Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

Выполнить конструктивный и электродинамический расчет малошумящей однозеркальной параболической антенны.

Иходные данные

Рабочая частота: f = 3 ГГц;

Ширина ДН на уровне половинной мощности: 2Θ^H_0.5 = 62 мрад

2Θ^E_0.5 = 67 мрад;

Тип облучателя: Полуволновый вибратор с дисковым контррефлектором;

Уровень боковых лепестков: -25 дБ;

Средняя яркостная температура неба: T_нср = 7 К;

Температура шумов приемника: T_пр = 1900 К;

Длина фидерной линии: l_ф = 5 м

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Настоящий курсовой проект посвящен расчету зеркальных параболических антенн, которые находят широкое применение в космических и радиорелейных линиях связи, а также в радиоастрономии. Специфика спутниковой связи, заключающаяся в большой протяженности трас между искусственными спутниками Земли и земными станциями (около 35000 км для геостационарных ИСЗ), значительных ослаблениях радиосигналов на этих трассах, предъявляет серьезные требования к конструкции и параметрам зеркальных антенн. Для снижения влияния внешних помех необходимо повышение помехозащищенности антенн и снижение уровня боковых лепестков ДН.

Достаточная простота и легкость конструкции, возможность формирования самых разнообразных ДН, высокий КПД, малая шумовая температура — вот основные достоинства зеркальных антенн, обусловливающих их широкое применение в современных радиосистемах.

В курсовом проекте определение поля излучения параболической антенны производится апертурным методом, широко применяемым при проектировании зеркальных антенн.

 

Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта и КПД

Выберем прямоугольный волновод в качестве фидера, так как он обладает низким погонным затуханием при данной частоте.

Геометрические размеры фидера: a × b = 18.6 × 4.3 см;

Погонное затухание:

 

Определение шумовой температуры фидерного тракта Тафу и КПД производится по формулам:

где a - коэф. затухания линии передачи [дБ/м]

1_ф - длина фидерной линии [м]

Расчет геометрических размеров параболоида

Расчет диаметра раскрыва

Зеркальная антенна - направленная антенна, содержащая первичный излучатель (облучатель) и отражатель антенны в виде металлической поверхности (зеркало)[2]. Параболическая зеркальная антенна представлена на рисунке 2.1:

Рисунок 2.1 - Зеркальная параболическая антенна

В случае равномерно возбужденного раскрыва параболического зеркала ширина ДН приближенно определяется [3]:

(2.1)

где 2×Θ_0.5 - ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности, рад.;

l - длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;

R₀ - радиус раскрыва зеркала (рисунок 2.1).

Однако, добиться равномерного возбуждения раскрыва практически не удается. Известно [3], что КНД зеркальной антенны имеет наибольшую величину в том случае, если амплитуда возбуждаемого поля на краю раскрыва составляет не менее одной трети от амплитуды поля в центре раскрыва.

Неравномерное возбуждение раскрыва зеркала приводит к некоторому расширению главного лепестка ДН, так как уменьшается эффективная площадь раскрыва. Кроме этого, необходимо иметь в виду, что чаще всего диаграммы направленности зеркальных антенн не обладают осевой симметрией (большинство излучателей формируют осенесимметричные ДН), т.е. ширина главного лепестка в плоскостях Е и Н различна. В большинстве практических случаев это влечет за собой следующие изменение выражения (2.1) [4]:

где 2×Θ^Н_0.5, 2×Θ^Е_0.5 - ширина ДН соответственно в плоскости Н и Е.

 

В связи с тем, что в задании на курсовой проект имеются данные о ширине ДН в обеих плоскостях, из выражений (2.2) и (2.3) можно определить диаметр раскрыва, причем, из полученных двух значений диаметра следует выбрать наибольшее.

Выбираем диаметр раскрыва зеркала d_р = 2R₀ = 1.94 м

2.2 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией cos^n/2Y и выбор числа n

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R₀/f₀ КНД наибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит от формы ДН облучателя и от отношения R₀/f₀. При уменьшении отношения R₀/f₀ от оптимального КНД уменьшается 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 R₀/f₀ определяется по аппроксимированной ДН облучателя.

Аппроксимация осуществляется функцией вида

(2.4)

где n - определяет степень вытянутости ДН облучателя.

Значения для полуволнового вибратора с дисковым контррефлектором:

n = 2; R₀/f₀ = 1.25... 1.43;

 

2.3 Оптимизация геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум

 

С точки зрения оптимизации геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум необходимо произвести следующий расчет.

Чувствительность γ определяется формулой

(2.5)

где первые четыре коэффициента не зависят от φ₀, а γ^’ вычисляется:

(2.6)

 

где T₁ = T_пр + T₀ × (1-КПД) + КПД × T_нср

T₀ = 290 K

u = (0.02 – 0.03) – коэффициент, учитывающий «переливание» части мощности облучателя через края зеркала, примем u = 0.025;

a₁ = 1 – cosⁿ⁺¹ Ψ₀, n – определяется типом облучателя;

S – площадь апертуры зеркала.

 

При n = 2, g(Ψ₀) имеет следующий вид:

 

В итоге получим:

 

 

Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны

 

По максимуму построенной графически функции γ^’ (Ψ₀) определяется угол раскрыва зеркала (шаг изменения угла раскрыва Ψ₀ не более 5°).

 

Где g1(Ψ) ≡ g”(Ψ)

 

Из графика Ψ₀ = 80^о.

 

Фокусное расстояние f₀ может быть рассчитано на основе следующего соотношения:

(2.8)

Проверим допустимость отношения R₀/f₀:

Полученное значение удовлетворяет требованиям, т.е. входит в заданный диапазон

R₀/f₀ = 1.25... 1.43

откуда

3 Расчет геометрических и электродинамических характеристик облучателей

 

3.1 Облучатель в виде полуволнового вибратора с дисковым контррефлектором в виде стержня

 

Полуволновый вибратор 2l»l/2. Расстояние d выбирается в диапазоне 0.1<l/2<0.25, а длина контррефлектора, а длина контррефлектора 2a»(1.05 – 1.1)2l.

В этом случае ДН описывается следующим аналитическим выражением

В плоскости Е:

 

(3.1)

 

В плоскости Е:

(3.2)

 

Где:

Расстояние между вибратором и контррефлектором:

 

Волновое число:

 

Длина вибратора: 2l=0.05 м

 

Длина контррефлектора: 2a=0.056 м

 

Отношение амплитуд токов пассивном и активном вибраторах:

 

Сдвиг фаз:

 

В нашем случае , а x22 определяется из