ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Выполнить конструктивный и электродинамический расчет малошумящей однозеркальной параболической антенны.
Иходные данные
Рабочая частота: f = 3 ГГц;
Ширина ДН на уровне половинной мощности: 2ΘH0.5 = 62 мрад
2ΘE0.5 = 67 мрад;
Тип облучателя: Полуволновый вибратор с дисковым контррефлектором;
Уровень боковых лепестков: -25 дБ;
Средняя яркостная температура неба: Tнср = 7 К;
Температура шумов приемника: Tпр = 1900 К;
Длина фидерной линии: lф = 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]
1ф - 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×Θ0.5 - 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×ΘН0.5, 2×ΘЕ0.5 - 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 dр = 2R0 = 1.94 м
2.2 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией cosn/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 = Tпр + T0 × (1-КПД) + КПД × Tнср
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 = 80о.
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
