Расчет антенны для земной станции спутниковой системы связи (ЗССС)
Работа из раздела: «
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника»
/
1
/
Курсовая работа
Расчет антенны для земной станции спутниковой системы связи (ЗССС)
Введение
Зеркальные антенны являются наиболее распространёнными остронаправленными антеннами. Их широкое применение в самых разнообразных радиосистемах объясняется простотой конструкции, возможностью получения разнообразных видов диаграмм направленности (ДН), высоким коэффициентом полезного действия (КПД), малой шумовой температурой, хорошими диапазонными свойствами и т.д. В радиолокационных применениях зеркальные антенны позволяют легко получить равносигнальную зону, допускают одновременное формирование нескольких ДН общим зеркалом (в том числе суммарных и разностных). Некоторые типы зеркальных антенн могут обеспечивать достаточно быстрое качание луча в значительном угловом секторе. Зеркальные антенны являются наиболее распространённым типом антенн в космической связи и гигантские антенные сооружения с эффективной поверхностью раскрыва, измеряемой тысячами квадратных метров.
Схема Кассегрена предложена в 1672 г. для построения оптических телескопов. Эта схема может быть взята за основу при построении антенных устройств в диапазоне СВЧ при достаточно большом отношении диаметра раскрыва антенны к длине волны.
Двухзеркальная антенна по схеме Кассегрена представляет собой систему, состоящую из двух отражающих поверхностей софокусных параболоида и гиперболоида и облучателя, установленного во втором фокусе гиперболоида. Все расстояния по ломаной линии от фокуса до раскрыва одинаковы, что обеспечивает синфазность поля в раскрыве. Двухзеркальная антенна является более компактной, чем однозеркальная, и обеспечивает более равномерное распределение возбуждения по раскрыву, а также является более помехозащищённой, даёт возможность укоротить тракт СВЧ, и разместить основную часть конструкции облучателя за зеркалом, что особенно удобно в моноимпульсных радиолокаторах. При оптимизации размеров облучателя и малого зеркала удаётся получить КИП (0,60-=-0,65). Недостаток системы затенение раскрыва малым её зеркалом, а также обратная реакция малого зеркала на облучатель.
В классических схемах Кассегрена используется следующее геометрооптическое свойство отражения сферической волны от поверхностей второго порядка: сферическая волна, излучаемая источником с фазовым центром, совпадающим с одним из фокусов произвольной поверхности второго порядка, в результате переотражения от нее преобразуется снова в сферическую волну, но с фазовым центром, совпадающим с другим фокусом.
Антенны Кассегрена широко используются в области радиорелейной и космической связи, в радиоастрономии, радиоуправлении, радиолокации и т.д.
1. Общий анализ и сравнительная характеристика антенн
В последнее десятилетие в области космической и радиорелейной связи, радиоастрономии и других областях широкое распространение получили двухзеркальные антенны (ДЗА).
Основными достоинствами осесимметричных ДЗА по сравнению с однозеркальными являются:
1. Улучшение электрических характеристик, в частности повышение коэффициента использования поверхности раскрыва антенны, так как наличие второго зеркала облегчает оптимизацию распределения амплитуд по поверхности основного зеркала.
2. Конструктивные удобства, в частности упрощение подводки системы фидерного питания к излучателю.
3. Уменьшение длины волноводных трактов между приемо-передающим устройством и облучателем, например, путем размещения приемного устройства, вблизи вершины основного зеркала.
Вместе с тем ДЗА свойственны следующие недостатки:
1. высокая степень затенения излучающего раскрыва, особенно для антенн с малым электрическим размером раскрыва, то есть характеризуемым сравнительно малым значением DA,;
2. высокий уровень боковых лепестков по угловым направлениям, примыкающим к направлению главного излучения;
3. значительно более серьезные трудности в конструировании квазичастотно независимых облучателей антенны по сравнению с однозеркальной схемой;
4. большие физические размеры облучателя;
Принцип действия ДЗА заключается в преобразовании сферического волнового фронта электромагнитной волны, излучаемой источником, в плоский волновой фронт в раскрыве антенны в результате последовательного переотражения от двух зеркал: вспомогательного и основного с соответствующими профилями.
Одним из наиболее распространенных вариантов исполнения двухзеркальной антенны является антенна типа Кассегрена, содержащая параболоидное основное зеркало, облучатель и вспомогательное зеркало (контррефлектор), представляющее собой часть поверхности в виде гиперболоида вращения (рисунок 1.1).
