Рупорно-параболическая антенна
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 23 Апреля 2013 в 15:06, курсовая работа
Описание работы
Разработать рупорно-параболическую антенну, предназначенную для работы в составе
радиорелейной линии связи. Антенна работает с двумя взаимно перпендикулярными
поляризациями поля. Конструкции передающей и приемной антенн идентичны. Высоты их
подъема над Землей одинаковы. Длина участка ретрансляции (пролета) составляет r = 45 км.
Мощность передатчика Р = 0,8 Вт. Напряженность поля в пункте приема составляет Е = 0,15
В/м; длина фидера между антенной и передатчиком (приемником) составляет 5 м. Диапазон
частот fo = 6 ± 10% ГГц. Высота подъема антенны над Землей h = 83 м. Поляризация
вертикальная.
Файлы: 1 файл
Задание.
Разработать рупорно-параболическую антенну, предназначенную для работы в составе
радиорелейной линии связи. Антенна работает с двумя взаимно перпендикулярными
поляризациями поля. Конструкции передающей и приемной антенн идентичны. Высоты их
подъема над Землей одинаковы. Длина участка ретрансляции (пролета) составляет r = 45 км.
Мощность передатчика Р = 0,8 Вт. Напряженность поля в пункте приема составляет Е = 0,15
В/м; длина фидера между антенной и передатчиком (приемником) составляет 5 м. Диапазон
частот fo = 6 ± 10% ГГц. Высота подъема антенны над Землей h = 83 м. Поляризация
вертикальная.
1. Расчет коэффициента усиления антенны
Для вычисления коэффициента усиления антенны используем квадратичную формулу
Введенского:
/
/
1
2
2
2,18 P G
E
h h
r
, (мВ/м),
где Р – мощность передатчика, кВт;
G – коэффициент усиления антенны;
r – длина пролета, км;
λ – длина волны, м.
Произведение
/
/
1
2
h h вычисляется по формуле вида:
/
/
1
2
1
2
h h
m h h
,
где коэффициент m определяется из графиков на рис. 5.1[11].
Параметром для графиков является величина
max
2
Зм
r
p
a h
, где все величины берутся в
километрах, а величина
8500
Зм
a
км (эквивалентный радиус Земли);
max
h
- максимальное значение высоты подвеса антенн и принимаемое равным одному из
заданных значений высоты подвеса антенн при выполнении условия
max
1
2
h
h h
0,083 км.
Находим отношение:
1
2
1
h
h
.
Находим значение параметра р:
max
45
1,198.
2
2 8500 0,083
Зм
r
p
a h
Далее по графику на рис. 5.1[11] при параметрах р = 1,198 и
1
2
1
h
h
находим значение
коэффициента m = 0,45.
Вычисляем произведение:
/
/
1
2
1
2
h h
m h h
0,45 · 83 · 83 = 3100 (м
2
).
Находим длину волны:
λo = с / fo = (3 · 10
8
) / (6 · 10
9
) = 0,05 (м).
Для дальнейшего расчета проверим условие:
0,7
пр
r
r
,
где
1
2
4,12
пр
r
h
h
.
Тогда
0,7
0,7 4,12
83
83
пр
r
52,5.
Условие
0,7
пр
r
r
выполняется.
Находим коэффициент усиления антенны:
2
2
2
2
/
/
1
2
1
1
0,15 1000 45 0,05
6313
2,18
0,8/1000
2,18 3100
E r
G
P
h h
.
2. Определение конструктивных размеров антенны
Определение конструктивных размеров начинаем с определения площади апертуры
антенны из соотношения:
2
4
п
S
D k
,
где
A
G
D
- коэффициент направленного действия;
0,85...0,9
A
- к.п.д. антенны;
0,52
п
k
- коэффициент использования поверхности (как у пирамидального рупора).
Находим:
2
2
2
6313
0,05
0,85
2,84
4
4
4
0,52
A
п
п
G
D
S
k
k
(м
2
).
В качестве апертуры в данной антенне выступает сегмент кольца с радиусами р
1
и р
2
(на рис. 1
фигура ABCD).
В расчетах можно положить, что апертура представляет собой прямоугольник, высота
которого равняется b = р
2
– р
1
, а ширина
a
= γ
2
· (р
1
+ р
2
), причем γ
2
подставляется в радианах.
Угол облучения v обычно выбирается равным 90
0
, т.е. v = 90
0
.
В антенне обычно используются рупоры с углами раскрыва
2γ
1
= 2γ
2
= 2γ = (25
0
…45
0
).
При выборе v = 90
0
площадь апертуры можно приближенно определить по формуле:
S 16γ
1
· f
2
· tgγ
2
· secγ
2
.
Уравнение для профиля зеркала в плоскости хОz (рис. 2) имеет вид:
х
2
= 4 · f · z.
