МАЛОШУМЯЩИЕ ОДНОЗЕРКАЛЬНЫЕ ПАРАБОЛИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ

Содержание
Техническое задание 2
Содержание 3
Введение 4
1 Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя и параболоида:
a) выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта; 5
b) определение диаметра раскрыва; 5
c) аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида
cosn/2; 6
d) определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны. 6
2 Расчет геометрических и электродинамических характеристик поля:
a) диаграммы направленности облучателя; 8
b) распределение поля в апертуре зеркала. 9
3 Расчет пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны. 10
4 Конструктивный расчет антенны:
a) расчет профиля зеркала; 12
b) выбор конструкции зеркала; 13
c) определение допусков на точность изготовления. 14
Выводы 15
Список литературы 17
Приложение А 18
ВВЕДЕНИЕ
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:
a) ВЫБОР ФИДЕРА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ФИДЕРНОГО ТРАКТА
В качестве фидера будем использовать прямоугольный волновод для частоты f = 5 ГГц ([1], приложение А):
a x b = 4.0 x 2.0 (см);
 = 0.0431 (дБ/м).
Шумовая температура фидерного тракта Тафу определяется по формуле:
,где α – коэффициент затухания линии передачи [дБ/м],
lф – длина фидерной линии [м].
КПД определяется по формуле:
b) 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
0.5 – ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности, рад.;
 - длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;
R0 – радиус раскрыва зеркала (рисунок 1).
Длина волны определяется по формуле:
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
Е0.5, Н0.5 ширина ДН соответственно в плоскостях Е и Н.
Для Е и Н плоскостей соответственно найдем радиус раскрыва:
Т. к. в курсовой имеются данные 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 = 0,476(м).
dp = 2  R0 = 2  0,476 = 0,952 (м)
c) АППРОКСИМАЦИЯ АНАЛИТИЧЕСКОГО ВИДА ДН ОБЛУЧАТЕЛЯ ФУНКЦИЕЙ ВИДА COSn/2
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()=cosn2(), где n определяет степень вытянутости ДН облучателя). Для облучателя в виде пирамидального рупора n = 6 ([1], таблица 4.1).
d) ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА РАСКРЫВА И ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ
С точки зрения оптимизации геометрии антенны по максимальному отношению сигналшум необходимо произвести следующий расчет.
Чувствительность  определяется по формуле:
Где первые четыре коэффициента не зависят от о, а ' вычисляется:
, где
Т1 = Тпр + Т0  (1 - η) + η  Тнср = 1500  290  (1 – 0.871) + 0.871  5 = 1542 К
То = 290 К;
u = (0.02 – 0.03) – коэффициент, учитывающий «переливание» части мощности облучателя через края зеркала;
u = 0.025;
S = π  R2 = 3.14  0,476 = 0,712 м2, площадь апертуры зеркала;
n = 6 – определяется типом облучателя;
1 = 1 - cosn+10;
σа/2R = 0.4  10-4 – точность профиля зеркала.
Построим график функции γ`(0), по максимуму которого определим угол раскрыва зеркала.
График 1 – График функции γ`(0)
0 = 0.82 (рад) = 46,983  1 = 0,931, g = 0,877, ` = 5,21610 –4.
Фокусное расстояние f может быть найдено из следующего соотношения:
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 = (0.8÷1.0). Расчетное отношение R0/f0 = 0.89, что удовлетворяет условию.
Определим шумовую температуру антенной системы:
2 РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛЯ:
a) ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ОБЛУЧАТЕЛЯ
Расчет сводиться к определению геометрических размеров облучателя, при которых уменьшение амплитуды поля на краю раскрыва зеркала происходит до одной трети амплитуды поля в центре раскрыва, и диаграммы направленности облучателя.
Рисунок 3 – открытый конец прямоугольного волновода
ДН рупорной антенны рассчитываются по формулам:
в Е плоскости
в Н плоскости , где
β0 = 2π/λ – волновое число
-аппроксимация аналитического вида ДН облучателя
Т.к. Ro-радиус раскрыва зеркала, был вычислен по приблизительной формуле он не удовлетворяет вычислениям, вследствие чего я выбрал Ro=0,407 (м) удовлетворяющий дальнейшим вычислениям.
dp = 2  R0 = 2  0,407= 814 (м);
S = π  R2 = 3.14  0,407 = 1,52 м2, площадь апертуры зеркала;

График 2– ДН облучателя (открытый конец прямоугольного волновода)
b) РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЯ В АПЕРТУРЕ ЗЕРКАЛА
Расчет распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам:
, где
F0() – диаграмма направленности облучателя, 0 – угол раскрыва,  - текущий угол.
, где
f0 – фокусное расстояние.
График 3 – Распределение поля в апертуре зеркала
В данном случае 0 – текущий угол, а  - сдвиг фаз между токами.
3 РАСЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ
Инженерный расчёт пространственной диаграммы направленности ДН параболической антенны часто сводится к определению ДН идеальной круглой синфазной площадки с неравномерным распределением напряжённости возбуждающего поля. В данном случае распределение напряжённости возбуждающего поля в основном определяется ДН облучателя в соответствующей плоскости. Выражение для нормированной ДН зеркальной параболической антенны при этом имеет вид:
, где J1, J2 – цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка.
, где
Екр, Емах – амплитуды поля на краю и в центре раскрыва.
Коэффициент, показывающий во сколько раз амплитуда возбуждающего поля, на краю раскрыва меньше амплитуды в центре раскрыва в соответствующей плоскости с учётом различий расстояний от облучателя до центра зеркала и до края зеркала;
Построим ДН зеркальной параболической антенны:
a) для плоскости Н.....