49560

Проект зеркальной приемной антенны

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Приближенный расчет размеров антенны. Расчет распределения амплитуды поля на излучающей поверхности антенны S1 и его аппроксимация Расчет электрический характеристик антенны и если потребуется уточнение размеров Зеркальные параболические антенны применяют в различных диапазонах волн: от оптического до коротковолнового особенно широко в сантиметровом и дециметровом диапазонах.

Русский

2014-01-03

788 KB

40 чел.

Содержание

  1.  Введение
  2.  Расчетная часть

2.1 Приближенный расчет размеров антенны.

2.1.1Выбор формы излучающей поверхности и профиля зеркала

2.1.2.Выбор типа облучателя

2.1.3.Выбор угла раскрыва зеркала

2.1.4Выбор желаемого распределения амплитуды поля на излучающей поверхности зеркала

2.1.5 Расчет диаметра зеркала и его фокусного расстояния

2.1.6 Расчет размеров излучающей поверхности облучателя

2.1.7 Расчет остальных размеров облучателя

2.2 Расчет распределения амплитуды поля на излучающей поверхности антенны S1 и его аппроксимация

2.2.1Расчет электрический характеристик антенны и если потребуется уточнение размеров

2.2.2 Расчет КПД

2.2.3 Расчет КБВ

3. Заключение

4. Приложение

5. Список литературы.

 

  1.  

Введение.

Зеркальные параболические антенны применяют в различных диапазонах волн: от оптического до коротковолнового, особенно широко в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Эти антенны отличаются конструктивной простотой, возможностью получения различных ДН, хорошими диапазонными свойствами, высоким КПД, малой шумовой температурой и т.д. Зеркальные антенны являются наиболее распространенным типом антенн в космической связи и радиоастрономии, и именно с помощью зеркальных антенн удается создавать гигантские антенные сооружения с эффективной поверхностью раскрыва, измеряемой тысячами квадратных метров.

Существуют различные типы зеркальных антенн: параболические зеркала (параболоид, усечённый параболоид и параболический цилиндр), сферические зеркала, плоские и угловые зеркала, зеркальные антенны специальной формы, двух- и многозеркальные антенны, зеркально-рупорные антенны.

Зеркальная параболическая антенна состоит из металлической поверхности, выполненной в виде параболоида вращения и небольшой слабонаправленной антенны – облучателя, установленной в фокусе параболоида и облучающей внутреннюю поверхность последнего. Параболическая поверхность образуется в результате вращения параболы с фокусом в точке F вокруг оси Z .

Параболическая зеркальная антенна представлена на рис. 1. Раскрыв, имеет форму круга диаметром 2R. Прямая, перпендикулярная плоскости раскрыва и проходящая через его центр, является осью зеркала, точка О пересечения оси с поверхностью зеркала – его вершиной. Расстояние f от вершины зеркала до фокуса F  называется фокусным расстоянием.

Рис.1

Если поместить точечный источник электромагнитных волн в фокусе параболоида, то все лучи после  отражение будут параллельны оси Z.

это означает, что отраженная волна будет плоской с фронтом, перпендикулярным оси Z параболоида. Длина пути от фокуса до параболы и затем до линии раскрыв, проходящей через края параболы , одинакова для любого угла ВИЛЫ.


2.1 Приближенный расчет размеров антенны.

2.1.1 Выбор формы излучающей поверхности и профиля зеркала.

Для получения максимального КНД и наиболее узкой ДН зеркальной антенны поле на поверхности ее раскрыва S1 должно быть синфазным и равноамплитудным. Синфазность поля  на поверхности S1обеспечивается выбором поверхности зеркала, а равенство амплитуд – выбором ширины ДН облучателя, Поэтому, что бы на поверхности раскрыва поле было синфазным, зеркало должно иметь круглую излучающую поверхность, а профиль зеркала иметь форму асимметричной вырезки из параболоида вращения.

2.1.2 Выбор типа облучателя.

