заданной длины волны.
Диаграммы направленности открытого конца волновода могут быть рассчитаны, как идеальной излучающей поверхности с косинусоидальным распределением напряжённости электрического поля вдоль широкой стенки:
(12)
в Е плоскости (13)
в Н плоскости (14)
где а, b - поперечные размеры волновода;
Аппроксимация функции (15)
Построим диаграммы направленности, рисунок 4.
Рисунок 4 - Диаграмма направленности в полярной системе координат (для Е, Н - слева; аппроксимация функцией справа.)
4. Расчет распределения поля в апертуре зеркала
Рассчитаем распределение поля в апертуре зеркала:
(16)
(17)
Распределение поля в апертуре зеркала (рисунок 5):
Построение графиков:
малошумящая параболическая антенна зеркальная
5. Расчет ДН 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:
(18)
(19)
k1 - коэффициент, показывающий во сколько раз амплитуда возбуждающего поля, на краю раскрыва меньше амплитуды в центре раскрыва, в соответствующей плоскости с учетом различий расстояний от облучателя до центра зеркала и до края зеркала;
Рисунок 6 - Нормированная диаграмма направленности
Ширина ДН на уровне половинной мощности 2ИН0,5, 2ИЕ0,5=49 мрад, уже необходимой. Погрешности - 7% и 15%.
УБЛ в E, Н плоскости
Ввиду того, что заданная ширина ДН и расчетная отличаются на весьма значительную величину, то проведем оптимизацию, а именно уменьшим радиус антенны с 0,566 до 0,5 м.
Определим площадь апертуры зеркала после оптимизации:
Найдём фокусное расстояние после оптимизации:
Найдём распределение поля в апертуре зеркала после оптимизации:
Рисунок 7 - Распределение поля в апертуре зеркала после оптимизации, в плоскостях Е, Н
ДН после оптимизации
Рисунок 8 - ДН после оптимизации
Ширина ДН на уровне половинной мощности 2ИН0,5, 2ИЕ0,5=55 мрад.
Погрешность ДН обеих плоскостей не превышает 5,1 %.
Найдём отклонение боковых лепестков от заданного значения:
УБЛ в E, Н плоскости УБЛ больше заданного УБЛ на 1 дБ, вследствие чего данный параметр можно не изменять.
Приближенно КНД определяется выражением:
С учетом того, что КПД зеркальной антенны примерно 0,88, можно рассчитать ее коэффициент усиления.
Коэффициент использования поверхности:
Эффективная площадь антенны:
Коэффициент направленного действия:
Коэффициент усиления антенны:
6. Конструктивный расчёт антенны
6.1 Расчёт 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
Рисунок 9 - Профиль зеркала после оптимизации
6.2 Выбор конструкции зеркала
С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность зеркала часто выполняется перфорированной, или сетчатой (рисунок 10).
Рисунок 10 - Поверхность зеркала
При такой конструкции зеркала часть энергии просачивается сквозь него, образуя обратное нежелательное излучение. Допустимым является значение коэффициента прохождения в обратном направлении:
где Pобр, Pпад - мощность излучения в обратном направлении и падающего на зеркало. Для перфорированного отражателя диаметр отверстий должен быть меньше 0,2 при суммарной площади отверстий не более 0,5.0,6 всей площади зеркала.
Найдём диаметр отверстий:
6.3 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 (рисунок 9).
Рисунок 11 - Допуски на точность изготовления зеркала
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 (Ш=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 x (рисунок 10).
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 x сos. Тогда изменение фазы составит величину:
Где Дц0, Дцa - фазовые искажения, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва. Эта величина не должна превышать /4, отсюда получаем, что:
Таким образом, с увеличением угла раскрыва точность и установка облучателя в фокусе повышается.
Рисунок 12 - Допуски на точность установки облучателя
Заключение
Исходные данные:
2ИН0,5 = 53 (мрад);
2ИЕ0,5 = 58 (мрад);
УБЛ=-18 (дБ);
В ходе расчетов получили следующие данные:
Ширина ДН на уровне половинной мощности 2ИН0,5, 2ИЕ0,5=49 мрад.
УБЛ в E, Н плоскости
Ввиду того, что заданная ширина ДН и расчетная отличаются на весьма значительную величину (в Е-плоскости - на 15%, в Н-плоскости - на 7%), поэтому провели оптимизацию. В ходе оптимизации антенны увеличением радиуса раскрыва ДН сужается, что приводит еще к большему расхождению с заданными параметрами антенны. Стало ясно, что оптимизацию надо проводить уменьшением радиуса, а именно уменьшение радиуса антенны с 0,566 до 0,5 м
Для оптимизированной антенны получили следующие данные:
Ширина ДН на уровне половинной мощности 2ИН0,5, 2ИЕ0,5=55 мрад. УБЛ в E, Н плоскости
Список литературы
1. В.Л. Гончаров, А.Л. Патлах, А.Р. Склюев, 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;
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Определение поля излучения параболической антенны апертурным методом. Определение шумовой температуры фидерного тракта и КПД. Расчет геометрических и электродинамических характеристик облучателей. Распределение поля в апертуре зеркала, расчёт его профиля.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 24.08.2014Применение и устройство зеркальных параболических антенн, их преимущества и недостатки. Выбор геометрических размеров рупорного облучателя и зеркала. Построение диаграммы направленности антенны. Расчет фидерного тракта, вращающихся сочленений и узлов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 20.02.2013Геометрический расчет основных размеров облучателя. Определение геометрических размеров параболического зеркала. Расчет ДН облучателя, поля в апертуре и ДН зеркала, конструкции антенны. Выбор фидерного тракта. Расчет диаграммы направленности антенны.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 27.12.2011Исследование характеристик излучения параболических антенн. Учет потерь в параболической антенне. Защита от электрических и магнитных полей и электромагнитных излучений. Диаграмма направленности параболической антенны. Излучение поверхностных волн.
дипломная работа [288,3 K], добавлен 27.02.2013Область применения и описание строения зеркальных параболических антенн. Выбор типа зеркала, облучателя и тракта, канализирующего энергию к облучателю. Расчет фидерного тракта и его КПД, максимального КНД антенны и допусков на точность ее изготовления.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 27.10.2011Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя и параболоида. Определение геометрических и электродинамических характеристик поля. Построение пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны.
курсовая работа [366,6 K], добавлен 04.03.2011Определение шумовой температуры фидерного тракта. Угол раскрыва и фокусное расстояние зеркальной антенны. Диаграммы направленности облучателя, распределение поля в апертуре зеркала. Сопоставление расчетного и заданного уровня боковых лепестков.
курсовая работа [572,6 K], добавлен 13.02.2011Основные геометрические свойства параболоида вращения. Эффективность параболической антенны. Расчет диаграмм направленности с учетом тени, создаваемой облучателем. Расчет себестоимости зеркальной антенны. Электромагнитное и ионизирующее излучения.
дипломная работа [3,7 M], добавлен 09.10.2014Описание характеристик антенны, предназначенной для радиолокационного обнаружения. Выбор формы и расчет амплитудного распределения поля раскрыва зеркала. Определение параметров облучателя и фидерного тракта. Конструкция антенны и согласующего устройства.
курсовая работа [514,1 K], добавлен 23.12.2012Определение элементов конструкции антенны. Выбор геометрических размеров рупорной антенны. Определение типа возбуждающего устройства, расчет его размеров. Размеры раскрыва пирамидального рупора. Расчет диаграммы направленности и фидерного тракта антенны.
курсовая работа [811,9 K], добавлен 30.07.2016
