|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Главная Исторические личности Военная кафедра Ботаника и сельское хозяйство Бухгалтерский учет и аудит Валютные отношения Ветеринария География Геодезия Геология Геополитика Государство и право Гражданское право и процесс Естествознанию Журналистика Зарубежная литература Зоология Инвестиции Информатика История техники Кибернетика Коммуникация и связь Косметология Кредитование Криминалистика Криминология Кулинария Культурология Логика Логистика Маркетинг Наука и техника Карта сайта |
Курсовая работа: Расчет зеркальной параболической антенны с облучателем в виде конического рупораКурсовая работа: Расчет зеркальной параболической антенны с облучателем в виде конического рупораНекоммерческое акционерное общество «АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ» Кафедра РТ Дисциплина АФУиРРВ Курсовая работа Специальность: 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации Выполнил: студент Джуматаев Е.Б. Алматы 2010 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 cosn/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 2Q0.5 2QН0.5 = 49 мрад; 2QЕ0.5 = 54 мрад; Уровень боковых лепестков (- 17) дБ; Тип облучателя: Полуволновой вибратор с дисковым контррефлектором; Средняя яркостная температура неба Тнср = 5 К; Температура шумов приемника Тпр = 1800 К; Длина фидерной линии lф=5 м. 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 трактаВ 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 Тф: , где α – коэффициент затухания линии передачи [дБ/м], lф – длина фидерной линии [м]. . Выразим КПД из формулы: Тф=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 раскрываЗеркальная 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 2Q0.5 – 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 2QН0.5 , 2QЕ0.5 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 dp = 2 × R0, причем, из полученных двух значений диаметра следует выбрать наибольшее. Следовательно, R0 = 3.673 м, dp = 2×R0 = 2×3.673 = 7.346 м. 1.3 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида cosn/2YВ зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении Ro/fo КНД наибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы направленности облучателя и от отношения Ro/fo. При уменьшении отношения Ro/fo 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 Ro/fo определяется по аппроксимированной нормированной ДН облучателя (аппроксимация функцией вида F(Q)=cosn/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 yо, 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:
Таблица 1 – Аргументы функции γ(Y0) и её значения
По графику (рисунок 1.4) можно определить: Y0 = 0.95 рад = 54.431°, тогда a1 = 1 – cos5(54.431°) = 0.933, g = 0.88, g` = 4.466 ×10-4, g = 0.0169. Фокусное расстояние f0 может быть найдено из следующего соотношения: зеркальная антенна облучатель зеркало м. В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R0/f0 КНД наибольший. Заданный интервал отношения R0/f0 = (1.0÷1.25). Расчетное отношение R0/f0 = 1.029, что удовлетворяет условию. 2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ 2.1 Диаграммы направленности облучателяПолуволновой симметричный вибратор с контррефлектором в виде диска Фазовый центр вибратора с контррефлектором в виде диска лежит между вибратором и контррефлектором несколько ближе к последнему. Обычно контррефлекторы выполняются в виде дисков диаметром 2d = (0.7 ... 0.8), при этом ДН имеет форму, близкую к диаграмме с осевой симметрией. Расстояние между вибратором и контррефлектором выбирается близким к четверти длины волны, а длина вибратора - к половине длины волны (2l /2). Диаграмма направленности такого облучателя в Е плоскости рассчитывается по формуле [11] Рисунок 5 – ДН облучателя в плоскости Е а в Н плоскости - по формуле Рисунок 6 – ДН облучателя в плоскости H Эти формулы справедливы для E и H менее . Таблица 2 – Расчет ДН конического рупора
2.1 Распределение поля в апертуре зеркалаРасчет распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам:
где F0(Y) – диаграмма направленности облучателя, Y0 – угол раскрыва, Y – текущий угол. Зависимость угла Y от текущего радиуса r: ,
3. РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ Инженерный расчёт пространственной диаграммы направленности ДН параболической антенны часто сводится к определению ДН идеальной круглой синфазной площадки с неравномерным распределением напряжённости возбуждающего поля. В данном случае распределение напряжённости возбуждающего поля в основном определяется ДН облучателя в соответствующей плоскости. Выражение для нормированной ДН зеркальной параболической антенны при этом имеет вид: , где J1, J2 – цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка. - Коэффициент, показывающий во сколько раз амплитуда возбуждающего поля, на краю раскрыва меньше амплитуды в центре раскрыва в соответствующей плоскости с учётом различий расстояний от облучателя до центра зеркала и до края зеркала; Екр, Емах – амплитуды поля на краю и в центре раскрыва. ДН зеркальной параболической антенны имеет следующий вид (рисунок 2.5). Приближенно коэффициент направленного действия зеркальной антенны определяется выражением: , г де S – площадь раскрыва; υрез – результирующий коэффициент использования поверхности
Рисунок 8 – Пространственная ДН параболической антенны Коэффициент использования поверхности: Эффективная площадь антенны: м2.Коэффициент направленного действия: Коэффициент усиления антенны: 4. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ АНТЕННЫ 4.1 Расчет профиля зеркалаЗеркальные антенны имеют наибольший КНД при синфазном возбуждении раскрыва (плоский фазовый фронт волны). Параболический профиль зеркала обеспечивает одинаковые длины электрических путей от облучателя, установленного в фокусе параболоида вращения, до каждой точки плоскости раскрыва (свойство параболы). В полярной системе координат парабола описывается уравнением , Где r, Y - полярные координаты; f = 3.572 м - фокусное расстояние; Y изменяется от 0 до Y0=0.95 рад. Рисунок 9 – Плоский фазовый фронт волныТаблица 3 – Расчет профиля зеркала
4.2 Выбор конструкции зеркалаС целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность зеркала часто выполняется перфорированной, или сетчатой
Рисунок 10 – Конструкция зеркала При такой конструкции зеркала часть энергии просачивается сквозь него, образую нежелательное излучение. Допустимым является значение коэффициента прохождения в обратном направлении. , где Рпад, Робр – мощность излучения падающего на зеркало и в обратном направлении, соответственно. Двухлинейная сетка работает удовлетворительно при расстоянии между проводниками меньше 0.1l и диаметре проводов не менее 0.01l. dп = 0.1 × 0.3 = 3 см; d = 0.01 × 0.3 = 3 мм. 4.3 Определение допусков на точность изготовленияНеточность изготовления зеркала вызывает несинфазность поля в раскрыве. Допустимыми являются фазовые искажения поля в раскрыве зеркала не более ± p/4. При этом уменьшение коэффициента усиления антенны не превышает нескольких процентов. Пусть поверхность параболоида имеет некоторые неровности (выступы и углубления). Наибольшее отклонение от идеальной поверхности в направлении r обозначим через Δr. Рисунок 11 – Допуски на точность изготовления зеркала Путь луча, отраженного от неровности в месте наибольшего отклонения от r изменяется при этом на величину Dr + Dr × cosY, а соответствующий сдвиг фаз составит величину Dj = b×Dr×(1+cosY), и он не должен превышать величину p/4, отсюда получаем Анализ полученного выражения для Dr показывает, что вблизи центра параболоида (Y = 0) необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной поверхности не должно превосходить величины l/16 (т.е. 0.0023) у кромки параболоида требования к точности получаются наименьшими. Точность установки облучателя также определяется нормами на наибольшие допустимые фазовые искажения поля в раскрыве. Пусть фазовый облучатель смещен на Dх (рисунок 4.4). Тогда длины путей лучей от фазового центра до раскрыва увеличиваются. Рисунок 12 — Допуски на точность установки облучателя Наибольшее удлинение пути происходит у лучей, падающих на вершину зеркала. Это удлинение путей при малых смещениях можно приблизительно определить как Dх×cosY. Тогда изменение фазы составит величину , где Dj0, Djа – фазовые искажения, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать p/4, отсюда получаем: Таким образом, с увеличением угла раскрыва точность и установка облучателя в фокусе повышается. 5. СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО И ЗАДАННОГО УРОВНЯ БОКОВЫХ ЛЕПЕСТКОВ, ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СООТВЕТСТВИЯ ЭТИХ УРОВНЕЙ По графику, изображенному на рисунке 8, найдем ширину ДН на уровне половинной мощности: 2QH0.5 = 44 мрад, что меньше заданного значения 2QH0.5 = 49 мрад на 10,2% и 2QЕ0.5=48 меньше значения 2QЕ0.5 = 54 мрад на 11,1%. Для увеличения ширины ДН необходимо уменьшить радиус параболоида. Пусть радиус параболоида будет равным м. Тогда получаем график ДН: Рисунок 13 – ДН антенны По графику определим ширину 2QH0.5 = 49 мрад, равно значению 2QH0.5 = 49 мрад и 2QЕ0.5 = 54 равное заданному значением 2QЕ0.5 = 54 мрад. Достигнут компромисс. Уровень УБЛ возьму по максимальному уровню боковых лепестков. Найдем УБЛ: УБЛ = 0.11 дБ Допустимое значение УБЛ = -17 дБ, значит вычисленное значение допустимо, потому что уровень боковых лепестков ослабляется дополнительно на 1.416 чем задано по условию, т.о. придавая ей большую узконаправленность. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной курсовой работе была спроектирована зеркальная параболическая антенна с облучателем в виде конического рупора. При расчете геометрических и электродинамических характеристик облучателя и параболоида исходные данные немного отклоняются от вычисленных значений: отклонение ширины ДН на уровне половинной мощности в плоскости E составляет 18,5%, а в плоскости H – 10,2%. Причиной этому явилась идеализация устройства (использовалась идеальная модель), использование аппроксимации при вычислениях. В реальных системах необходимо учитывать воздействие многих посторонних факторов, влияние которых может существенно повлиять на результат расчётов. Однако внесение некоторых преобразований (уменьшение радиуса параболоида до м) позволяет прийти к компромиссу. При этом значении отклонения ширины ДН на уровне половинной мощности в плоскостях H и E отсутствуют. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Гончаров В.Л. Методические указания и задание к выполнению курсовой работе. Алматы: АИЭС – 2007 2. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток/ Под ред. проф. Д.И. Воскресенского. – М.: Советское радио, 1994. 3. Кочержевский Г.М., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. - М.: Радио и связь, 1989. 4. Регламент радиосвязи. Т.1. – М.: Радио и связь, 1995. 5. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. – М.: Высшая школа, 1988. 6. Спутниковая связь и вещание/ Под ред. Кантора Л.А. – М.: Радио и связь, 1987. 7. Хмель В.Ф., Чаплин А.Ф., Шумлянский И.И. Антенны и устройства СВЧ. – Киев: Вища школа, 1990. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|