Принцип действия двухзеркальных антенн заключается в преобразовании сферического волнового фронта электромагнитной волны, излучаемой источником, в плоский волновой фронт в раскрыве антенны в результате последовательного переотрожения от двух зеркал: вспомогательного и основного с соответствующими профилями.
Рисунок 1.1 - Антенна типа Кассегрена
2. Электрический и конструктивный расчет характеристик антенны
2.1 Расчет электрических характеристик антенны
К основным энергетическим характеристикам антенны относят коэффициент усиления и коэффициент направленного действия. Коэффициент усиления передатчика можно определить по формуле:
.
дБ
Таким образом, получен коэффициент усиления передатчика в дБ. Для того, чтобы выразить его в разах необходимо использовать математическое определение децибела, и выразить соотношение:
раз.
Коэффициент направленного действия (КНД) определяется как отношение коэффициента усиления к КПД, который обозначен в техническом задании (КПД=0,87). Тогда КНД определиться:
, тогда:
2.2 Расчет радиуса раскрыва большого зеркала
В предварительных расчетах радиус раскрыва вычисляется без учета площади затенения. Для определения предварительного радиуса раскрыва (R0') используется следующее соотношение:
,
где КИП принимается равным 0,6 в соответствии с техническим заданием;
л - длина волны излучателя:
.
Исходя из приведенных соотношений, можно выразить площадь раскрыва антенны и определить радиус предварительного раскрыва антенны:
Как известно площадь окружности определяется по формуле:
.
В результате получим выражении для определении предварительного радиуса раскрыва антенны:
.
Теперь можно рассчитать диаметры большого и малого зеркал:
,
.
При этом диаметр малого зеркала определяется в соответствии с рекомендациями:
,
.
В дальнейшем анализе необходимо учитывать площадь затенения, иными словами определить площадь малого зеркала, и соответственно вычислить радиус раскрыва с учетом этой площади. Площадь тени определяется так:
,
где , тогда
.
В итоге необходимо проверить соотношение . Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что условие удовлетворено:
.
антенна спутниковый облучатель
Дальнейший расчет основан на выборе угла раскрыва (Ш0) и угла облучения (ц2), подбираемых в установленных пределах:
Ш0 = 1000…1050, примем Ш0 = 1030;
ц2 = 400…410, примем ц2 = 400.
2.3 Расчет эксцентриситета малого зеркала гиперболы, фокусных расстояний зеркал и диаметра облучателя
антенна облучатель эксцентриситет зеркало
Эксцентриситет малого зеркала гиперболы возможно найти аналитическим способом и графическим. Аналитически эксцентриситет определяется по формуле:
, >.
Графически эксцентриситет определяется с помощью семейства установленных зависимостей значения эксцентриситета образующей гиперболы от набора углов (Ш0) и (ц2) для различных схем антенных излучателей, представленных на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 - Зависимость эксцентриситета от углов (Ш0) и (ц2)
Из графика, представленного на рисунке 2.1, видно, что при углах Ш0 = 1030 и ц2 = 400 значение эксцентриситета близко к полученному при аналитических вычислениях результату: е?1,81.
При дальнейших расчетах необходимо определить фокусное расстояние большого (F) и малого (f) зеркал. Это можно сделать, используя следующее соотношение:
;
Тогда:
Из приведенного выше соотношения можно определить Fэ так:
,
.
Теперь можно рассчитать фокусное расстояние малого зеркала, при этом формула для его определения выглядит следующим образом:
;
Как известно, разность расстояний от фокусов до произвольной точки на поверхности гиперболоида постоянна, т.е. , где 2а - это расстояние между его вершинами. Расстояние между двумя фокусами гиперболоида . При этом эксцентриситет образующей гиперболы равен .
Наглядно расстояния 2а и 2С представлены на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2. графическое представление расстояний 2С и2а
Теперь можно отыскать численные значения расстояний 2С и 2а. Для этого используются следующие выражения:
;
;
Для состоятельности полученныхзначений необходимо выполнение условия: . Подставляя числовые значения, получим:
. Т.е. расстояния рассчитаны правильно.
На завершающем этапе расчета данного раздела необходимо определить диаметр облучателя по формуле:
.
Тогда диаметр облучателя можно определить так:
;
.
При этом необходимо выполнить условие .
