Расчёт параболической зеркальной антенны с рупорным облучателем

Министерство образования Российской Федерации

Красноярский Государственный Технический Университет

Кафедра РТУ СВЧ

Курсовой проект

По дисциплине «Антенны и устройства СВЧ»

Зеркальная параболическая антенна

Выполнил: студент 3 курса ИРЭ

                                               Васильев И.В., гр. Р41-1

                                               Проверил: преподаватель

                                               Саломатов  Ю.П.

Красноярск, 2004г.

Содержание

    стр.

1. Задание на проект……………………………………………………...…..3

2. Анализ технического задания…………………………………………..…4

3. Расчет антенно-фидерного устройства…………………………………...5

4. Выводы…………………………………………………………………….17

 

1. Задание на проект

Рассчитать параболическую зеркальную антенну с рупорным облучателем, имеющую следующие параметры (таблица 1.1).

Таблица 1.1

Рабочая частота f0, ГГц	4,7
Ширина диаграммы направленности по уровню половинной мощности , град	8,5

 Радиус зеркала определяется исходя из заданной ширины диаграммы направленности, длина фидерной линии передачи берется равной 4R.

Условные обозначения, используемые в проекте, приведены в     таблице 1.2.

Таблица 1.2

Наименование	Условное обозначение	Единица измерения
Рабочая частота	f0	Гц
Широкая стенка волновода	a	м
Узкая стенка волновода	b	м
Размер апертуры рупора в плоскости H	ap	м
Размер апертуры рупора в плоскости E	bp	м
Апертурный коэффициент использования поверхности (КИП)	g	Безразмерная
Диаграмма направленности (ДН) рупорного облучателя	F0(y)	Безразмерная
Диаграмма направленности (ДН) антенны в целом	F0(q) или F(q)	Безразмерная
Коэффициент направленного действия (КНД)	D	Безразмерная
Длина волны в вакууме	l	м
Волновое число	k	м-1
Диаметр апертуры зеркала	d	м
Радиус апертуры зеркала	R	м
Длина фидера	lф	м
Фокусное расстояние	f	м
Уровень облучения края зеркала	m	Безразмерная или дБ

Таблица1.2 (продолжение)

Наименование	Условное обозначение	Единица измерения
Апертурное распределение поля	Es(r)	Безразмерная
Коэффициент расширения луча	КРЛ	Безразмерная
Точность выполнения профиля зеркала		Безразмерная
Коэффициент усиления антенны	G	Безразмерная
Коэффициент полезного действия (КПД)	h	Безразмерная

2.Анализ технического задания

Зеркальные антенны являются наиболее распространенными остронаправленными антеннами. Их широкое применение в самых разнообразных радиосистемах объясняется простотой конструкции, возможностью получения разнообразных видов ДН, высоким 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 с 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 распространенным типом антенн в космической связи и радиоастрономии, а именно с помощью зеркальных антенн удается создавать гигантские антенные сооружения с эффективной поверхностью раскрыва, измеряемой тысячами квадратных метров.

В целом, при расчете параметров и характеристик антенны будем придерживаться апертурного метода расчета, изложенного в [2]. Однако, учитывая широкие возможности современной вычислительной техники, непосредственное вычисление интеграла ([2],стр. 9, (16))

 не является затруднительным. Поэтому в нашем случае нет необходимости выполнять аппроксимацию диаграммы направленности облучателя F₀(y) функцией cos^n/2(y). Можно вычислить интеграл непосредственно, используя какой-либо пакет математических программ.

При вычислении интегралов, построении графиков, графическом решении уравнений в курсовом проектировании используем пакет  вычислительных программ MathCAD.

3. Расчет антенно-фидерного устройства

Исходя из заданной рабочей частоты, для питания антенны выберем стандартный прямоугольный металлический волновод МЭК-48 с внутренними размерами:

a – 47,55 мм;

b – 22,149 мм.

Рассчитаем длину волны заданной частоты в свободном пространстве по формуле:

,                                                          (3.1)

где

c – скорость света в вакууме;

l – длина волны в свободном пространстве;

f0 – заданная частота.

 м

Волновое число

.                                                         (3.2)

м

Для наглядности на рисунке изобразим зеркало антенны и ее основные геометрические размеры (рис. 3.1).

Рисунок 3.1

Определим диаметр и радиус зеркала антенны, исходя из заданной ширины ДН  из формулы ([4], стр. 255)

,

откуда, приняв коэффициент в числителе равным 70,

                                             (3.3)

где

d – диаметр зеркала.

 м

Радиус зеркала

                                                   (3.4)

 м

Длину питающего волновода l_ф примем равной

.                                                (3.5)

Откуда

 м

Угол раскрыва параболической зеркальной антенны в плоскости E y₀, отсчитываемый от нормали к апертуре рупора, примем равным 55°.

Зная радиус R и угол раскрыва y₀ зеркала (рис. 3.1)  можно вычислить фокусное расстояние f по формуле ([2], стр. 22)

                                                (3.6)

 м

Найдем параметры облучающего рупора: размеры апертуры рупора в плоскостях E и H, длину рупора L. Согласно [4] (стр. 255) оптимальное значение угла раскрыва параболической зеркальной антенны в плоскости E y_0опт  соответствует спаду поля облучателя к краям зеркала примерно на 9-10 дБ. Отсюда, приняв оптимальным угол y₀=55°, мы можем рассчитать параметры облучающего рупора. Для этого необходимо решить уравнение

,                                                    (3.7)

где

 – диаграмма направленности рупорного облучателя,