Чаще всего используют три типа облучателей:

- рупорные

-вибраторные

-щелевые

Облучатель должен  удовлетворять требованиям: фазовая характеристика направленности должна иметь фазовый центр, совмещаемый с фокусом зеркала; поперечные размеры облучателя не должны быть чрезмерно большими, что бы избежать затенения раскрыва; электрическая прочность облучателя должна быть достаточной для пропускания полной рабочей мощности радиосистемы без опасности пробоя; ДН должно обеспечивать выбранное амплитудное распределение в раскрыве.

Согласно ТЗ нужно спроектировать передающую зеркальную антенну, поэтому выгоднее всего выбрать рупорный тип облучателя, так как  он имеет значительно более высокую продельную мощность излучения, чем остальные два типа, у него легко регулируется ширина диаграммы размерами рупора,  и он имеет большую полосу рабочих частот. На раду с этим у рупорного облучателя порядочный теневой эффект, но для передающей антенны это не так важно.

2.1.3 Выбор угла раскрыва зеркала.

Угол раскрыва зеркала однозеркальной антенны с рупорным типом облучателе обычно находится в пределах от 100 до 200 °.

Выберем угол раскрыва зеркала равным 120 °.

2.1.4  Выбор желаемого распределения амплитуды поля на излучающей поверхности зеркала.

Основные электрические характеристики антенны определяются ее размерами и распределением амплитуды поля на ее излучающей поверхности. Поэтому размеры антенны по заданным электрическим характеристикам невозможно определить, пока неизвестно распределение амплитуды поля на излучающей поверхности. Но распределение амплитуды поля нельзя рассчитать, пока неизвестны размеры антенны. Поэтому сначала определяют желаемое распределение амплитуды поля на излучающей поверхности проектируемой антенны, исходя из ее назначения.

Распределение поля на излучающей поверхности зеркальной антенны описывается следующей функцией:

где - уровень поля на крае излучающей поверхности, относительно центра,

х- расстояние от центра до точки наблюдения,

n- целое число, определяющее скорость уменьшения амплитуды поля от центра к краям излучающей поверхности, зависит от типа облучателя.

Параметр  для передающих антенн обычно задается равным 0,25+0,30. Для  получения максимального КПД антенны. Будем использовать =0,25, а параметр n=2 (лучше всего апроксимируется).

2.1.5  Расчет диаметра зеркала и его фокусного расстояния.

Диаметр зеркала (Аб) a выбирается по заданной ширине диаграммы направленности проектируемой антенны и выбранному желательному распределению амплитуды поля на излучающей поверхности.

где (,n=2) = 84,4°-115,8°+335,0°-616,7°+500,0°=68,705

длина волны лямда= =0.035м

Зная, что (,n=2)=68,705, =1,1, лямда =0,035м можем найти

Диаметр зеркала f вычисляется по формуле:

2.1.6  Расчет размеров излучающей поверхности облучателя.

При расчете надо учитывать то, размеры излучающей поверхности b необходимо выбрать такие, чтобы на краю зеркала был уровень поля Δ = 0.25 . Таким образом

Выразим и найдем  из этой формулы   

Рассчитаем для плоскости Е.

где Т - линейная функция размера излучающей поверхности облучателя в рассматриваемой плоскости (bi).

Найдем чему равно

Для того что бы найти Т2 построим график   и посмотрим его значение на уровне 0,444

Из графика найдем, что Т2=2,02, где

Теперь из формулы:

выразим отсюда b2 с учетом что  – волновое число

Рассчитаем для плоскости H.

Находим аналогично как для плоскости Е

Для того что бы найти Т1 построим график  и посмотрим его значение на уровне 0,444


Из графика видно Т1=2,76

Из формулы :

выразим b1

В итоге получается что бы достичь уровень поля на краю зеркала равным 0.25 , а в центре 1, надо что бы что бы размеры излучающей поверхности были равны: b1=3.6 см, а  b2=2,6 см .

2.1.7  Расчет остальных размеров облучателя.

