Параболические антенны в последнее время находят все более широкое применение в космических и радиорелейных линиях связи. В 1888 году известный немецкий физик Г. Герц в своих опытах по СВЧ оптике впервые применил в качестве фокусирующего устройства параболический цилиндр. Интерес к зеркальным антеннам не ослабевает и в наши дни в связи со стремительным развитием космических радиотехнических систем и комплексов.

Достаточная простота и легкость конструкции, возможность формирования самых разнообразных диаграмм направленности, высокий КПД, малая шумовая температура – вот основные достоинства, зеркальных антенн, обуславливающих их широкое применение в современных радиосистемах.

Целью данной курсовой является освоение методики проектирования зеркальных параболических антенн: определение их основных электродинамических параметров и конструктивный расчет.

В курсовой работе определение поля излучения параболической антенны производится апертурным методом, который широко применяем при проектировании зеркальных антенн.

1 РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЛУЧАТЕЛЯ И ПАРАБОЛОИДА

1.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта

В качестве фидера будет использован прямоугольный волновод. Его параметры для частоты f = 1.0 ГГц даны в [1], приложение А:

см

a = 0.00405 дБ/м

Шумовая температура фидерного тракта Тф:

где α – коэффициент затухания линии передачи [дБ/м],

lф – длина фидерной линии [м].

Выразим КПД из формулы:

Тф=T0·(1-КПД),

где Т0=290 К.

Тогда КПД равен:

Шумовая температура антенной системы:

a1 = 1 - cosn+1Y0 = 0.929 (см. пункт 1.4)

К;

К.

1.2 Определение диаметра раскрыва

Зеркальная антенна – направленная антенна, содержащая первичный излучатель и отражатель антенны в виде металлической поверхности. Параболическая зеркальная антенна представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Зеркальная параболическая антенна

В случае равномерно возбуждённого раскрыва параболического зеркала ширина ДН приближённо определяется:

где 2Q0.5 – ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности, рад.;

l - длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;

R0 – радиус раскрыва зеркала (рисунок 1).

Длина волны определяется по формуле:

cм.

Неравномерное возбуждение раскрыва зеркала приводит к некоторому расширению главного лепестка ДН, так как уменьшается эффективная площадь раскрыва. Чаще всего диаграммы направленности зеркальных антенн не обладают осевой симметрией, т.е. ширина главного лепестка в плоскостях Е и Н различна. В большинстве практических случаев это влечёт за собой следующее изменение:

где 2QН0.5 , 2QЕ0.5 ширина ДН соответственно в плоскостях H и E.

Для Е и Н плоскостей соответственно найдем радиусы раскрыва:

м;

м.

Исходя из исходных данных о ширине диаграммы направленности в обеих плоскостях, можно определить диаметр раскрыва dp = 2 × R0, причем, из полученных двух значений диаметра следует выбрать наибольшее. Следовательно,

R0 = 3.673 м,

dp = 2×R0 = 2×3.673 = 7.346 м.

1.3 Аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида cosn/2Y

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении Ro/fo КНД наибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы направленности облучателя и от отношения Ro/fo. При уменьшении отношения Ro/fo от оптимального КНД уменьшается, так как увеличивается 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 Ro/fo определяется по аппроксимированной нормированной ДН облучателя (аппроксимация функцией вида F(Q)=cosn/2(Q), где n определяет степень вытянутости ДН облучателя).

Рисунок 2 - Варианты размещения облучателя

Для вибратора с контррефлектором в виде диска:

n=4; R0/f0=1.0…1.25; ν=0.82

Аппроксимированная нормированная ДН представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Апроксимированная нормированная ДН облучателя

1.4 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны.

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

Чувствительность g определяется по формуле:

где первые четыре коэффициента не зависят от yо, а g' вычисляется:

где Т1

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

u = 0.025;

S – площадь апертуры зеркала

S= π×R2 = 3.142×3.6732 = 42.394 м2;

n = 4 – определяется типом облучателя;

a1 = 1 - cosn+1Y0;

Построим график функции γ(Y0), по максимуму которого определим угол раскрыва зеркала:

Рисунок 4 – График функции γ(Y0)

Таблица 1 – Аргументы функции γ(Y0) и её значения

Y0	0.301	0.601	0.901	1.201	1.401	1.501
γ(Y0)	3.779e-3	0.012	0.017	0.014	0.011	8.863e-3

По графику (рисунок 1.4) можно определить:

Y0 = 0.95 рад = 54.431°,

тогда

a1 = 1 – cos5(54.431°) = 0.933,

g = 0.88,

g` = 4.466 ×10-4,

g = 0.0169.

Фокусное расстояние f0 может быть найдено из следующего соотношения:

зеркальная антенна облучатель зеркало

м.

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R0/f0 КНД наибольший. Заданный интервал отношения R0/f0 = (1.0÷1.25). Расчетное отношение R0/f0 = 1.029, что удовлетворяет условию.

2. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ

2.1 Диаграммы направленности облучателя

Полуволновой симметричный вибратор с контррефлектором в виде диска

Фазовый центр вибратора с контррефлектором в виде диска лежит между вибратором и контррефлектором несколько ближе к последнему. Обычно контррефлекторы выполняются в виде дисков диаметром 2d = (0.7 ... 0.8), при этом ДН имеет форму, близкую к диаграмме с осевой симметрией. Расстояние между вибратором и контррефлектором выбирается близким к четверти длины волны, а длина вибратора - к половине длины волны (2l  /2).

Страницы: 1, 2