Расчёт зеркальной антенны

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Курсовой проект

«Расчёт зеркальной антенны»

по курсу

«Антенно-фидерные системы»

Содержание

Введение

1. Расчёт размеров зеркала, фокусного расстояний, угловых размеров

2. Расчёт облучателя

3. Расчёт диаграммы направленности и КНД антенны

4. Конструктивный расчет антенны

5. Расчёт фидера

Выводы

Список источников информации

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Техническое задание

Тип антенны: однозеркальная

Поляризация: линейная

Облучатель: рупор

Длина волны: 0. 30 м

Ширина диаграммы направленности: 1. 20

Уровень боковых лепестков: -23дБ

Реферат

В данной работе рассчитывается однозеркальная антенна с линейной поляризацией. Производится расчет рупорного облучателя, геометрических размеров параболоида вращения и диаграммы направленности антенны.

Пояснительная записка к курсовому проекту состоит из 20 страниц, в неё входят 8 рисунков, 4 таблицы, 13 источника информации и 4 приложений.

Введение

Зеркальные антенны являются наиболее широко распространённым типом антенн в дециметровом и особенно в сантиметровом диапазоне волн. Отличаются простотой и высоким КПД, имеют малую шумовую температуру, просты в эксплуатации.

Наиболее часто используются следующие типы зеркальных антенн:

· Параболические (параболоид вращения и параболический цилиндр);

· Специального профиля (цилиндрические и двойной кривизны);

· Многозеркальные.

В данной работе рассмотрена зеркальная антенна на основе параболоида вращения.

Рис. 1

Поверхность параболоида вращения (рисунок 1) образуется вращением вокруг оси z параболы:

где f — фокусное расстояние;

p = 2f — параметр параболы.

Уравнение этой параболы в полярной системе координат с центром в фокусе имеет вид:

1. Расчёт размера зеркала, фокусного расстояния, углового размера

По заданной ширине диаграммы направленности определяем диаметр зеркала.

Выбираем фокусное расстояние параболоида.

Угол раскрыва зеркала определяется из выражения.

Где, а

Из чего следует, что:

2. Расчёт облучателя

Облучателем данной антенны является рупор с линейной поляризацией излучаемого поля.

Простейшим облучателем такого типа является открытый конец прямоугольного волновода с волной. Выбираем пирамидальный рупор.

Рассчитаем его параметры.

Рис. 2 Рупорный облучатель

Его размеры можно определить исходя из следующих формул:

однозеркальный антенна поляризация направленность

— для Е-плоскости, при

-

— для Н-плоскости, при

Угол раскрыва зеркала:

Используя выше указанные выражения, получим размеры рупора LE и LН:

Считая, что для рупора выполнены оптимальные соотношения, т. е. (расфазировка к краям раскрыва), диаграмму направленности рупора можно рассчитать по простым формулам:

— в E-плоскости

,

где

— в H-плоскости

,

где

Пример расчета приведен в таблице 1

Таблица 1

O

Fe (O)

Fh (O)

O

Fe (O)

Fh (O)

O

Fe (O)

Fh (O)

-180

0

0

-60

0,434 729

0,508 616

70

0,34 746

0,422 691

-170

0,7 448

0,7 484

-50

0,542 464

0,608 446

80

0,281 292

0,351 957

-160

0,27 916

0,28 459

-40

0,664 606

0,716 763

90

0,233 163

0,294 762

-150

0,56 637

0,5 913

-30

0,788 853

0,823 572

100

0,198 055

0,247 809

-140

0,88 043

0,94 953

-20

0,897 887

0,915 333

110

0,170 356

0,207 241

-130

0,117 955

0,132 302

-10

0,9731

0,977 799

120

0,14 491

0,169 539

-120

0,14 491

0,169 539

-1

0,999 726

0,999 774

130

0,117 955

0,132 302

-110

0,170 356

0,207 241

1

0,999 726

0,999 774

140

0,88 043

0,94 953

-100

0,198 055

0,247 809

20

0,897 887

0,915 333

150

0,56 637

0,5 913

-90

0,233 163

0,294 762

30

0,788 853

0,823 572

160

0,27 916

0,28 459

-80

0,281 292

0,351 957

40

0,664 606

0,716 763

170

0,7 448

0,7 484

-70

0,34 746

0,422 691

50

0,542 464

0,608 446

180

0

0

60

0,434 729

0,508 616

Диаграммы направленности облучателя в Н и Е плоскостях представлены в приложении 1.