То есть необходимо определить волновод питающий рупор, и гулы раствора рупора. Чем длиннее рупор, тем ниже фазовые искажения, фазовыми искажениями можно пренебречь, когда они меньше 90.

Из уравнения

выразим  отсюда h1

Это был расчет для Н плоскости, теперь произведем те же вычисления и для Е плоскости.

Из уравнения

Выражаем h2

Далее необходимо обеспечить условие стыкования рупора с волноводом. Это условие выполняется, если верно уравнение.

где  b01 и b02 – размеры …………………………………

В данном случае уравнение не выполняется, так как получается, что

4,856*10-3=3,211*10-3

Что бы уравнение выполнялось надо увеличить длину рупора в той части, которая меньше, следовательно, следует увеличивать h2 до величины равной 7,973*10-3.

Что касается углов раствора рупора (), то они должны быть меньше 40 и должно выполняться уравнение:

Если это уравнение не выполняется, то следует увеличивать  .

Произведем расчет угла раствора для Е плоскости.

При h2=1,4 см два вышесказанных условия не выполняются, они выполняются при h2=6,5 см и тогда

т.е.  следовательно  <40

Теперь рассчитаем углы для Нплоскости.

Для выполнения тех же выше оговоренных условия в Е плоскости h1 должно быть равно 8,9 см, в этом случае

Соответственно   <40, так же.

Так как мы изменили размеры рупора, то нам надо заново необходимо проверить выполняется  ли условие стыковки, если нет то  сделать так что бы оно обеспечивалось.

Подставляя заново полученные значения в уравнение стыковки получаем:

0,032=0,04

Стыковка будем выполнена  в том случае, если мы увеличим размеры h1 до 11,3 см.

2.1.8  Расчет распределения амплитуды поля на излучающей поверхности антенны S1 и его аппроксимация.

Рассчитаем и построим графики истинного распределения поляна S1 по формулам:

=2arctg* (x/2f)

Далее строим зависимости по аппроксимирующей формуле

где  n=1, 2, 3

Получается, что истинный график распределения поля имеет желаемую величину поля на краю S.  И видно, что при n=2 наблюдается наилучшая  аппроксимация реального распределения. А так как мы с самого начала предполагали, что n=2, то ничего перечитывать не надо.

2.2 Расчет электрический характеристик антенны и если потребуется уточнение размеров.

2.2.1 Расчет диаграммы направленности антенны.

Как известно, характеристика направленности излучения тока ( FE ), непрерывно распределенного по плоской поверхности (поверхности S) представляет собой произведение ХН множителя и ХН элемента Гюйгенса ЕЭГ) и имеет один основной лепесток и серию небольших боковых .  Диаграмма направленности антенны находится  с помощью формулы:

Где  In+1 – функция Бесселя порядка n+1

Вычислим вышеприведенную формулу, с учетом что  , а , получим

 

Мы рассчитывали ХН по мощности, поэтому ширину построенной ХН необходимо определять по уровню 0.7, а не как указанно в ТЗ по уровню 0.5, так как там ХН по напряженности. Построенная нами ХН имеет ширину равную 1,2 градуса. Это значение незначительно  отличается от заданного (1,1), поэтому можно обойтись без уточнения геометрических размеров антенны.

2.2.2 Расчет КПД

Коэффициент направленного действия антенны (D) в рассматриваемом приближении пропорционален относительной (отнесенной к λ2) площади излучающей поверхности, т.к. увеличение ее относительного диаметра влечет за собой уменьшение ширины ХН:

 

где  v-  коэффициентом использования площади антенны (КИП) мы будем считать, что она равен 81%, а S= b1b2.

S=0.036*0.026=9.36*10-4

Надо отметить, что существуют факторы, не рассмотренные нами, но влияющие на электрические характеристики антенны. К ним относятся технические неточности профиля зеркал, «размытость» фазового центра облучателя, , теневой эффект и некоторые другие. В рамках курсового проектирования мы не будем рассматривать влияние этих факторов. Отметим лишь, что они в некоторой степени (обычно небольшой) изменяют ХН и уменьшают КНД.

