Расчет зеркальной антенны с облучателем в виде рупора пирамидального

УЧРЕЖДЕНИЕ УНИВЕРСИТЕТ  «ТУРАН»

ФАКУЛЬТЕТ «АКАДЕМИЯ  КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ»

КАФЕДРА «РАДИОТЕХНИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ»

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

По дисциплине «Антенно-фидерные устройства и распространение

 радиоволн»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: 

студент группы РЭТ-11-1У

Чугунов Ю.Д.

Проверила:

доцент кафедры  РЭТ

Сапарова А.Р.

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы, 2013 г.

Реферат

 

Пояснительная записка содержит стр. 16., рисунков 11, таблицы 2.

В курсовом проекте была рассчитана зеркальная антенна с облучателем в виде рупора пирамидального.

Курсовой проект выполнен с использованием текстового редактора Microsoft World 2000 для Windows 2000 и MathCAD 11а Enterprise.

 

 

Введение

 

Широкое распространение в диапазоне  СВЧ получили остронаправленные  широкодиапазонные антенные устройства, аналогичные оптическим рефлекторам  или прожекторам. С помощью них  оказалось возможным радиорелейная  связь, межконтинентальные телевизионные передачи (спутниковая связь), связь с космическими объектами, радиоастрономия, радиолокация и некоторые другие практические приложения радиотехники СВЧ.

Зеркальные антенны  характерны тем, что их геометрические размеры намного превосходят длину волны. Они подобны оптическим приборам и электромагнитные процессы в таких антеннах приближенно могут быть описаны с помощь законов геометрической оптики. Поэтому внешний вид некоторых антенн напоминают оптические линзы и зеркала, которые в радиотехнике преобразуют сферические и цилиндрические волны в плоские.

Зеркальные антенны  составлены из облучателя и зеркальной поверхности. В качестве облучателя используется любая слабонаправленная  антенна, в данном случае открытый конец  прямоугольного волновода.

 

 

2. Расчет параболической антенны.

2.1. Расчет облучателя.

 

Так как облучатель является важнейшим  элементов зеркальной антенны, в  значительной степени определяющим ее параметры, то расчет обычно начинается с выбора облучателя. Основными критериями для его выбора являются рабочая длина волны, требования к диапазонности, тип фидера, величина подводимой мощности, близкий к сферическому фронт волны в пределах угла раскрыва зеркала (с допуском порядка ±λ/16), диаграмма направленности с концентрацией энергии в пределах одной полусферы, хорошее согласование с фидером, малое затенение и ряд специфических требований, обусловленных особенностями радиотехнического устройства, где используется антенна.

Облучатели в виде открытого  конца волновода или рупора удобно использовать при больших мощностях излучения. Они обладают также хорошими диапазонными свойствами. Однако открытый конец прямоугольного волновода обладает разными диаграммами направленности в плоскостях E и Н. От этого недостатка свободны рупорные облучатели, где имеется возможность почти независимой регулировки диаграмм направленности в плоскостях Е и Н путем подбора размеров раскрыва рупора и , таким образом получения диаграммы в виде тела вращения.

Так как для большинства облучателей антенна получается оптимальной, когда уровень облучения края зеркала на 10 дБ ниже уровня его центра (0,316 по напряженности поля), то диаграмма направленности облучателя должна удовлетворять соотношению

где – угол раскрыва параболоида.

Как известно, нормированное распределение  поля на раскрыве зеркала связано  с диаграммой направленности облучателя м параметрами парабалоида соотношением

где f – фокусное расстояние, – расстояние от фокуса до точки на поверхности зеркала.

Диаграмму направленности небольшого рупора можно рассчитать при помощи следующих приближенных соотношений

 

 

 

 

 

 

 

 

где – нормированные диаграммы направленности по напряженности поля в плоскостях Е и Н соответственно;

 – угол, отсчитываемый от  направления максимума диаграммы  направленности;

 – размер раскрыва рупора  в плоскости Н;

 – размер раскрыва рупора  в плоскости E;

, где 

2.1.1. Определение угла раскрыва параболоида

После выбора излучателя следует найти соотношение между  радиусом параболоида 

 определим из следующего  соотношения  и фокусным расстоянием (рис. 2.1) при помощи выражения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.1

Чтобы определить угол раскрыва выбирается в пределах , выберем его равным 0.5, тогда

 

С помощью выражений (2.1.2),(2.1.3) получим следующие уравнения

 

 

 

 

Решим уравнения (2.1.5) с помощью  графиков функций  (рис. 2.2)

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.2 Графики функций

откуда 

2.2 Расчет параболоида.

2.2.1 Определение диаметра параболоида  2R_п и фокусного расстояния f

 

Из приближенной формулы  для КНД найдем радиус параболоида R_п

 (2.2.1)

где - площадь раскрывa парабалоида.

 (2.2.2)

Следовательно,

Фокусное расстояние можно определить пользуясь формулой

 

 

 

Диаметр парабалоида  связан с заданной длиной волны и требуемым углом раствора диаграммы направленности на уровне половинной мощности (2q_0.5) приближенной зависимостью

 

 (2.2.4)

Тогда

2.3 Расчет диаграммы направленности.

 

Используя формулы (2.1.3) построим нормированную диаграмму направленности облучателя.

Рис. 2.3.1. Диаграмма направленности облучателя в полярной системе координат

Найдем распределение поля в раскрыве параболоида, для этого воспользуемся следующей формулой

где .

Полученные данные занесем  в таблицу 2.3.1.

