Курсовая: Проектування дзеркальної антени НВЧ

Міністерство освіти і науки України Вінницький національний технічний університет Інститут радіотехніки, зв’язку і приладобудування Факультет радіотехніки і телекомунікацій Кафедра радіотехніки

Розрахунок дзеркальної антени

Курсова робота

з дисципліни „Пристрої НВЧ і антени” 08-17.00_.000.00. ПЗ Керівник доц., к.т.н. В.В. Чернига “_____”____________200__р. Студент гр. “_____”____________200__р. Вінниця ВНТУ 200_

Зміст

Технічне завдання..................................................................... ...... Перелік скорочень.................................................................... ....... Вступ........................................................................ ......................... Розрахунок дзеркальної антени...................................................... 1. Вибір опромінювача і його розрахунок..................................... 1.1. Обгрунтування вибору опромінювача і його ДС................... 1.2. Коефіцієнт спрямованої дії опромінювача............................. 1.3. Середня довжина хвилі діапазону........................................... 2. Розрахунок параболоїда............................................................... 2.1. Кут розкриву дзеркала.............................................................. 2.2. Діаметр антени....................................................................... .... 2.3. Фокусна відстань..................................................................... .. 2.4. Профіль параболи..................................................................... . 2.5. Поле в розкриві антени............................................................. 2.6. Діаграма спрямованості антени............................................... 2.7. Коефіцієнт використання поверхні......................................... 2.8. Коефіцієнт корисної дії............................................................ 2.9. Коефіцієнт спрямованої дії...................................................... 2.10. Коефіцієнт підсилення............................................................ 3. Коефіцієнт стійної хвилі в фідері............................................... Висновки..................................................................... ...................... Список використаних джерел......................................................... Додаток...................................................................... ....................... Технічне завдання Виконати розрахунок дзеркальної антени. Робочий діапазон частот: FН =1,9ГГц, FВ =2,1 ГГц; Ширина діаграми спрямованості: 2Θ0,5 =8˚; Поляризація горизонтальна; Потужність, яка підводиться до антени: Р=5 Вт; КСТU в фідері не більше 1,5; Рівень збудження на краю розкриву становить 10 дБ відносно середини розкриву; Розробити конструкцію антени.