2.2.1 Расчет КБВ

Рассчитаем по формуле:

 

где Котр – коэффициент отражения, который рассчитывается по следующей формуле:

Полученный коэффициент бегущей волны удовлетворяет требованиям технического задания, даже чуть лучше.


Заключение.

В результате курсовой работы была спроектирована зеркальная приемная антенна, выполненная в виде параболоида вращения, и с рупорным типом облучателя, с рабочей частотой 8,5 ГГц, которая   удовлетворяет всем требованиям технического задания. Коэффициент бегущей волны антенны равен 95,5%. Так же был сделан эскиз антенны.


Список литературы

  1.  Сазонов Д. М., Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988. ст.371-385.
  2.  Антенны и устройства СВЧ / Под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1994.
  3.  Антенны и устройства СВЧ: Методические указания к лабораторным работам.  Часть 1/ РГРТА; сост.: А.Д. Касаткин, Б.В. Кагаленко, В.И. Елумеев; Под .ред. А.В. Рубцова. Рязань , 1998 ст. 17-24.
  4.  Жгутов Е.В., Рубцов А. В. Устройства СВЧ и антенны: учебное пособие по курсовому проектированию на ЭВМ. Часть 2. Рязань: РГРТА, 2004.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69749. Модуль Dos 21 KB
  Dos дозволяє обмінюватися інформацією з операційною системою. Системний час переривання стани параметрів оточення процедури обробки процесів робота з дисковим простором всім цим займається модуль Dos. Модуль Dos і WinDos Модулі Dos і WinDos реалізують численні процедури і функції...
69750. Параметри-змінні 25 KB
  Для того, щоб результат обчислень у тілі процедури зручно було використати в програмі, треба не фіксувати змінну, якій присвоюється одержане значення, а зробити її також параметром. Позначимо цю змінну, наприклад, res і введемо її в список формальних параметрів процедури.
69751. Принцип локалізації 38 KB
  Метод покрокової деталізації та апарат процедур якраз і дають змогу вести таку паралельну розробку програм. Створені часткові алгоритми подають у вигляді досить автономних частин програми - описів процедур, які потім достатньо вставити в розділ опису процедур і функцій програми.
69752. Параметри-процедури і параметри-функції 28.5 KB
  Як формальні параметри в мові Паскаль, крім параметрів-значень і параметрів-змінних, використовують також імена процедур і функцій. Параметри-процедури в списку формальних параметрів в авторській версії Паскаль зазначають після службового слова procedure.
69753. Перетворення типів 28.5 KB
  Однак Турбо Паскаль допускає в певних межах такі перетворення які треба задавати в явному вигляді. Є три способи задавати перетворення типів: неявні перетворення використання стандартних функцій і явні перетворення.
69754. Вставляння заданого елемента 27.5 KB
  Заданий елемент у рядок вставлятимемо за вказівкою на ланку, після якої він повинен бути. Нехай початковий динамічний рядок має вигляд, показаний на рис. 11.3. Після В треба вставити D. Цей випадок схематично зображено на рис...
69755. Шукання елемента списку 22.5 KB
  Алгоритм шукання елемента в списку аналогічний до шукання в динамічному рядку. Тому для списку теж складемо логічну функцію, побічним ефектом якої є інформація про першу за порядком ланку, яка містить шуканий елемент.
69756. Поняття про графи і дерева 39 KB
  Графом називають скінченну множину точок - вершин графа, для деяких пар якої налагоджені зв’язки - ребра графа. Розглянемо використання графів для зображення динамічних структур. Нехай є деяка структура, що складається з записів, пов’язаних між собою системою вказівок...
69757. Особливості використання динамічних змінних 26.5 KB
  3 доступ до динамічних змінних відбувається за допомогою змінних з вказівником. Множина операцій над змінними з вказівником визначена типом цих динамічних змінних. Зрозуміло що для реалізації цього алгоритму можна було б не використовувати вказівних змінних і динамічних структур...