Курсовая работа

Устройства СВЧ  и антенны.

Расчет зеркальной параболической антенны с облучателем  в виде конического рупора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Работу  выполнил: 
 
 
 
 
 
 

 

Содержание 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЛУЧАТЕЛЯ И ПАРАБОЛОИДА

1.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта

1.2 Определение диаметра раскрыва

1.3 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида cos^n/2Y

1.4 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны

2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ

2.1 Диаграммы направленности облучателя

2.1 Распределение поля в апертуре зеркала

3. РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ

4 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ АНТЕННЫ

4.1 Расчет профиля зеркала

4.2 Выбор конструкции зеркала

4.3 Определение допусков на точность изготовления

5. СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО И ЗАДАННОГО УРОВНЯ БОКОВЫХ ЛЕПЕСТКОВ, ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СООТВЕТСТВИЯ ЭТИХ УРОВНЕЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

     ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

     Рассчитать  малошумящую параболическую антенну. Исходные данные:

     Частота сигнала генератора, подводимого к антенне, f = 1,0 ГГц;

     Ширина  главного лепестка ДН на уровне половинной мощности 2Q_0.5

     2Q^Н_0.5 = 49 мрад;

     2Q^Е_0.5 = 54 мрад;

     Уровень боковых лепестков (- 17) дБ;

     Тип облучателя: Полуволновой вибратор с дисковым контррефлектором;

     Средняя яркостная температура неба Т_нср = 5 К;

     Температура шумов приемника Т_пр = 1800 К;

     Длина фидерной линии l_ф=5 м. 

 

      ВВЕДЕНИЕ 

     Параболические  антенны в последнее время  находят все более широкое  применение в космических и радиорелейных  линиях связи. В 1888 году известный немецкий физик Г. Герц в своих опытах по СВЧ оптике впервые применил в качестве фокусирующего устройства параболический цилиндр. Интерес к зеркальным антеннам не ослабевает и в наши дни в связи со стремительным развитием космических радиотехнических систем и комплексов.

     Достаточная простота и легкость конструкции, возможность  формирования самых разнообразных  диаграмм направленности, высокий КПД, малая шумовая температура –  вот основные достоинства, зеркальных антенн, обуславливающих их широкое применение в современных радиосистемах.

     Целью данной курсовой является освоение методики проектирования зеркальных параболических антенн: определение их основных электродинамических  параметров и конструктивный расчет.

     В курсовой работе определение поля излучения параболической антенны производится апертурным методом, который широко применяем при проектировании зеркальных антенн.

 

      1 РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЛУЧАТЕЛЯ И ПАРАБОЛОИДА

     1.1 Выбор фидера. Определение  шумовой температуры фидерного тракта

 

     В качестве фидера будет использован прямоугольный волновод. Его параметры для частоты f = 1.0 ГГц даны в [1], приложение А: 

       см

     a = 0.00405 дБ/м 

     Шумовая температура фидерного тракта Т_ф: 

      , 

     где α – коэффициент затухания линии передачи [дБ/м],

     l_ф – длина фидерной линии [м]. 

      . 

     Выразим КПД из формулы: 

     Т_ф=T₀·(1-КПД),

     где Т₀=290 К. 

     Тогда КПД равен:

 

      . 

     Шумовая температура антенной системы: 

     

     a₁ = 1 - cosⁿ⁺¹Y₀ = 0.929 (см. пункт 1.4)

       К;

      К.

     1.2 Определение диаметра  раскрыва

 

     Зеркальная  антенна – направленная антенна, содержащая первичный излучатель и  отражатель антенны в виде металлической  поверхности. Параболическая зеркальная антенна представлена на рисунке 1. 

     

     Рисунок 1 – Зеркальная параболическая антенна 

     В случае равномерно возбуждённого раскрыва параболического зеркала ширина ДН приближённо определяется: 

      ,

     где 2Q_0.5 – ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности, рад.;

     l - длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;

     R₀ – радиус раскрыва зеркала (рисунок 1).

     Длина волны определяется по формуле: 

       cм. 

     Неравномерное возбуждение раскрыва зеркала приводит к некоторому расширению главного лепестка ДН, так как уменьшается эффективная  площадь раскрыва. Чаще всего диаграммы  направленности зеркальных антенн не обладают осевой симметрией, т.е. ширина главного лепестка в плоскостях Е и Н различна. В большинстве практических случаев это влечёт за собой следующее изменение: 

       

     где 2Q^Н_0.5 , 2Q^Е_0.5 ширина ДН соответственно в плоскостях H и E.

     Для Е и Н плоскостей соответственно найдем радиусы раскрыва: 

       м;

       м. 

 

      Исходя из исходных данных о ширине диаграммы направленности в обеих плоскостях, можно определить диаметр раскрыва d_p = 2 × R₀, причем, из полученных двух значений диаметра следует выбрать наибольшее. Следовательно,  

     R₀ = 3.673 м,

     d_p = 2×R₀ = 2×3.673 = 7.346 м.

     1.3 Аппроксимация аналитического  вида ДН облучателя  функцией вида  cos^n/2Y

 

     В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R_o/f_o КНД наибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы направленности облучателя и от отношения R_o/f_o. При уменьшении отношения R_o/f_o от оптимального КНД уменьшается, так как 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_o/f_o определяется по аппроксимированной нормированной ДН облучателя (аппроксимация функцией вида F(Q)=cos^n/2(Q), где n определяет степень вытянутости ДН облучателя). 

     

     Рисунок 2 - Варианты размещения облучателя

 

      Для вибратора с контррефлектором в виде диска: 

     n=4; R₀/f₀=1.0…1.25; ν=0.82

       

     Аппроксимированная нормированная ДН представлена на рисунке 3. 

     

     Рисунок 3 – Апроксимированная нормированная ДН облучателя

     1.4 Определение угла  раскрыва и фокусного  расстояния зеркальной  антенны.

 

     С точки зрения оптимизации геометрии  антенны по максимальному отношению  сигнал/шум необходимо произвести следующий расчет.

     Чувствительность g определяется по формуле:

      , 

     где первые четыре коэффициента не зависят от y_о, а g^' вычисляется: 

      ,  

     где Т1  

     u = (0.02 – 0.03) – коэффициент, учитывающий «переливание» части мощности облучателя через края зеркала:

     u = 0.025;

     S – площадь апертуры зеркала  

     S= π×R² = 3.142×3.673² = 42.394 м²; 

     n = 4 – определяется типом облучателя; 

     a₁ = 1 - cosⁿ⁺¹Y₀;

     

     

 

      Построим график функции γ(Y₀), по максимуму которого определим угол раскрыва зеркала: 

       

     

      Рисунок 4 – График функции γ(Y₀) 

     Таблица 1 – Аргументы функции γ(Y₀) и её значения