 

Таблица 2.3.1

j	sin(j)	cos(j)						F(R)	F1(R)	F2(R)
0 5,3 10,6 15,9 21,2 26,5 31,8 37,1 42,4 47,7	0 0.092 0.184 0.274 0.362 0.446 0.527 0.603 0.674 0.74 0.799	1 0.996 0.983 0.962 0.932 0.895 0.85 0.798 0.738 0.673 0.602	0.54 0.541 0.545 0.551 0.559 0.57 0.584 0.601 0.621 0.646 0.674	1 0.998 0.991 0.981 0.966 0.947 0.925 0.899 0.869 0.837 0.801	1 0.99 0.961 0.914 0.853 0.782 0.705 0.625 0.547 0.473 0.405	0 0.05 0.1 0.151 0.202 0.254 0.308 0.362 0.419 0.477 0.538	0 0.093 0.186 0.279 0.374 0.471 0.57 0.671 0.776 0.884 0.997	1 0.988 0.953 0.897 0.825 0.741 0.652 0.562 0.475 0.396 0.325	1 0.994 0.977 0.947 0.905 0.85 0.781 0.696 0.594 0.472 0.329	1 0.988 0.954 0.899 0.824 0.734 0.633 0.529 0.432 0.357 0.325

 

Рис. 2.3.2 Распределение  поля на раскрыве рупора

По найденному распределению  поля на раскрыве вычисляется диаграмма  направленности зеркальной антенны . Картина распределения поля на раскрыве зеркала может быть аппроксимирована при помощи соотношения:

       (2.3.2)

где   - равномерная часть распределения поля;

- неравномерная часть распределения поля;

n=1,2,3

Полученные значения (при n=1 и n=2) внесены в таблицу 2.3.1.

Как видно из таблицы 2.3.1, более точная аппроксимация распределения поля на раскрыве зеркала при n=2.

Выражение для нормированной  диаграммы направленности антенны будет иметь вид:

 (2.3.3)

где

n – показатель степени выражения, аппроксимирующего поле на раскрыве. (n=2)

Результаты расчета  диаграммы направленности представим в виде таблицы 2.3.2

 

Таблица 2.3.2

 

 

 

 

, град	sin( )		L1(u)	3aL1(u)	L3(u)	bL3(u)
0 0.17 0.34 0.51 0.68 0.85 1.02 1.19 1.36 1.53 1.7	0 0.003 0.006 0.009 0.012 0.015 0.018 0.021 0.024 0.027 0.03	0 0.419 0.839 1.258 1.678 2.097 2.517 2.936 3.355 3.775 4.194	1 0.978 0.915 0.815 0.687 0.542 0.392 0.247 0.118 0.012 0.065	0.975 0.954 0.892 0.794 0.67 0.529 0.382 0.241 0.115 0.012 -0.064	1 0.985 0.93 0.9 0.837 0.81 0.74 0.627 0.498 0.392 0.316	0.675 0.665 0.628 0.608 0.565 0.547 0.5 0.423 0.336 0.265 0.213	1 0.981 0.921 0.85 0.748 0.652 0.535 0.402 0.273 0.168 0.09

 

Построим диаграмму  направленности в декартовой системе координат

 

Рисунок 2.3.3 Диаграмма  направленности антенны в декартовой системе координат

2.4 Расчёт G антенны

Расчёт G антенны будем вести по следующей формул

                (2.4.1)

где – коэффициент использования площади раскрыва зеркала, полностью определяется характером распределения поля в раскрыве.

S – геометрическая площадь раскрыва;

- коэффициент полезного действия  параболической антенны (примем  )

Коэффициент направленного  действия (усиления), определенный по формуле (2.4.1) не учитывает потерь энергии на рассеивание, т.е. потерь энергии, проходящей от облучателя мимо зеркала.

3. Расчет принятой мощности.

3.1 Затухания в свободном пространстве.

Распространение УКВ  на линии Земля-Космос осуществляется через тропосферу и ионосферу  Земли и сопровождается ослаблением радиоволн. Ослабление обусловлено тремя причинами: поглощением радиоволн водяными парами и газами, поглощением и рассеянием различными гидрометеообразованиями (дождь, снег, облака, туман и т.п.) и поглощением радиоволн в ионосфере.

Сначала рассчитаем принятую мощность без учета влияния атмосферы, а затем найдем затухания в атмосфере.

Определим принятую мощность по формуле

 

 

где   – коэффициент усиления приемной антенны.

 – коэффициент усиления спутниковой антенны.

 – расстояние до спутника.

Множитель ослабления в  общем виде может быть записан  следующим образом:

где - полный показатель ослабления на участке трассы проходящем в ионосфере;

- полный показатель ослабления на участке радиолинии в “чистой” атмосфере;

- полный показатель ослабления  на участке радиолинии с гидрометеообразованиями;

3.1.1 Затухания в тропосфере.

Ослабление в “чистой” атмосфере и атмосферных образованиях происходит в результате поглощения энергии радиоволн и их рассеяния молекулами газов или взвешенными частицами вещества.

Полные показатели ослабления можно записать в виде:

                       (3.1.2.)

                           (3.1.3.)

где и - коэффициенты ослабления в “чистой” атмосфере и в атмосферных образованиях

Показатель ослабления радиоволн в тропосфере зависит от угла места , т.е. от угла, под которым траектория волны направлена к горизонту (рис. 3.1.1). Так как плотность газов уменьшается с высотой, то наименьшая величина будет при распространении радиоволн в направлении, перпендикулярном к поверхности Земли ( )

 

Рис. 3.1.1

Гидрометеообразования, или гидрометеоры (осадки, туман, облака и т.п.), вызывают ослабление электромагнитных волн, имеющих длину волны 3-5см и  короче.