Проектирование передающей параболической антенны, установленной на борту искусственного спутника Земли

Страницы работы

Содержание работы

1.Исходныеданные

Зеркало-параболоид         облучатель - открытый

Вращения                          конец волновода                                         

Требуется   спроектировать

передающую   параболическую

антенну ,       установленную на

борту искусственного спутника

Земли         (ИСЗ),         который

находится     на    стационарной

орбите    и    предназначен   для

ретрансляции     телевизионных

сигналов             на            линии

                                             Земля - ИСЗ - Земля.

Рис.1. Параболическая антенна.

Проектируемая антенна включает в себя(рис. 1):

-  параболическое зеркало (отражатель);

-  облучатель с элементами крепления;

-  волноводный питающий тракт, в котором распространяется основной тип волны.

Исходные данные для расчёта (обозначения):

1.  Рабочая частота f0=10 ГГц.

2.  Мощность бортового передатчика Рпер=50 Вт.

3.  Мощность сигнала на входе наземного приёмника

вх.пр.=110 дБВт.

4.  Коэффициент усиления приёмной антенны Gпр=46 дБ.

5.  Облучатель - открытый конец прямоугольного волновода.

6.  Фидерный питающий тракт - прямоугольный волновод(ПВ), в котором распространяется основной тип волны Н10.

7.  Относительная полоса пропускания 2Δf/f0=20%.

8.  Протяжённость радиолинии ИСЗ - Земля составляет

rисз=40000 км.

9.  Потери в атмосфере Земли учитываются коэффициентом ослабления сигнала F=0,95.

10. Допустимый коэффициент бегущей волны (КБВ) в тракте питания облучателя составляет Кб≥0,8.

Требуется:

1.  Рассчитать размеры фидерного тракта и облучателя;

2.  Рассчитать коэффициент усиления и коэффициент направленного действия передающей антенны;

3.  Рассчитать радиус раскрыва зеркала (R0),фокусное расстояние (f) и оптимальный угол раскрыва параболоида вращения (2ψ0).

4.  Рассчитать входное сопротивление облучателя, коэффициент бегущей волны(Кб) в прямоугольном тракте питания облучателя; коэффициент полезного действия фидерного тракта(ηтракта); длину фидерного тракта ( l );

5.  Для уменьшения реакции зеркала на облучатель рассчитать размеры плоского компенсирующего отражателя;

6.  Рассчитать диаграммы направленности облучателя и параболической антенны.

2.Расчёт поперечных размеров фидерного тракта и облучателя.


f0=10 ГГц.

                                                Рабочей частоте f0=10 ГГц соответствует

Длина волны в свободном пространстве (вакууме или воздухе):

              λ = С/f0              (1)

             λ =(3∙1010)/1010 см = 3 см = 30 мм.

Существуют практические рекомендации по выбору размера прямоугольного волновода:

               a = (0,7÷0,8)λ,       

               b = (0,3÷0,4)λ.          (2)

В данном случае:

              a = (21÷24)мм;

              b = (9÷12)мм.

     Вычисленные размеры наиболее близко подходят для прямоугольного волновода R100.

     Поэтому в качестве фидерного тракта и облучателя выбираем прямоугольный волновод R100, для которого:

              а = 22,860мм,

              b = 10,160мм.

Диапазон частот для основного типа волны Н10 составляет интервал частот от 8,2 ГГц до 12,5 ГГц.

При заданной средней рабочей частоте f0=10 ГГц и относительной полосе  пропускания 2Δf/f0=20%  полоса   частот в ГГц равна       2Δf=10∙0,2 ГГц=2ГГц.

Отсюда диапазон проектируемой параболической антенны будет

(10-1)ГГц÷(10+1)ГГц или (9÷11) ГГц.

Таким образом, выбранный прямоугольный волновод R100 обеспечивает одномодовый режим работы и относительную полосу пропускания 2Δf/f0=20% на средней рабочей частоте f0=10 ГГц.

3.Расчёт коэффициента усиления (G1) и коэффициента направленного действия (D) передающей антенны.

Овал: С


                           Искусственный

                                        спутник Земли

                                                f0=10 ГГц;

       передающая антенна                        Рпер=50(Вт); -Рвх.пр.(дБВт)=110(Дб)

    приёмная антенна                     F = 0,95      Gпр(Дб)=46(Дб); 2Δf/f0=20%;                      

                                                             Кб≥Кбмин=0,8; rисз=40 000 (км)=4∙107 (м).

Овал: Земля                 

 Значению -Рвх.пр.(дБВт)=110дБВт                   соответствует значение Рвх.пр.=10-11 Вт.

Значению Gпр=G2(дБ)=46(дБ) соответствует

G2=10(46/10)≈39811.

Рпер∙G1∙G2=((4π∙rисз)/λ)2 Рвх.пр.∙(1/F2) (3)

Подставляя в (1) Рпер=5 (Вт);Рвх.пр.=10-11Вт;F=0,95;

Rисз=4∙107(м);λ=3∙10-2(м);G2=39811,

получаем:

                          50∙G1∙39811=((4∙π∙4∙107)/(3∙10-2))2 ∙10-11∙(1/0,95)2.

Отсюда имеем   G1=((4∙π∙1,33∙109)2∙10-11/0,952)/(50∙39811)=1555.

Задаёмся значением ηтракта=0,98.

Так как G1тракта∙G, то коэффициент направленного действия передающей параболической антенны на ИСЗ будет D=G1тракта

В данном случае D=1555/0,98=1586,7.

4.Расчёт радиус раскрыва зеркала (R0), фокусного расстояния (f) и оптимального угла раскрыва параболоида вращения (2ψ0=2ψопт)

В рассматриваемом случае выбранного волновода R100 имеем

а = 22,860 мм

b = 10,160 мм

Отсюда получаем:

  Sобл=ab        (4)

  Sобл=22,860∙10,160(мм)2=232,2576(мм)2; D=1586,7;λ=30 мм.

Параболическое зеркало

R0=√(1/νπ)((Dλ2)/(4π)+Sобл), (5)

Где Sобл=ab, ν=0,4÷0,5.

                                            0,316          

              F   

0,316                Выбирая коэффициент                     

                     использования поверхности

ν=0,4 , получаем

                                    нормированная ДН

                                     облучателя

                          f

 


R0=√(1/0,4π)((1586,7∙302)/(4π))+232,2576)мм=301,025 мм

Уравнение для определения ψопт:

 


[(сos(ψопт)+√1-(λ/2a)2)/(1+√1-(λ/2а)2

х[(cos((ka/2)sin(ψопт))/(1-((2/π)(ka/2)sin(ψопт))2]=0,316      (7)

Из уравнения находим при λ=30 (мм), а=22,860(мм) в радианах:

ψопт≈1,353.

В градусах находим: ψ˚опт=(180˚/π)∙ψопт=(180˚/π)∙1,353= 77,5˚

Таким образом, оптимальный угол раскрыва параболического зеркала будет 2ψ˚0=2ψ˚опт=155˚.

   Фокусное расстояние параболической антенны определяется по формуле:

Похожие материалы

Информация о работе