Перелік скорочень

АФП – антенно-фідерний пристрій; ДС – діаграма спрямованості; КВП – коефіцієнт використання поверхні; ККД – коефіцієнт корисної дії; КСД – коефіцієнт спрямованої дії; КСТU – коефіцієнт стійної хвилі; ТЗ – технічне завдання. Вступ Найбільш поширеними гостроспрямованими антенами є дзеркальні параболічні антени. Їх широке застосування в самих різноманітних радіосистемах пояснюється простотою конструкції, можливістю отримання різних видів ДС, високим ККД, діапазонними властивостями та ін. Дзеркальними називаються антени у котрих поле в розриві формується в результаті відбиття електромагнітної хвилі від металевої поверхні спеціального рефлектора (дзеркала). Джерелом електромагнітних хвиль зазвичай є елементарна антена, що називається опромінювачем. Саме дзеркало і опромінювач є основним елементом антени. 1 - дзеркало; 2 - опромінювач; 3 - сферичний фронт хвилі опромінювача; 4 - плоский фронт хвилі, відбитої від дзеркала, 5-діаграма спрямованості опромінювача; 6 - діаграма спрямованості дзеркала. Рисунок 1. Принцип дії дзеркальної антени. Принцип дії найпростішої дзеркальної антени ілюструється на рис. 1. Точковий опромінювач (наприклад, маленький рупор), розташований у фокусі параболоїда, створює в поверхні дзеркала сферичну хвилю. Дзеркало перетворює її в плоску, тобто розбіжний пучок променів перетвориться в рівнобіжний, чим і досягається формування гострої діаграми спрямованості. Зміщення опромінювача в напрямку, перпендикулярному оптичній осі дзеркала, супроводжує відхилення напрямку головного максимуму випромінювання в бік, протилежний зміщенню опромінювача. Якщо обертати опромінювач навколо осі антени, то головний пелюсток буде також повертатися. Таким чином можна утворити рівносигнальну зону навколо осі антени з одночасним формуванням декількох ДС спільним дзеркалом (в тому числі сумарних і різницевих). Можна створити пристрій, який при відхиленні цілі від рівносигнальної зони буде виробляти сигнал похибки. Цей сигнал буде діяти на обертальний механізм і автоматично поверне антену так, щоб ціль знаходилась весь час в рівносигнальній зоні, а сигнал похибки дорівнював нулю. Таким чином можна забезпечити автоматичне слідкування за ціллю. Дзеркальні антени мають гостру діаграму спрямованості, саме тому вони застосовуються в радіолокації, радіоастрономії і космічному радіозв’язку. На сучасному етапі ці антени стрімко розвиваються. Чимало різних фірм випускає такі антени, деякі з них показані на рис. 2. Рисунок 2. Супутникові антени, що випускаються промисловістю. Дзеркало і опромінювач являються основними елементами дзеркальних антен. Дзеркало зазвичай виготовляється із алюмінієвих сплавів. Поверхні дзеркала надається форма, що забезпечує формування потрібної ДС. Іноді для зменшення парусності і ваги дзеркало виготовляють не суцільним, а решітчастим. Для такого дзеркала доля просо чуваної крізь неї потужності, яка йде на утворення небажаного заднього випромінювання, не повинна перевищувати 0,01–0,02 %. Тому решітка повинна бути достатньо густою. Класичними серед параболічних антен є антени, виконані в виді параболоїда обертання або параболічного циліндра. Дзеркала цих антен перетворюють сферичну чи циліндричну хвилю опромінювача в плоску хвилю при передачі, і навпаки при прийомі. Опромінювач, відповідно, розміщують в фокусі параболоїда чи вздовж фокальної лінії циліндричного дзеркала. Поряд з одно дзеркальними антенами застосовуються і двох дзеркальні параболічні антени, які позволяють утворити більш компактну конструкцію. В дводзеркальних антенах існує більше можливостей для регулювання розподілення поля в розкриві основного дзеркала за рахунок зміни профілю допоміжного дзеркала, а також ряд інших переваг. Складний каркас дзеркала антени, який вміщує складальне ферментне кільце міцності і концентричні кільця із стержнів та гнучких зв’язків, розташованих навколо осі симетрії каркасу, який відрізняється тим, що з метою зменшення маси і підвищення надійності розкриву в кожному концентричному кільці кінці двох сусідніх стержнів з’єднані між собою паралельними гнучкими зв’язками, наприклад стальними канатами, обидва кінці кожного