Коэффициент направленного действия (КНД) рупорной антенны можно приблизительно вычислить по формуле:

Расчёт диаграммы направленности (ДН) антенны производится по полю в раскрыве.

3. Расчёт диаграммы направленности и КНД антенны

Вычислим распределение амплитуды поля в раскрыве по формуле:

График распределения амплитуды поля и аппроксимирующей функции приведён в приложении 2. А расчет приведен в таблице 2

Таблица 2

В соответствии с графиком, расчётная формула, соответствующая выбранному амплитудному распределению, имеет вид:

Таблица 3

При таком распределении амплитуды поля в раскрыве уровень боковых лепестков и ширина диаграммы направленности соответственно:

КИП раскрыва при этом составляет 0,75.

Формула для ДН (множителя системы) имеет вид:

График нормированной ДН от переменной представлен в приложении 3.

КНД антенны рассчитывается по следующей формуле:

В этой формуле:

— геометрическая площадь раскрыва;

— коэффициент эффективности антенны;

— коэффициент, учитывающий рассеяние мощности краями зеркала, на облучателе, крепящих его деталях и в боковых лепестках облучателя.

При заданных диаметре зеркала и диаграмме направленности облучателя коэффициент эффективности антенны, а, следовательно, и КНД антенны является функцией только угла раскрыва зеркала. Эта функция имеет максимальное значение при некотором угле раскрыва, который для данного облучателя называют оптимальным. Исследование на максимум функции, при осевой симметрии диаграммы направленности облучателя дает следующее уравнение для определения:

Так как часто диаграмма направленности облучателя задана графически, то решение уравнения производится также графически.

Диаграмма направленности облучателя хорошо аппроксимируется функцией вида в промежутке. При полагают. Рисунок, показывающий зависимости и приведён в приложении 4.

Таблица 4

Коэффициент эффективности параболической антенны может быть определен с помощью графика, изображенного на рисунке 3. На этом рисунке приведена зависимость при n = 1,2,3.

Рис. 3 График для определения коеф. эффективности

Для большинства применяющихся на практике облучателей соответствует направлениям, в которых поле облучателя ослабевает на 9−10 дБ по сравнению с полем в направлении максимума. Поэтому на практике считают, что угол раскрыва зеркала должен равняться ширине ДН облучателя на уровне 0,1 по мощности.

Исходя из этого:

КНД антенны из вышеизложенной формулы:

D=12 909

4. Конструктивный расчет антенны

Профиль зеркала, образующийся вращением вокруг оси Z, определяется уравнением:

При = 6 м получим:

В целях облегчения зеркала, а также уменьшения давления ветра на него, зеркало изготовлено не из сплошного металлического листа, а из сетки проводов (трубок), что допустимо при линейной поляризации. При применении такой конструкции провода (трубки) располагаются параллельно вектору напряженности электрического поля (рис. 5).

Рис. 4 Конструкция зеркала антенны

Коэффициент прохождения решетки из проводов в данном случае равен:

Зеркало можно считать хорошим, т. к. коэффициент прохождения не превышает 1%.

При определении допуска на точность изготовления зеркала исходят из допустимой фазовой ошибки в раскрыве, равной.

Это дает

где — допустимое отклонение радиуса поверхности зеркала.

Допуск в центральной поверхности зеркала равен:

.

У кромки параболоида:

Исходя из той же допустимой фазовой ошибки в раскрыве, получим:

— допустимое смещение фазового центра облучателя из фокуса вдоль фокальной оси.

— допуск на смещение облучателя по нормали к фокальной оси:

Приведенные выше соотношения получены на основе элементарных геометрических преобразований и дают лишь ориентировочную оценку допусков. Из них следует, что для глубоких зеркал допуск является более жестким, чем для мелких.

Теневой эффект облучателя обусловлен тем, что он находится на пути отраженных от зеркала лучей и поэтому экранирует часть раскрыва.

Влияние затенения раскрыва облучателя можно учесть, считая, что препятствие возбуждает на занимаемой им площади раскрыва поле, амплитуда которого равна амплитуде поля, создаваемого зеркалом, а фаза противоположна.

Для оценки влияния теневого эффекта на уровень первых боковых лепестков можно воспользоваться формулой:

Где: — уровень боковых лепестков с учетом и без учета теневого эффекта соответственно;

— площадь проекции облучателя на раскрыв зеркала; - эффективная площадь раскрыва зеркала.

5. Расчёт фидера

В качестве фидера будем использовать волновод, так как облучателем антенны является рупор.

Волновод работает в одномодовом режиме, и в нём распространяется волна типа Н10 длиной 2.5 м.

Для волноводов характерно понятие критической длины волны, которая равна:

зависит от типа волны и в нашем случае (волна типа Н10) она равна:

Здесь — длина широкой стенки волновода.

Исходя из этого, выбираем широкую стенку волновода:

Узкая стенка волновода:

Критическая длина волны и её частота соответственно:

Коэффициент распространения:

Длина волны и её частота в волноводе:

Рассчитаем предельную и допустимую мощности в волноводе:

Выводы

В результате выполнения курсового проекта был выполнен расчёт однозеркальной антенны с линейной поляризацией.

Был произведен расчёт геометрических размеров зеркал, фокусного расстояния зеркала, а также угла раскрыва.

Был произведен расчёт облучателя антенны. В качестве облучателя была использована рупорная антенна. Были найдены геометрические размеры облучателя исходя из требований получения заданной ширины диаграммы направленности всей антенны и получения уровня боковых лепестков в пределах заданных. Была построена диаграмма направленности облучателя и найден его КНД.

Был произведён расчёт диаграммы направленности антенны исходя из распределения амплитуды поля в раскрыве. Построены график распределения поля в раскрыве и ДН антенны. Рассчитан КНД антенны.

Произведён расчёт профилей зеркал и расчёт фидера.

Список источников информации

1. Шифрин Я. С. Вопросы статистической теории антенн, «Сов. радио», 1970

2. Сазонов Антенны и устройства СВЧ, «Высшая школа», 2008

3. Жук М. С., Молочков Ю. Б. Проектирование антенно — фидерных систем изд. Энергия, 1966

4. Фрадин А. З. Антенно — фидерные устройства, «Связь», 1977

5. Ширман Я. Д. Радиоволноводы и объемные резонаторы, Связьиздат, 1959

6. Метрикин А. А. Антенны и волноводы РРЛ, «Связь», 2007

7. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справочник по элементам волноводной техники, «Сов. радио», 1967

8. Воропаев Ю. П. и др. Элементы волноводного тракта, Минск, 1969

9. Власов В. И., Берман Я. И. Проектирование высокочастотных узлов радиолакационных станций, «Судпромгиз», 2010

10. Кюн Р. Микроволновые антенны «Судостроение», 2007

11. Усин В. А. Теория построения и методы исследования антенных систем. Ч.2. Антенные системы радиоэлектронных средств, Конспект лекций. Издание ВИРТА, 2010, 252 с.

12. Шифрин Я. С., Гукасов Ю. Г., Корниенко Л. Г. и др. Расчет и проектирование антенн сверхвысоких частот. Издание ВИРТА, Харьков 2011 г.

13. Айзенберг Г. З. Антенны ультрокоротких волн. Связьиздат, 2007.

Приложение 1

Рис. 5

Диаграммы направленности облучателя в Е и Н плоскостях соответственно

Приложение 2

Рис. 6

Графики распределения амплитуды поля и аппроксимирующей его функции

Приложение 3

Рис. 7

График нормированной ДН

Приложение 4

Рис. 8

Зависимости F0(и)

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой