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

35 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

79241. Идеи классической политической экономии в учениях Т. Мальтуса, Ж.-Б. Сэя., Дж. Ст. Милля 192.5 KB
  Это обстоятельство а также внимание оказанное обществом моему Опыту обязывали меня произвести некоторые исторические исследования с целью изучить влияние закона народонаселения на прошедшее и настоящее состояния общества. Нищета и бедствия производимые чрезмерно быстрым размножением населения бы ли уже замечены и жестокие меры против этих бедствий были указываемы со времен Платона и Аристотеля. Не говоря уже о том что сравнение между возрастанием населения и средств потребления не было никем изложено с достаточной силой и ясностью...
79242. Экономическое учение западно-европейских социалистов и демократическая мысль России 1-й половины XIX века 303.5 KB
  Лучшим средством привлечь их на свою сторону будет возможно полное разъяснение этого вопроса; вот цель какую я себе ставлю обращаясь к различным группам человечества разделяемого мною на три класса: первый это тот к которому имеем честь принадлежать мы с вами; он шествует под знаменем прогресса человеческого духа и состоит из ученых художников и всех людей разделяющих либеральные идеи. Это такое брожение когда все отношения между членами нации становятся непрочными и величайший из всех бичей анархия свободно производит свои...
79243. Марксистская политическая экономия. Структура и логика «Капитала» К. Маркса 313 KB
  Но товарная форма продукта труда или форма стоимости товара есть форма экономической клеточки буржуазного общества. Этот его характер не зависит от того много или мало труда стоит человеку присвоение его потребительных свойств. Как потребительная стоимость он не заключает в себе ничего загадочного будем ли мы его рассматривать с той точки зрения что он своими свойствами удовлетворяет человеческие потребности или с той точки зрения что он приобретает эти свойства как продукт человеческого труда. Потому что вопервых как бы...
79244. Основные идеи русского марксизма. Экономическая мысль России второй половины XIX – начала XX веков. Экономические взгляды народников, Г. В. Плеханова (1856-1918 гг.), В. И. Ленина (1870-1924 гг.) 323 KB
  Для социальной науки предмет которой не личность а коллектив весь капитализм с его бесчисленными противоречиями непрерывной борьбой неустойчивыми равновесиями движением от одних кризисов и революций к другим есть не более как переходная фаза между двумя органическими общественными системами длительная революция методов производства и форм сотрудничества. Но и они должны переходить ко все более глубоким пластам и при нынешней скорости расширения производства угольное будущее этих стран также становится все более темным. Эволюция...
79245. Организация планирования на предприятии. Планирование как инструмент принятия управленческих решений 21.2 KB
  Организация планирования на предприятии. Сущность планирования в условиях рыночной экономики заключается в научном обосновании на предприятиях предстоящих экономических целей их развития и форм хозяйственной деятельности выбора наилучших способов их осуществления на основе наиболее полного выявления требуемых рынком видов объемов и сроков выпуска товаров выполнения работ и оказания услуг и установления таких показателей их производства распределения и потребления которые при полном использовании ограниченных производственных ресурсов...
79246. Стратегическое планирование развития предприятия, цели и особенности стратегического планирования 13.45 KB
  Цель функционирования компании фирмы предприятия это четко и однозначно сформулированные намерения представленные в виде перечня подлежащих достижению главных показателей имеющих количественную оценку. Цели представляют собой ориентиры развития фирмы а стратегия это план их достижения. Цель можно определить и как конечные экономические и финансовые результаты деятельности фирмы которые она планирует получить к заранее установленному сроку. Цель возникает как результирующая компонента потребностей покупателей определяемых миссией...
79247. Особенности бизнес планирования 18.56 KB
  Бюджетное управление это технология управления компанией комплекс организационных мер операций и приемов направленных на разработку и внедрение системы бюджетного управления Бюджет предприятия план составленный на следующий период в натуральном и денежном выражении; определяющий потребность предприятия в ресурсах необходимых для получения запланированных доходов. Бюджетная структура система функциональных бюджетов предприятия по которой происходят последовательное планирование и учет результатов хозяйственной деятельности всего...
79249. Расчет баланса рабочего времени оборудования 35.16 KB
  Годовое время работы агрегата или так называемый годовой фонд рабочего времени есть время в течении которого может выпускаться продукция. Оно рассчитывается как разница между годовым календарным временем и временем на остановки агрегата и в ряде производств называется эффективным годовым фондом времени. Фактическое время работы ФВ определяется по формуле: ФВ = [KB ВД ПД ТР КР] ЧС ДС 100 ТП 100 Где KB число календарных суток; KB = 365 суток; ВД ПД число выходных и праздничных дней; при непрерывном графике работы...