стержня з’єднані гнучкими зв’язками з нижніми кінцями двох сусідніх стержнів наступного кільця більшого діаметру, а обидва кінці кожного стержня зовнішнього концентричного кільця з’єднані гнучкими зв’язками зі складальним ферментним кільцем міцності. Пристрій для виготовлення дзеркала антени, який складається з планшайби, що має механізм обертання та оправлення, виконаної в вигляді осесиметричного випуклого тіла обертання і встановленої співосно планшайбі, притиску для закріплення заготовки дзеркала антени на осі оправлення, роликового давильника з радіусною крайкою, встановленого в супорті, що має поперечний і подовжній щодо осі планшайби механізми переміщення, шаблона, робоча крайка якого виконана ввігнутою, закріпленого перпендикулярно осі оправлення, і слідкуючого механізму, що включає датчик лінійних переміщень, кінематично зв'язаний із суппортом в контактуючий своїм наконечником з робочою крайкою шаблона, і підсилювач, зв'язаний з механізмами поперечного і подовжнього переміщень супорта, відрізняючогося тим, що, з метою підвищення точності і спрощення технології, наконечник датчика лінійних переміщень виконаний загостреним, а профіль робочої крайки шаблона виконаний по формулі у =f (х2) r (1/ соs α – 1), де х — координата по осі, перпендикулярній осі оправлення; у — координата по осі, що збігається з віссю опрапки; г — радіус кривизни радіусної крайки роликового давильника в діаметральному перетині; α — кут нахилу нормалі в точці торкання роликового давильника до осі оправлення. На радіусній крайці роликового давильника в його діаметральних перетинах виконано n пазів, глибина, ширина і крок яких визначені з пластичних властивостей і товщини матеріалу заготовки. 1. Вибір опромінювача і його розрахунок. 1.1. Обгрунтування вибору опромінювача і його ДС. Дзеркальні параболічні антени збуджуються в основному напівхвилевим вібратором з рефлектором або невеликим рупором, які розташовуються в фокусі параболоїда. Опромінювач являється слабо направленою антеною і вирішує наступні задачі: а) формування сферичного або циліндричного фронту хвилі; б) забезпечення заданого амплітудного розподілення поля в розкриві дзеркала. За рахунок властивостей параболи, сферична хвиля в розкриві параболоїда перетворюється в плоску, а широка ДС випромінювача – у вузьку ДС відбивача [2]. В якості опромінювала дзеркальної антени виберемо напівхвилевий вібратор з дисковим рефлектором. По методу підводу енергії використаємо живлення коаксіальним фідером. Такий опромінювач є типовим для багатьох практичних задач і має нескладну конструкцію (рис. 3). Взаємне розташування опромінювача і параболи показано на рис. 4. λ–робоча довжина хвилі; ψо– кут розкриву; F – фокусна відстань. Рисунок 3 – Вібратор з дисковим Рисунок 4– Розміщення опромінювача . рефлектором. відносно параболи. ДС вібратора без рефлектора має два пелюстки в площині осі з максимами в протилежних напрямках [1]. Для створення однонаправленого випромінювання використовують пасивний рефлектор. Застосування дискового рефлектора забезпечує створення ДС з майже осьовою симетрією, тобто F(ψ,ξ) = F(ψ) (ψ,ξ – полярні кути). Для створення одно направленої ДС вібратор розміщують на відстані приблизно 0,25λ відносно вібратора. Електромагнітна хвиля відбивається від рефлектора зі зсувом фази на 180° і так як проходить лишній проміжок шляху, довжиною в півхвилі (від вібратора до рефлектора і назад), складується в фазі з хвилею, що поширюється від вібратора. Таким чином, напруженість поля в бік рефлектора майже дорівнює нулю, а в протилежному напрямку – подвоюється. В результаті створюється ДС з одним максимумом в напрямку, перпендикулярному площині рефлектора. Нормована ДС напівхвилевого вібратора з дисковим рефлектором для кутів 0≤ψ≤π/2 в першому наближенні може бути апроксимована формулою: F(ψ) = соs2 (ψ). 1.2. Коефіцієнт спрямованої дії опромінювача. КСД антен визначається відносно ізотропного випромінювача і в загальному випадку описується виразом: D = , де PΣ0 – потужність випромінювання неспрямованої антени; PΣ – потужність випромінювання спрямованої антени. КСД симетричного вібратора розраховується по формулі:

D = (1 - cos kl),

де k = – хвилеве число;

l – довжина плеча вібратора;

λ – довжина робочої хвилі;

RΣП – опір випромінювання вібратора,

віднесений до струму пучності.

Для напівхвилевого вібратора, в якого: RΣП = 73,1 Ом (довідкова література [2]); 2l = l/2; l = l/4; cos kl = cos = cos = 0; D = = » 1,64. При застосуванні дискового рефлектора опір випромінювання напівхвиле-вого вібратора дещо зміниться [2]: RåC = RΣП + RВЗ, де RВЗ – взаємний опір вібратора і рефлектора. З таблиці IV.1 [2] для h = 0 i d = 0,5 (h –висота підняття рефлектора відносно вібратора; d – відстань між ними) знаходимо: RВЗ = -12,7. Оскільки струми вібратора і його дзеркального зображення протифазні (відстань між ними 0,5l), тоді перед другим доданком буде знак ”–“ : RåC = RΣП – RВЗ RåC = 73,1 ­­­­– (–12,7) = 73,1 + 12,7 = 85,8 Ом Результуючий КСД опромінювача Dопр перераховується за формулою: Dопр = , де m – відношення амплітуд струмів вібратора і рефлектора. У пасивного рефлектора m » 1, тоді: Dопр = , Dопр = = 1,397 » 1,4. 1.3. Середня довжина хвилі діапазону. Дзеркальні антени можуть використовуватися для роботи як на фіксованій частоті так і у діапазоні частот. При використанні дзеркальної антени у діапазоні частот, розрахунок ведеться на середній довжині хвилі робочого діапазону λс [3]. Середня довжина хвилі λс відповідає середній частоті fс , яку можна знайти як середнє арифметичне між граничними частотами діапазону 1,9.2,1 ГГц: fс = , де fmin = 1,9 ГГц – мінімальне значення частоти в робочому діапазоні; f max = 2,1 ГГц – максимальне значення частоти в робочому діапазоні. fс = 2 ГГц. Середня довжина хвилі λс пов′зана з частотою fс співвідношенням: λс = , де с = 3·108 – швидкість світла; λс = 0,15 = 150 мм. λmin = 0,143 = 143 мм; λmax = 0,158 = 158 мм. 2. Розрахунок параболоїда. 2.1. Кут розкриву дзеркала. Для зменшення електромагнітної енергії, що виходить за межі дзеркала, а також для зниження рівня бокових пелюстків ДС параболи, збуджуюче поле в розкриві дзеркала розподіляють так, щоб амплітуда поля спадала від центру до його країв [4]. Забезпечивши рівень збудження на краю розкриву дзеркала рівним 10 дБ (ТЗ), знайдемо кут розкриву ψ0 з рівності: F(1) = F(ψ0), де F(1) – нормоване значення амплітуди поля на краю дзеркала; F(ψ0) – значення нормованої ДС опромінювача для кута ψ0. 2·F(1) = (1+cos ψ0)·F(ψ0), 2·F(1) = F(ψ0) + F(ψ0)·cos ψ0, F(ψ0)·cos ψ0 + F(ψ0) – 2·F(1) = 0 Підставивши: F(1) = = 0,316 (умова ТЗ, 10 дБ=3,16); F(ψ0) = cos2 ψ0 (ДС опромінювача) Отримаємо: cos3 ψ0 + cos2 ψ0 – 2·0,316 = 0 сos3 ψ0*cos2 ψ0 – 0,632 = 0 ψ0 = 0,897 В градусах: ψ0 = = 51,4о 2.2. Діаметр антени. Для знаходження діаметру параболоїда 2R0 врахуємо закон розподілення амплітуди поля в розкриві [2], який в першому наближенні має вигляд: Еs = E0×(1- R2)2, R = , де E0 – амплітуда напруженості поля в центрі параболи; ρ - хвилевий опір. Тому рівність для знаходження діаметру 2R0 наступна: 2R0 = , де λс = 150 мм – середня довжина хвилі; 2θ0,5 = 8о – ширина ДС антени. 2R0 = 1,575м. 2.3. Фокусна відстань. Оптимальну фокусну відстань параболоїда F, яка забезпечує при заданому діаметрі розкриву 2R0 і даній ДС опромінювача найбільше значення КСД антени знаходимо з рівності: ; , де R0 = 0,788(м) – радіус параболи; ψ0 = 0,897(рад) – кут розкриву м. 2.4. Профіль параболи. Рівняння параболи в Декартовій системі координат при орієнтації головної вісі (максимум випромінювання) вздовж осі ОУ має вигляд: z2 + x2 = 4*F*y де F = 0,819 м – фокусна відстань параболоїда. Для побудови профілю параболи в площині ХОУ виключимо складову z: z=0; x2 = 4F·y; y = x2 / 4F; y = x2 / 4*0,819 = x2 / 3,276. Використовуючи спеціалізовану програму для побудови графічних зображень “Advanced grapher” будуємо профіль параболи (рис. 5): Рисунок 5 – Профіль параболи. 2.5. Поле в розкриві антени. Поле в розкриві дзеркала можна знайти апертурним методом. Для зручності розрахунків введемо нормовану координату точки в розкриві дзеркала R´(рис. 6): R′ = , F(R´) = F(); де R0 – радіус параболи; F() = cos2 () – ДС опромінювача. Тоді поле в розкриві знаходиться: F(R´) === = Рисунок 6 – Поле в розкриві дзеркала. Для спрощення наступних розрахунків знайдене значення апроксимуємо інтерполяційним поліномом: Q(R′) = Цей поліном добре апроксимує фактичне розподілення поля в розкриві параболоїда [2]. Розрахунки показують, що в багатьох випадках можна обмежитися трьома членами поліному і відносна похибка при цьому буде не більше 1-2 %. В такому разі поліном має вигляд: Q(R′) = a0+a1(1-R′2)+ a2(1-R′2)2 Тут в якості вузлів інтерполяції взяті точки в центрі розкриву дзеркала (R ′=0; ψ=0), на краю дзеркала (R′=1; ψ =ψ0) і приблизно по середині ( =0,5; =0,5 ). Тоді коефіцієнти цього полінома будуть визначатися системою рівнянь: F(R´) = ; ; 0,316+(0,684-a2)·(1-0,52)+a2·(1-0,52)2=0,772 0,316+(0,684-a2)·(1-0,25)+a2·(1-0,25)2=0,772 0,316+0,684-0,171-a2+0,25a2+0,5625a2=0,772 0,829-0,1875a2=0,772 0,057=0,1875a2 a2=0,304 a1=0,684-0,304=0,38 Отже, коефіцієнти полінома: a0=0,316; a1=0,38; a2=0,304. 2.6. Діаграма спрямованості антени. Для визначення поля випромінювання параболічного дзеркала зауважимо, що розкрив дзеркала представляє собою плоску круглу площадку. Поле на площадці має лінійну поляризацію, фаза поля в межах площадки незмінна, а розподілення амплітуди описується поліномом Q(R′) [2]. Якщо обмежитися трьома членами полінома, то нормована ДС дзеркала будується згідно виразу: F(θ) = де – лямбда-функція n-го порядку; – аргумент функції; – хвильове число; Ro=0,788 м – радіус параболоїда. Знайдемо аргумент u і ДС антени для середньої довжини хвилі робочого діапазону: λс=150 мм; k = =41,89; u =41,89·0,788 sin θ =33,0093 sin θ. Скориставшись прикладною програмою для математичних розрахунків „MathCAD 2001 professional”, побудуємо графік ДС дзеркальної антени (рис.7): а б Рисунок 7 – ДС антени для λ=λс(а-лінійний, б- логарифмічний масштаби). Згідно ТЗ робочий діапазон складає 1,9.2,1 ГГц, в межах якого повинні зберігатися основні параметри антени. Побудуємо ДС дзеркальної антени для верхньої fmax і нижньої fmin границі частот робочого діапазону (рис. 8 і 9): fmax =2,1 ГГц; λmin= =143 мм; k =43,94; u =34,623 sin θ. а б Рисунок 8 – ДС антени для λ=λmin (а-лінійний, б- логарифмічний масштаби). fmin =1,9 ГГц; λmax= =158 мм; k =39,767; u =31,336 sin θ. Рисунок 9 – ДС антени для λ=λmin (а-лінійний, б- логарифмічний масштаби). 2.7. Коефіцієнт використання поверхні. Коефіцієнт використання поверхні дзеркала ν повністю визначається характером розподілення поля в розкриві і може бути визначений як: ν = A/S, де А – ефективна поверхня антени; S – геометрична площа її розкриву. Випадок, коли опромінювачем параболічної антени є конічний рупор дуже поширений, і тому ν визначимо графічно, скориставшись довідковою літературою (наприклад [2]). Графік залежності ν від кута розкриву ψ0 зображений на рис. 10, з якого для розрахованого ψ0 = 51.4о знаходимо: ν » 0,92. Рисунок 10 – Залежність КВП від кута розкриву дзеркала. 2.8. Коефіцієнт корисної дії. Коефіцієнт корисної дії η дзеркальної антени цілком визначається ДС опромінювача і кутом розкриву ψ0. Оскільки тепловими втратами електромагнітної енергії на поверхні дзеркала можна знехтувати, тоді під η слід розуміти відношення потужності, падаючої на поверхню дзеркала PΣ зерк., до повної потужності випромінювання опромінювача PΣ : Очевидно, що чим глибше дзеркало, тим більша частина енергії попадає на дзеркало і тому більше η. Характер зміни функції η(ψ0) протилежний характеру зміни КВП ν(ψ0). Для кута розкриву ψ0=0,897(рад) розрахунок ККД антени можна провести за формулою: =66,2% 2.9. Коефіцієнт спрямованої дії. Коефіцієнт спрямованої дії D антени позволяє визначити зростання напруженості поля за рахунок застосування направленої антени замість ненаправленої [4]. В загальному випадку КСД антени можна знайти як відношення квадратів напруженостей поля, утворюваних в точці прийому направленої (в напрямку максимуму) і ненаправленої антенами при однакових потужностях випромінювання: D =; де – напруженість поля в напрямку максимуму; – напруженість поля ненаправленої антени. При нерівноамплітудному збудженні поля на розкриві дзеркала його ефективна поверхня виявляється меншою за геометричну. Це пов’язано з тим, що елементи дзеркала більш близькі до країв створюватимуть меншу напруженість поля, ніж елементи поля, що розташовані в середині. Тому послаблення поля до країв параболи еквівалентно зменшенню її розмірів, якщо площадку розглядати як збуджувану рівномірно. КСД дзеркальної антени сильно залежить від КВП і може бути визначений з виразу: D =, де S=– геометрична площа розкриву. λ=150 мм – робоча довжина хвилі; R0=0,788 м – радіус параболоїда; ν=0,92 – КВП дзеркальної антени. D = = 2.10. Коефіцієнт підсилення. КСД параболічних антен не враховує втрат енергії на розсіювання, тобто втрат енергії що виходить за межі дзеркала. Тому КСД параболічних антен не є параметром, який в достатній мірі характеризує направлені властивості дзеркальних антен. Для більш повної характеристики слід використовувати такий параметр, як коефіцієнт підсилення антени G: G = D·η, де D=1002,35 – КСД антени; η=0,662 – ККД антени. G = 1002,35 · 0,662 = 663,56 = 56,44 дБ. 3. Коефіцієнт стійної хвилі в фідері. В теорії АФП велике значення має питання узгодження антени з фідером. Під узгодженням розуміється перетворення опору навантаження лінії в опір, рівний її хвилевому опору [3]. Параметром, який в достатній мірі характеризує узгодження лінії є КСТ U. Загальний вигляд для КСТU має вигляд: КСТU = , де Umax – максимальне значення напруги в неузгодженій лінії; U – напруга в узгодженій лінії. КСТU в фідері опромінювача дзеркала знаходимо з виразу: КСТU = , де l = lс = 150 мм – довжина хвилі; f = 0,819 м – фокусна відстань; Dопр = 1,4 – КСД опромінювача. КСТU = = = » 1,04. Оскільки КСТU = 1,04 < 1.5, то умова ТЗ виконана.

Висновки

В результаті виконання курсової роботи була розрахована дзеркальна параболічна антена. Розрахунки показали, що при відносно невеликих розмірах антена забезпечує вузько спрямовану ДС з великим значенням КСД (D = 1002,35). Нажаль, ефективна поверхня випромінювання дзеркала менша за її геометричні розміри. Це пов’язано з нерівномірністю розподілення амплітуди поля в розкриві параболи, яке для дзеркальних антен послаблюється від центру до його країв. В результаті елементи дзеркала більш близькі до країв створюватимуть меншу напруженість поля, ніж елементи поля, що розташовані в середині. Тому послаблення поля до країв параболи еквівалентно зменшенню її розмірів, якщо площадку розглядати як збуджувану рівномірно. Параметром, що характеризує розподілення поля в розкриві є КВП, який повністю визначається розміщенням і ДС опромінювача. При швидкому спаді амплітуди поля до країв дзеркала КВП різко падає. Дзеркальні параболічні антени характеризуються високим рівнем ККД. Для розрахованої антени він становить 66,2%. ККД сильно залежить від геометричних розмірів параболоїда, тобто чим глибше дзеркало тим більша частина енергії попадає на дзеркало і тому більше ККД. Характер зміни ККД протилежний характеру зміни КВП. КСД дзеркальних антен не є параметром який в достатній мірі характеризує направлені властивості, оскільки не враховує втрат енергії на розсіювання. Для більш повної характеристики використовують коефіцієнт підсилення антени. Для розрахованої антени він становить 663,56 (56,44 дБ). Література 1. Хмель В. Ф. и др. Антенны и устройства СВЧ. Сборник задач: Учеб. Пособие – К.: Выща шк., 1990. – 232с. 2. Драбкин А. Л. и др. Антенно-фидерные устройства. – М.: «Сов. радио», 1974; 3. Бова Н. Т., Рєзников Г. Б. Антенны и устройства СВЧ. – К.: «Высшая школа», 1982; 4. Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны: Учебник для вузов. – М.: «Энергия», 1975. Додаток