Принимаем 2γ = 35
0
(0,611 рад).
Размеры РПА определяем из уравнений:
1-ый радиус сегмента кольца:
0
1
0
35
2
1 sin
1 sin
2
2
0,5
0,5 2,84
1,96
2
35
sin
sin
2
2
p
S
(м);
2-ой радиус сегмента кольца:
2
1
1,96
2,84 3,65
p
p
S
(м).
Высота прямоугольника:
b = р
2
– р
1
= 3,65 – 1,96 ≈ 1,69 (м);
ширина прямоугольника:
a
= γ
2
· (р
1
+ р
2
) = (0,611 / 2) · (1,96 + 3,65) ≈ 1,71 (м).
Находим фокусное расстояние:
1
2
2
2,84
1,39
0,611
0,611
0,611
16
sec
16
sec
2
2
2
S
f
tg
tg
(м).
Рис.1.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0
0.183
0.365
0.547
0.73
0.913
1.095
1.277
1.46
1.643
1.825
2.007
2.19
2.373
2.555
2.737
2.92
3.103
3.285
3.467
3.65
4 f z
2.41
z
Рис.2.
3. Расчет и построение диаграммы направленности антенны
Находим границы частотного диапазона проектируемой антенны:
fмин = fo - ∆f = 6 – 0,1 · 6 = 5,4 (ГГц);
соответствующая длина волны:
λмин = с / fмин = (3 · 10
8
) / (5,4 · 10
9
) = 0,056 (м);
fмакс = fo + ∆f = 6 + 0,1 · 6 = 6,6 (ГГц);
соответствующая длина волны:
λмакс = с / fмакс = (3 · 10
8
) / (6,6 · 10
9
) = 0,045 (м).
Диаграмма направленности антенны зависит как от характера распределения поля по
апертуре, так и от формы самой апертуры. При точном учете этих факторов формулы,
определяющие форму диаграммы направленности, имеют сложный вид. Они существенно
упрощаются, если предположить, что эквивалентная апертура представляет собой
прямоугольник а × b и распределение поля в этом прямоугольнике полностью идентично
распределению поля в прямоугольном волноводе Н
10
, который питает данный рупор.
С учетом этих приближений для случая вертикальной поляризации поля диаграмма
направленности антенны в горизонтальной плоскости YOZ имеет вид (рис. 3):
sin
sin
2
( )
sin
2
k a
F
k a
;
диаграмма направленности в вертикальной плоскости XOZ имеет вид (рис. 4):
2
2
cos
sin
2
( )
sin
2
2
k b
F
k b
.
Расчет по вышеприведенным приближенным формулам дает удовлетворительную
точность лишь в пределах ближайших боковых лепестков диаграммы направленности антенны.
Если требуется определить защитное действие антенны, то надо знать интенсивность боковых
лепестков под большими углами к направлению главного максимума, где указанные формулы
неприменимы. Строгая оценка интенсивности отдаленных боковых лепестков диаграммы
направленности антенны сложна и требует решения задачи дифракции поля на краях зеркала.
Для направлений, составляющих угол θ = 150
0
…210
0
с осью 0Z, коэффициент защитного
действиям может быть определен по следующей приближенной формуле:
1
2
1
2
sin
2
sin
sin
4
2
20 lg
1
1
cos
cos
2
2
З
k l
k l
S
k
l
,
где
l
- параметр, приводимый на рис. 1, и принимаемый равным ранее рассчитанному значению
по ширине прямоугольника (апертуры антенны);
0
1
287,5
и
0
2
40
- углы, выбираемые на рис. 1.
Находим:
0
0
0
0
0
0
1,71
sin72,5
0,05
1,71
sin
sin72,5
4
2,84
0,05
20 lg
96.
1
1
0,05 1,71
287,5 40
287,5 40
cos
cos
2
2
З
k
Из рис. 3 (ДН РПА в горизонтальной плоскости) находим:
ширина главного лепестка по уровню половинной мощности:
2φ
0,5
= 1,6
0
;
ширина главного лепестка по уровню нулевого излучения:
2φ
0
= 3,2
0
;
уровень первого бокового лепестка:
ξ
бок
= 20 · lg0,22 ≈ 13,2 (дБ).
Из рис. 4 (ДН РПА в вертикальной плоскости) находим:
ширина главного лепестка по уровню половинной мощности:
2θ
0,5
= 2
0
;
ширина главного лепестка по уровню нулевого излучения:
2θ
0
= 5,2
0
;
уровень первого бокового лепестка:
ξ
бок
= 20 · lg0,075 ≈ 22,5 (дБ).
0
0.017
0.035
0.052
0.07
0.087
0.105
0.122
0.14
0.157
0.175
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.22
0.707
F0
( )
Fmin
( )
Fmax ()
0.014
0.03
Рис.3.
