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

52429. Розпад Радянського Союзу і проголошення незалежності України. (1985 -1991 рр.) 63 KB
  Тип проекту: міжпредметний дослідницько інформаційний творчий груповий. Стадії здійснення проекту: 1. На основі отриманих результатів попередньої підготовки учителі предметники формулюють пізнавальне завдання учасникам проекту виконання яких буде очікуваним результатом та кінцевим продуктом проекту. Повідомляє що проект буде нестандартним оскільки учасникам проекту доведеться проявити свої знання не лише з історії а й з інших наук навчальних предметів.
52430. Систематизація та узагальнення знань учнів з теми “Чотирикутник” 296 KB
  Узагальнити і систематизувати знання учнів про чотирикутники, їх властивості та ознаки. Відпрацьовувати практичні уміння та навички використовувати набуті знання, формувати вміння раціонально використовувати час. Розвивати логічне мислення, вміння аналізувати, робити висновки, геометричну уяву.
52431. Маркетинг у страхуванні 605 KB
  Особливе місце в діяльності страхової компанії відводять маркетингу - методу дослідження страхового ринку і впливу на нього з метою отримання компанією якомога більшого прибутку.
52432. Чотирикутники. Урок – проект 125.5 KB
  Геометрично точно естетично гарно – Сторони в нього паралельні попарно Рівні завжди і кути протилежні Паралелепіпеди від нього залежні. У паралелограма протилежні сторони та кути рівні. Кути паралелограма які прилягають до однієї сторони – є внутрішніми односторонніми їх сума дорівнює 180. Знайти його кути.
52434. Четырёхугольник и его элементы. Параллелограмм и его свойства 270.5 KB
  Найти градусную меру неизвестного угла. Найти градусную меру неизвестного угла. Найти неизвестный угол четырёхугольника если три его угла равны 60 100 50. Найти: АД и СД.
52436. We wish you a Merry Christmas and a Happy New Year! 374 KB
  Wht pretty little mitten Does nybody live here Ніхто не відповідає. Wht pretty little mitten Does nybody live here Mouse. Come nd live here with me. Wht pretty little mitten Does nybody live here Mouse.
52437. Marry Christmas 61.5 KB
  МАКІЇВКА 2011 Mrry Christms The wrmest Christms greetings Especilly for you To hope you hve hppy time Tht lsts ll New Yer through Christms is on the 25 th of December. Trditionlly Christms festivities lsted 12 dys. Ply snowblls nd dnce He hs crrot for his nose Round the Christms tree He hs funny ht.