Расчет антенны для земной станции спутниковой системы связи (ЗССС)

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

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:

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

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

3. 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:

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

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

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

4. 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

2.1 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.



Рисунок 2.1 - Зависимость эксцентриситета от углов (Ш₀) и (ц₂)

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

2.5 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

Поле излучения,

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

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

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

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

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.

Размещено на Allbest.ru