2.4 Расчет профилей большого и малого зеркал
Данный расчет производится на основе известных выражений для как для большого зеркала гиперболоида, так и для контррефлектора. Эти выражения выглядят следующим образом:
, и
Для упрощения алгоритма вычислений в курсовой работе данный расчет производится в программе AGRAP205 в полярных координатах при изменении значений угла ш в следующих пределах (-ш0; ш0).
Рассчитанные профили приведены в полярных координатах на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 - Профили большого и малого зеркал
2.5 Расчет диаграммы направленности облучателя
Из всего многообразия типов и видов облучателей наиболее предпочтительными для нашего проекта является круглый волновод с переходом в конический рупор. Задача состоит в определении и графическом отображении главного бокового лепестка конического рупора. Используя этот лепесток необходимо убедиться, что ширина ДН облучателя уложена в угол ц2. рисунок 2.4 содержит данные для определения главного лепестка. на нем указаны углы и с осью рупора ,соответствующего различным уровням главного лепестка.
Рисунок 2.4
Для того чтобы построить ДН облучателя нужно работать по следующему алгоритму (согласно рис 2.4) на оси абсцисс откладываем полученное значений отношения , затем, проведя нормаль к оси рупора, получаем значения углов. Как видно из графиков, ширина ДН облучателя имеет малое значение.
Рассчитаем ДН в Е- плоскости и Н- плоскости, соответственно по следующим формулам:
, где ,
Графическое представление диаграмм направленности облучателя изображено ниже. При этом можно увидеть, что в обеих плоскостях ширина главного лепестка уложена в угол ц2=410.
Рисунок 2.5. Диаграмма направленности облучателя в Е-плоскости и Н-плоскости
2.6 Расчет амплитудного распределения в раскрыве зеркала антенны
Распределение амплитуд в раскрыве зеркала антенны определяется по формуле:
,
где - коэффициент пересчета, определяемый соотношением:
.
Изменяя пределы угла Ш от 0 до Ш0 получим значения с(Ш).
Для того, чтобы построить амплитудное распределение с учетом облучателя мы должны пересчитать Fобл(и) к зависимости от угла Ш. Данное преобразование целесообразно выполнить с использованием следующей формулы:
.
Тогда: .
Максимум распределения амплитуд найдется так:
.
По результатам расчетов получим значение =0,4468.
Следующим элементом расчета является выбор аппроксимирующее амплитудное распределение. Задача состоит в том, чтобы из всех амплитудных распределений выбрать то, которое удовлетворяет требованиям к диаграмме направленности зеркальной антенны, то есть имеет максимальный КИП и минимальный УПБЛ.
Выбираем следующее амплитудное распределение:
.
Формула перерасчета расстояния в градусы имеет вид:
.
По результатам вышеприведенных вычислений построим графики зависимости и - истинное и аппроксимирующее амплитудные распределения в наложении и представим их на рисунке 2.6.
Рисунок 2.6 -Истинное и аппроксимирующее амплитудные распределения в наложении
3. Расчет диаграммы направленности антенны
Поле излучения,
Задавшись амплитудным распределением в раскрыве антенны, можно рассчитать диаграмму направленности антенны. Для выбранного амплитудного распределения диаграмму направленности антенны можно найти по формуле:
, где
В результате математических преобразований и уточнений по приведенным формулам можно построить диаграмму направленности антенны, представленную на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 - Диаграмма направленности антенны
По диаграмме направленности антенны можно определить:
· ширину главного лепестка 2и0,5=0,80;
· положение первого нуля ?101/;
· уровень первого бокового лепестка = -34,425 дБ.
Заключение
В ходе курсового проектирования была спроектирована антенна для Земной станции спутниковой системы связи. Для этого был произведен расчет электрических и конструктивных параметров антенны ЗССС.
В результате расчета получили параметры антенны, соответствующие параметрам, заданным техническим заданием. При проектировании были успешно применены элементы программирования в программе MathCAD и отображены схемы двухзеркальной антенны, собранной по схеме Кассегрена.
Список литературы
Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н., Антенны УКВ. - М.: Связь, 1971. В 2-х частях.
Конарейкин Д.Б., Потехин В.Л., Шишкин И.Ф. Морская поляриметрия. - Л.: Судостроение, 1968. - 328 с.
Лавров А.С., Резников Г.Б. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов. - М.: Советское радио, 1974. - 368 с.
Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Учебное пособие для вузов. / Под ред. профессора Воскресенского Д.И. - М.: Советское радио, 1972. - 320 с.
