Малошумящие однозеркальные параболические антенны

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра «Радиотехника»

Курсовая работа

По курсу

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН.

«МАЛОШУМЯЩИЕ ОДНОЗЕРКАЛЬНЫЕ ПАРАБОЛИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ»

Выполнила:

студентка группы РРТу – 98 Саркеева Г. Ч.

Шифр 988705

Проверил:

доцент кафедры РТ Гончаров В.Л.

АЛМАТЫ 2000

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ:

Частота сигнала генератора, подводимого к антенне f, ГГц 10.0

Ширина главного лепестка ДН на уровне половинной

Мощности 2 ,мрад

2 57

2 62

Уровень боковых лепестков, дБ -19

Тип облучателя Рупор конический

Длина фидерной линии L , м 11

ВВЕДЕНИЕ.

Данная курсовая работа посвящена расчёту зеркальных параболических антенн, которые 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 и т.д.

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.

По заданию, я рассчитывала облучатель типа рупора конического. Такой рупор на конце волновода позволяет получить пространственную ДН, сравнительно симметричную относительно оси зеркала. Такой облучатель имеет более узкую ДН, чем волноводный, и поэтому может применяться в случаях более длиннофокусных параболоидов. Рупорный облучатель имеет значительно меньшее излучение в обратном направлении, чем волноводный. Применение рупорного облучателя с фазирующей секцией позволяет с помощью зеркала получить вращающуюся поляризацию.

В данном курсовом проекте определение поля излучения параболической антенны производится апертурным методом, широко применяемым при проектировании зеркальных антенн. Технические параметры, заданные для проектирования антенны, приводятся в соответствии с Регламентом радиосвязи и отвечают практическим требованиям к современным системам радиосвязи. Спроектированная, в соответствии с заданными параметрами антенна может применяться в земных станциях магистральной спутниковой связи (Орбита-2, Орбита-2М, Электроника 4-60, Электроника 4-90 и т. д.), малых станциях для телефонии и передачи данных (VSАТ), системах спутникового телевизионного вещания (Eutelsat, Галс,Теlecom IIA, B, Tele-X, TVSat-2 и т.д.)

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВПАРАБОЛИЧЕСКОГО ЗЕРКАЛА

1.1. Определение диаметра раскрыва антенны.

Зеркальная антенна – направленная антенна, содержащая первичный излучатель и отражатель антенны в виде металлической поверхности (зеркало).Параболическая зеркальная антенна представлена на рис. 1. В случае равномерно возбужденного раскрыва параболического зеркала ширина диаграммы направленности приближенно определяется:

2 ≈1.02 , (1)

где 2 - ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности;

 - длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;

R – радиус раскрыва зеркала (рис. 1)

Рис.1. Зеркальная параболическая антенна.

Однако, добиться равномерного возбуждения раскрыва практически не удается. Известно, что коэффициент направленного действия 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 диаграммы направленности, 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 Е и Н различна. В большинстве практических случаев это влечет за собой следующее изменение выражения (1):

2 ≈1.2 (2)

2 ≈1.3 (3)

где 2 ,2 - ширина диаграммы направленности соответственно Н и Е плоскостях.

Тогда R для Н плоскости:

(м)

R для Е плоскости:

(м)

В связи с тем, что в задании на курсовую работу имеются данные о ширине диаграммы направленности в обеих плоскостях, из выражений (2) и (3) определяем диаметр раскрыва d = 2R , при, чем, из полученных двух значений диаметра выбираем наибольшее, т.е.:

d =2*0.315(м), следовательно: =0.63(м)

1.2 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны.

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить, то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R /f КНД наибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы направленности облучателя и отношения R /f . При уменьшении отношения R /f от оптимального КНД уменьшается, т.к. 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 R /f определяется по апроксимированной нормированной диаграмме направленности облучателя (апроксимация функцией вида F( )= cos ( ), где n определяет степень вытянутости диаграммы направленности облучателя).Для рупорных облучателей значения приводим в таблице ниже:

N R /f

ν

6 0.8…1 0.81

F( )= cos ( )=cos

Расчет апроксимации диаграммы направленности облучателя приведен в приложении.

В зависимости от значения n определяем оптимальную величину отношения R /f . Более точное значение R /f определяем из графиков зависимости КИП ν параболоида от угла раскрыва ψ , при различных n.

Из велличины отношения R /f с учетом расчетного R определяем значение f :

f = R /(0.8…1.0)=0.315/0.9=0.35 (м)

Угол ψ может быть рассчитан на основе следующего соотношения:

ψ = 2 arctg = 2arctg =2 arctg(0.45)=48

2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРРИСТИК ОБЛУЧАТЕЛЕЙ.

Расчет сводится к определению геометрических размеров облучателя, при которых уменьшение амплитуды поля на краю раскрыва зеркала происходит до одной трети амплитуды поля в центре раскрыва и диаграммы направленности облучателя.

Диаграмму направленности конического рупора рис(2) определяем как для идеальной круглой излучающей поверхности радиусом a:

F( )= ,

где J ( sin ) – цилиндрическая функция Бесселя первого рода,

= - волновое число.

Размеры оптимального конического рупора связанны между собой

l = .

Радиус апертуры рупора выбирается из соображений обеспечения на краю раскрыва спадания амплитуды поля до 1/3.

Рис. 2. Апертурный облучатель в виде конического рупора.

Расчет диаграммы направленности облучателя приведен в приложении.

3. РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ.

Инженерный расчет пространственной диаграммы направленности параболической антенны сводится к определению диаграммы направленности идеальной круглой синфазной площадки с неравномерным распределением напряженности возбуждающего поля. В данном случае распределение напряженности возбуждающего поля в основном определяется диаграммой направленности облучателя в соответствующей плоскости. Выражение для нормированной диаграммы направленности зеркальной параболической антенны при этом имеет вид:

,

где -цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка;

- коэффициент,