0
0.017
0.035
0.052
0.07
0.087
0.105
0.122
0.14
0.157
0.175
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.075
0.707
F0 ()
Fmin ()
Fmax ()
0.018
0.045
Рис.4.
4. Расчет параметров волноводного питающего тракта
Для случая работы с двумя взаимно перпендикулярными поляризациями поля
применяется квадратный волновод. Его поперечный размер должен быть равен размеру
широкой стенки прямоугольного волновода, работающего в заданном диапазоне частот. В
практике использования волновода обычно стараются избегать одновременной передачи
энергии несколькими типами волн, поскольку при этом могут иметь место нежелательные
интерференционные явления, приводящие к значительной потере энергии. Кроме того,
одновременное получение режима согласованной нагрузки для нескольких типов волн весьма
затруднительно. Поэтому передачу энергии по волноводу ведут обычно на одном типе волны,
как правило, используя основную волну. Во избежание передачи энергии волнами высших
типов достаточно выбрать соответствующим образом размеры волновода.
Выбор размеров прямоугольного волновода производится исходя из условия
одноволнового режима работы с волной основного типа Н
10
.
Из таблицы в приложении 2[11] выбираем ближайшие стандартные типовые размеры
прямоугольного волновода и заносим в таблицу 1.
Таблица 1
Обозначение
Диапазон
частот для
основного типа
волн, ГГц
Внутренние
размеры
Толщина
стенок,
мм
Затухание, дБ/м
от
до
ширина
а
высота
b
На
частоте
ГГц
Теоретич.
величина
Макс.
величина
R
70
5,38
8,17
34,85
15,799
1,625
6,46
0,0576
0,075
Коэффициент затухания для прямоугольного волновода, выполненного из меди
(ρ = 0,0175 Ом · мм
2
/м; μ
а
= μ
0
= 4 · π · 10
-7
Гн/м), заполненного воздухом, практически не
имеющим потер (Z
С
= 376,7 Ом), определяем по формуле:
2
2
0
2
2
0
0
2 1,58
5
2
0,14 1
0,14 1
3,5
2 3,5
2
0,083
5
1
1,58 5 1
2
2 3,5
b
a
a
b
a
(дБ/м).
Волновое сопротивление волновода при выбранных размерах:
2
2
0
376,7
538,2
5
1
1
2
2 3,5
C
B
Z
Z
a
(Ом).
Предельная пропускная мощность при выбранных размерах стандартного волновода:
2
2
2
2
0
30
3,5 1,58 30
5
1
1
1,62
4
2
4 538,2
2 3,5
B
a b
P
Z
a
(кВт).
В антенне практически отсутствует реакция зеркала на облучатель. Отражение от конца рупора
получается весьма малым, поскольку поперечный размер рупора имеет величину порядка:
(10…20) · λо = (10…20) · 0,05 = (50…100) см.
Основным источником отражения волны является горловина рупора. Применяя плавный,
обычно гиперболический переход от рупора к питающему волноводу, можно добиться
хорошего согласования в рабочей полосе частот. Обычно гиперболический согласующий
переход имеет длину:
(5…10) · λо = (5…10) · 0,05 = (25…50) см.
Поперечный размер рупора в месте стыка с переходом должен иметь порядок:
(3…5) · λо = (3…5) · 0,05 = (15…25) см.
5. Расчет по определению технических допусков
При смещении облучателя из фокуса вдоль оси зеркала на поверхности раскрыва
возникают фазовые искажения, симметричные относительно вершины зеркала, что расширяет
главный лепесток и увеличивает уровень боковых лепестков диаграммы направленности. При
больших смещениях излучение в главном направлении уменьшается и появляются два боковых
максимума. Чтобы фазовая ошибка из-за смещения облучателя не превышала допустимого
значения 45
0
, должно выполняться условие:
∆ρ ≤ λо / (8 – 8 · cos(γ)), тогда ∆ρ ≤ 0,05 / (8 – 8 · cos(17,5
0
)) = 0,135 (м).
Неточность изготовления поверхности зеркала характеризуется одним из параметров,
таким, как допуск на изготовление поверхности зеркала. Допуском δ
доп
называется такое
отклонение поверхности зеркала от расчетной (в ту или другую сторону), которое не
превышает заданную вероятность. Величина δ
доп
определяется технологическими
возможностями производства зеркал. В основном при определении допуска δ
доп
исходят из
допустимой фазовой ошибки ψ
доп
в центре зеркала:
ψ
доп
= ((4 · π) / λо) · δ = ± π / 8.
Откуда:
δ
доп
≤ λо / 32 = 0,05 / 32 = 0,156 (см).
Информация о работе Рупорно-параболическая антенна