Визначення кута розкриття та фокусної відстані дзеркальної антени
ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ
Виконати конструктивний та електродинамічний розрахунок малошумливої однодзеркальної параболічної антени.
Вихідні дані
Робоча частота f = 3 ГГц;
Ширина ДН на рівні половинної потужності: 2Θ H 0.5 = 62 мрад
2Θ E 0.5 = 67 мрад;
Тип опромінювача: Напівхвильовий вібратор із дисковим контррефлектором;
Рівень бічних пелюсток: -25 дБ;
Середня яскравість неба: Tнср = 7 К;
Температура шумів приймача: Tпр = 1900 К;
Довжина фідерної лінії: lф = 5 м
ВСТУП
Цей курсовий проект присвячений розрахунку дзеркальних параболічних антен, які знаходять широке застосування в космічних та радіорелейних лініях зв'язку, а також у радіоастрономії. Специфіка супутникового зв'язку, що полягає у великій протяжності трас між штучними супутниками Землі та земними станціями (близько 35000 км для геостаціонарних ШСЗ), значних послаблення радіосигналів на цих трасах, пред'являє серйозні вимоги до конструкції та параметрів дзеркальних антен. Для зниження впливу зовнішніх перешкод необхідно підвищення перешкодозахищеності антен і зниження рівня бічних пелюсток ДН.
Достатня простота і легкість конструкції, можливість формування найрізноманітніших ДН, високий ККД, мала шумова температура - ось основні переваги дзеркальних антен, що зумовлюють їхнє широке застосування в сучасних радіосистемах.
У курсовому проекті визначення поля випромінювання параболічної антени проводиться апертурним методом, що широко застосовується при проектуванні дзеркальних антен.
Вибір фідера. Визначення шумової температури фідерного тракту та ККД
Виберемо прямокутний хвилевід як фідер, оскільки він має низькийпогонним згасанням при цій частоті.
Геометричні розміри фідера: a x b = 18.6 x 4.3 см;
Погонне згасання:
Визначення шумової температури фідерного тракту Тафу та ККД здійснюється за формулами:
де a – коеф. згасання лінії передачі [дБ/м]
1ф - довжина фідерної лінії [м]
Розрахунок геометричних розмірів параболоїда
Розрахунок діаметра розкриття
Дзеркальна антена - спрямована антена, що містить первинний випромінювач (опромінювач) та відбивач антени у вигляді металевої поверхні (дзеркало) [2]. Параболічна дзеркальна антена представлена малюнку 2.1:
Малюнок 2.1 - Дзеркальна параболічна антена
У разі рівномірно збудженого розкриття параболічного дзеркала ширина ДН приблизно визначається [3]:
(2.1)
де 2×Θ0.5 - ширина діаграми спрямованості лише на рівні половинної потужності, рад.;
l - довжина хвилі випромінюваного (прийманого) антеною радіосигналу;
R0 – радіус розкриття дзеркала (рисунок 2.1).
Однак, досягти рівномірного збудження розкриття практично не вдається. Відомо [3], що КНД дзеркальної антени має найбільшу величину у тому випадку, якщо амплітуда збуджуваного поля на краю розкриття становить не менше однієї третини від амплітуди поля в центрі розкриття.
Нерівномірне збудження розкриття дзеркала призводить до деякого розширення головної пелюстки ДН, оскільки зменшується ефективна площа розкриття. Крім цього, необхідно мати на увазі, що найчастіше діаграми спрямованості дзеркальних антен не мають осьову симетрію (більшість випромінювачів формують осенесиметричні ДН), тобто. ширина головного пелюстки в площинах Е і Н різна. У більшості практичних випадків це тягне за собою наступнізміна виразу (2.1) [4]:
де 2×Θ Н 0.5 , 2×Θ Е 0.5 - ширина ДН відповідно у площині Н та Е.
У зв'язку з тим, що завдання на курсовий проект є дані про ширину ДН в обох площинах, з виразів (2.2) і (2.3) можна визначити діаметр розкриття, причому, з отриманих двох значень діаметра слід вибрати найбільше.
Вибираємо діаметр розкриття дзеркала dр = 2R0 = 1.94 м
2.2 Апроксимація аналітичного виду ДН опромінювача функцією cos n /2 Y та вибір числа n
Залежно від розміщення опромінювача щодо дзеркала можна набути те чи інше значення КНД. За певного оптимального відношення R0/f0 КНД найбільший. Це тим, що кількість енергії, що втрачається, залежить від форми ДН опромінювача і від відношення R0/f0. При зменшенні відношення R0/f0 від оптимального КНД зменшується частина енергії, що проходить повз дзеркало. З іншого боку, збільшення цього відношення також призводить до зменшення КНД у зв'язку із сильнішим відхиленням закону розподілу збудження від рівномірного. Оптимальне значення R0/f0 визначається за апроксимованою ДН опромінювача.
Апроксимація здійснюється функцією виду
(2.4)
де n - Визначає ступінь витягнутості ДН опромінювача.
Значення для напівхвильового вібратора з дисковим контррефлектором:
2.3 Оптимізація геометрії антени за максимальним співвідношенням сигнал/шум
З точки зору оптимізації геометрії антени за максимальним співвідношенням сигнал/шум необхідно зробити наступний розрахунок.
Чутливість γ визначається формулою
(2.5)
де перші чотири коефіцієнти не залежать від φ0, а γ ' обчислюється:
(2.6)
u = (0.02 – 0.03) – коефіцієнт, що враховує «переливання» частини потужності опромінювачачерез краї дзеркала, приймемо u = 0.025;
a1 = 1 – cos n+1 Ψ0, n – визначається типом опромінювача;
S – площа апертури дзеркала.
При n = 2, g(Ψ0) має такий вигляд:
У результаті отримаємо:
Визначення кута розкриття та фокусної відстані дзеркальної антени
По максимуму побудованої графічно функції γ (Ψ0) визначається кут розкриття дзеркала (крок зміни кута розкриття Ψ0 не більше 5 °).
З графіка Ψ0 = 80 о .
Фокусна відстань f0 може бути розрахована на основі наступного співвідношення:
(2.8)
Перевіримо допустимість відношення R0/f0:
Отримане значення відповідає вимогам, тобто. входить у заданий діапазон
3 Розрахунок геометричних та електродинамічних характеристик опромінювачів
3.1 Опромінювач у вигляді напівхвильового вібратора з дисковим контррефлектором у вигляді стрижня
Напівхвильовий вібратор 2l»l/2. Відстань d вибирається у діапазоні 0.1