Малошумящие однозеркальные параболические антенны

РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН

АЛМАТИТНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ И СВЯЗИ

Кафедра Радиотехники

Курсовая работа

на тему: “Малошумящие однозеркальные параболические антенны”

Алматы 2008

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Рабочая частота f, ГГц

Ширина ДН на уровне половины мощности 2Q_0,5^Н, мрад

Ширина ДН на уровне половины мощности 2Q_0,5^Е, мрад …

Уровень боковых лепестков, дБ

Средняя яркостная температура неба Т_НСР,^°К

Температура шумов приёмника Т_пр,^°К

Длина фидерной линии l_ф, м

Тип облучателя

Открытый конец прямоугольного волновода

СОДЕРЖАНИЕ

Техническое задание

Содержание

Введение

1. Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя и параболоида:

a)               выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта;

b)               определение диаметра раскрыва;

c)               аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида

cos^n/2Y;

d)               определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны.

2. Расчет геометрических и электродинамических характеристик поля:

a)               диаграммы направленности облучателя;

b)               распределение поля в апертуре зеркала.

3. Расчет пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны.

4. Конструктивный расчет антенны:

a)               расчет профиля зеркала;

b)               выбор конструкции зеркала;

c)               определение допусков на точность изготовления

Выводы

Список литературы

Приложение А

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

a)         выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта

В качестве фидера будем использовать прямоугольный волновод для частоты f = 5 ГГц ([1], приложение А):

a x b = 4.0 x 2.0 (см);

a = 0.0431 (дБ/м).

Шумовая температура фидерного тракта Т_афу определяется по формуле:

,

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

l_ф – длина фидерной линии [м].

КПД определяется по формуле:

b)         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:

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^Е_0.5, 2Q^Н_0.5 ширина ДН соответственно в плоскостях Е и Н.

Для Е и Н плоскостей соответственно найдем радиус раскрыва:

Т. к. в курсовой имеются данные 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 = 0,476(м).

d_p= 2 × R₀ = 2 × 0,476 = 0,952 (м)

c)         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). Для облучателя в виде пирамидального рупора n = 6 ([1], таблица 4.1).

d)         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 = Т_пр + Т₀ × (1 - η) + η × Т_нср = 1500 × 290 × (1 – 0.871) + 0.871 × 5 = 1542 К

Т_о = 290 К;

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

u = 0.025;

S = π × R² = 3.14 × 0,476 = 0,712 м², площадь апертуры зеркала;

n = 6 – определяется типом облучателя;

a₁ = 1 - cosⁿ⁺¹Y₀;

σ_а/2R = 0.4 × 10^-4 – точность профиля зеркала.

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

График 1 – График функции γ`(Y₀)

Y₀ = 0.82 (рад) = 46,983° Þ a₁ = 0,931, g = 0,877, g` = 5,216×10 ^–4.

Фокусное расстояние f может быть найдено из следующего соотношения:

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 = (0.8÷1.0). Расчетное отношение R₀/f₀ = 0.89, что удовлетворяет условию.

Определим шумовую температуру антенной системы: