Расчет параболической антенны

Чертеж1.dwg

D1.docx

Міністерство освіти і науки України
Національний університет «Львівська політехніка»
нститут телекомунікаційрадіоелектроніки та електронної техніки
з дисципліни «Пристрої НВЧ і антени»
«Розрахунок параболічної антени»
)Технічне завдання ..3
)Розрахунок пристрою .. .6
)Розрахунок опромінювувача і його ДН .7
)Розрахуно дзеркала антени і його ДН .. .10
)Використана література . 18
Спроектувати передавальну антенувиконану в формі параболоїда обертаття яка працює на частоті 1.8 ГГц. КСД=250. мпульсна потужність передавача Рі=20кВт.
Дзеркальні параболічні антени є найбільш поширеним типом направлених антен в сантиметровому дециметровому і частково метровому діапазонах хвиль. Широке використання дзеркальних антен пояснюється простотою конструкції можливістю отримання майже будь-якого вживаного на практиці типа діаграми спрямованості високим ККД малою шумовою температурою хорошими діапазонними властивостями і так далі У застосуваннях радіолокацій дзеркальні антени дозволяють легко отримати рівносигнальну зону допускають одночасне формування сумарних і різницевих діаграм спрямованості загальним дзеркалом. Дзеркальні антени є також найбільш поширеним типом антен в космічному зв'язку і радіоастрономії і саме за допомогою дзеркальних антен в даний час реалізовані гігантські антенні системи з ефективною поверхнею розкриву вимірюваною тисячами квадратних метрів. В даний час застосовуються головним чином дзеркала з параболічною формою поверхні (параболоїд обертання і параболічний циліндр) проте в останніх час набувають розповсюдження сферичні дзеркальні антени а в двохдзеркальних антенах – дзеркала спеціальної форми для отримання необхідного розподілу поля по розкриву антени або ширококутного коливання ДН. Зовнішній вигляд конструкції параболічної антени може бути наприклад таким як на рис.1.
Основними елементами параболічної антени є металевий відбивач (рефлектор) 1 що має форму однієї з параболічних поверхонь опромінювач з елементами кріплення 2 поміщений у фокусі такої поверхні і живлячий фідер 3 (см.рис.2). Параболоїд обертання збуджується слабонаправленим опромінювачем (наприклад рупором) поміщеним у фокусі і перетворює сферичний фронт хвилі в плоский. Опромінювач антени виконується так щоб майже вся випромінювана ним енергія прямувала у бік відбивача. Досягнувши відбивача електромагнітні хвилі порушують на його поверхні високочастотні струми які створюють свої електромагнітні поля. У параболічних антенах використовуються оптичні властивості радіохвиль. Геометричні властивості параболи такі що промені що направляються з фокусу і відбивані від параболи стають паралельними осі параболи (див.рис.3) так що довжина шляху від фокусу до параболи і потім до лінії розкриву параболи що проходить через краї однакова для будь-якого кута . Таким чином в розкриві параболічної антени утворюється синфазна поверхня і випромінювання антени виявляється гостронаправленим.
У декартовій системі координат параболоїд обертання визначається рівнянням (початок координат збігається з вершиною параболоїда) а в сферичній системі координат (початок координат збігається з фокусом параболоїда) – рівнянням
Діаметр розкриву параболоїда і його фокусна відстань зв'язані між собою співвідношенням
де - кут розкриву параболоїда (див.рис.2).
Вибір типа дзеркала опромінювача і тракту що доводить енергію до опромінювача.
Виходячи з технічного завдання можна зробити певний вибір щодо конструкції антени. По-перше робоча частота антени рівна 18ГГц . Отже як фідерний тракт переважно використовуватиме хвилевід.При цьому за попередньою оцінкою при заданій потужності генератора що живить антену буде забезпечена електрична міцність тракту. Тому як дзеркало слід вибрати параболоїд обертання. При цьому опромінювач антени повинен мати ДН у вигляді тіла обертання і можливість з'єднання з хвилеводним трактом. Хвилеводно-рупорний опромінювач щонайкраще підходить в даному випадку завдяки простоті конструкції відносній легкості отримання потрібної форми ДН і хорошої діапазонності. Найлегше забезпечити ДН однакову в обох площинах при опромінювачі у вигляді відкритого кінця круглого хвилеводу на кінці якого можливо буде потрібно конічний рупор. ншим варіантом отримання ДН опромінювача однаковим в обох площинах є застосування пірамідального рупора з ретельно підібраними розмірами сторін прямокутного розкриву. В даному випадку ніякого перехідника не буде потрібно. Але підбір таких розмірів є дуже важким завданням. По-друге необхідно забезпечити малий рівень бічних пелюсток . Дану вимогу реалізовуватимемо за допомогою вибору певного радіусу розкриву дзеркала антени який отримаємо в ході розрахунку. У результаті попередня конструкція антени матиме вигляд (див.рис.4).
Розрахунок опромінювача і його ДН.
Опромінювач дзеркальної антени є найважливішим її елементом що багато в чому визначає характеристики антени в цілому. Він повинен задовольняти наступним основним вимогам:
Мати ДН що забезпечує належне опромінення дзеркала і що має мінімальний рівень бічних пелюсток.
Мати мінімальні розміри.
Пропускати без пробою задану потужність.
Мати необхідну діапазонність.
Мати невелику вагу і достатню механічну міцність кріплень.
Забезпечувати необхідну стійкість до дії метеоумов і можливість повної герметизації фідерного тракту.
Виходячи з цих вимог визначатимемо конструкцію опромінювача. Вимоги 4 5 ми вже виконали вибравши фідерный тракт кінець якого є опромінювачем.
ДН відкритого кінця круглого хвилеводу або конічного рупора (якщо фазові помилки в розкриві рупора не дуже великі) приблизно розраховується по формулах:
де - коефіцієнт розповсюдження хвилі в хвилеводі - коефіцієнт віддзеркалення від відкритого кінця хвилеводу. На практиці приблизно визначають співвідношенням:
Використовуючи програмний пакет Mathcad 2001 Professional по приведених формулах побудував ДН для відкритого кінця круглого хвилеводу C 40 (рис.7).
Як видно з малюнка даний опромінювач має великий рівень бічних пелюсток і його ДН сильно відрізняється в Е- і Н-площинах тому такий опромінювач не підходить.
В даному випадку видно пряма необхідність в конічному рупорі. Використовуючи все ті ж формули методом підбору визначив такий радіус ррозкриву рупора при якому ДН має малий рівень бічних пелюсток трохи відрізняється в Е- і Н-плоськотях і досить широка (рис.8). При цьому використовувані формули не враховують фазових погрішностей в розкриві рупора. Ними можна нехтувати в тому випадку якщо при заданому довжина рупора значно більше (оптимальної довжини рупора). Таким чином підібравши можна стверджувати що розрахована ДН буде близька до реальної. Розміри оптимального рупора зв'язані співвідношенням :
Прийнявши знайдемо: .
В результаті вибираємо при цьому величина максимальної фазової помилки складе:
Для спрощення подальших обчислень вважатимемо що ДН рупора має форму тіла обертання і апроксимуємо її функцією :
дуже близька до розрахованих (див.рис.9). В цьому випадку коефіцієнт направленої дії (КНД) опромінювача рівний :
де - ступінь апроксимуючої функції.
У результаті розміри опромінювача матимуть значення показані на рис.10
Розрахунок розмірів дзеркала і ДН параболічної антени.
Розрахунок параболічної антени проводитимемо апертурним методом. Щільність потоку випромінювання в апертурі дорівнює щільності потоку випромінювання у відповідній крапці дзеркала оскільки між дзеркалом і апертурою промені паралельні. Тому по ДН опромінювача можна знайти нормований амплітудний розподіл в розкриві по наступних формулах (див.рис.3):
Зробимо додаткові перетворення:
Виразимо через (радіус дзеркала) і :
У результаті підставивши і отримаємо:
Тепер визначимося з . В цілях отримання кращих характеристик антени (малі розміри і собівартість більше посилення) знайдемо оптимальний кут розкриву при якому коефіцієнт використання поверхні (КП) а отже КВП максимальні. Прийнявши отримаємо по максимуму функції :
Використовуючи Mathcad побудував графік функції і по ньому визначив (рис.11) (дивю додаток 4.2).
Знаючи і задаючи значення можна знайти нормований розподіл амплітуди по розкриву яке потім апроксимується формулою:
Підібравши значення і ДН дзеркальної антени знаходять по формулі :
де - кутова змінна - лямбда-функції які просто пов'язані із звичайними функціями Бесселя:
Набравши всі необхідні формули в Mathcad (см.приложение 4.3) методом підбору знайшов таке при якому ширина головної пелюстки на рівні половинної потужності рівень бічних пелюсто к . При цьому прагнув добитися мінімальних розмірів дзеркала по економічних міркуваннях. В результаті отримав радіус дзеркала . При такому значенні нормований розподіл амплітуди по раозкриву показаний на рис.12. Підібравши значення і апроксимувавши його функцією (рис.12):
Як видно з рис.12 добре наближається до . Звідси отримуємо вираз для ДН антени:
Нормована ДН параболічної антени приведена на рис.13. Оскільки ДН опромінювача володіє симетрією обертання щодо осі дзеркала і дзеркалом є параболоїд обертання то ДН антени в Е- і Н-площинах будуть однаковими (рис.13).
По отриманій ДН знаходимо ширину головної пелюстки на рівні половинної потужності рівень бічних пелюсток :
Дані значення повністю задовольняють технічному завданню.
Фокусна відстань антени розраховується по формулі :
Оскільки ДН опромінювача має незначну задню пелюстку то коректування фокусної відстані проводити не будемо (хоча набутого значення фокусної відстані і так вийшло відповідним коректованому ).
Форма параболічного відбивача визначається вираженням:
У результаті отримуємо наступні розміри дзеркала (рис.14).
Розрахунок фідерного тракту.
Хвилевід який підходить до рупора через плавний перехід беремо із стандартизованого ряду.
Для частоти 1.8ГГц круглий хвилевід типу круглий хвилевід C 40 з діаметром D=101.99mm
Відносна смуга пропускання всієї параболічної антени повністю визначається діапазонностью фідерного тракту і опромінювача в нашому випадку вибраним хвилеводом. При цьому круглий хвилевід матиме визначальне значення оскільки він володіє найменшою диапазонностью
) Розрахунок ДН опромінювача
) Розрахунок ДН параболіічної антени
В даній курсовій роботі було розроблено параболічну антену. Було встановлено що в залежності від опромінювача антена може працювати для різних поляризацій. Розрахувані геометричні розміри антени показалищо геометрія впливає на електричні властивості антени. Оскільки в технічному завданні було задано лише коефіцієнт напрямленої діїто на ширину діаграми спрямованості великої уваги не надавалось. Коефіцієнит корисної дій даної антени досить високий близько 80% . Рівень бічних пелюсток в розрахованій антені не перевищують норми.
Використана література:
Жук М.С. Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. –М.: «Энергия» 1966.-648с.: ил.
Фельдштейн А.Л. Явич Л.Р. Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. - 2-е изд. перераб. и доп. –М.: Советское радио 1967. -652с.: ил.
Марков Г.Т. Сазонов Д.М. Антенны. Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. –М.: «Энергия» 1975.-528с.: ил.
Сазонов Д.М. и др. Устройства СВЧ: учеб. пособие под ред. Д.М.Сазонова. –М.: Высш. Школа 1981.-295с.: ил.
Кюн Р. Микроволновые антенны. перевод с немецкого Табарина В.И. и Лабецкого Э.В. под ред. Долуханова М.П. –Л.: «Судостроение» 1967.-518с.: ил.
Дорохов А.П. Расчёт и конструирование антенно-фидерных устройств.