АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ 

Кафедра "Радиотехника"

 

 

 

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

Методические указания и задание к курсовой работе

 (для студентов специальности 050719 «Радиотехника электроника

и телекоммуникации»)

 

Алматы 2007

СОСТАВИТЕЛИ: В.Л. Гончаров, А.Р.Склюев, А.Х.Хорош.

Антенно-фидерные устройства и моделирование распространения радиоволн. Методические указания и задание к выполнению курсовой работы  для студентов всех форм обучения специальности 050719 «Радиотехника электроника и телекоммуникации». - Алматы: АИЭС, 2007.- 22 с. 

Задание и методические указания соответствуют программе курса «Антенно-фидерные устройства и моделирование распространения радиоволн». Согласно заданию необходимо выполнить конструктивный и электродинамический расчет малошумящей однозеркальной параболической антенны.

Задание и методические указания предназначены для студентов специальности 050719 «Радиотехника электроника и телекоммуникации».

 

Введение

Настоящее методическое пособие посвящено расчету малошумящих однозеркальных параболических антенн, которые находят широкое применение в космических и радиорелейных линиях связи, а также в радиоастрономии [1-3]. Специфика спутниковой связи, заключающаяся в большой протяженности трасс между искусственными спутниками Земли (ИСЗ) и земными станциями (ЗС), значительных ослаблениях радиосигналов на этих трассах, предъявляет серьезные требования к конструкции и параметрам зеркальных антенн[6]. Для снижения влияния внешних помех (излучения Земли, наземных радиослужб и других радиотехнических систем) необходимо повышение помехозащищенности антенн и снижение уровня боковых лепестков диаграммы направленности.

Достаточная простота и легкость конструкции, возможность формирования самых разнообразных диаграмм направленности, высокий к.п.д., малая шумовая температура - вот основные достоинства зеркальных антенн, обуславливающие их широкое применение в современных радиосистемах.

Целью данной курсовой работы является освоение студентами методики проектирования зеркальных параболических антенн: определение их основных электродинамических параметров и конструктивный расчет.

В курсовой работе определение поля излучения параболической антенны производится апертурным методом,  широко применяемым при проектировании зеркальных антенн. Технические параметры, заданные для проектирования антенны, приведены в соответствии с Регламентом радиосвязи [5] и отвечают практическим требованиям к современным системам радиосвязи. Спроектированные в соответствии с заданными параметрами зеркальные антенны могут быть применены в спутниковых и радиорелейных линиях связи: NERA, Pasolink, Радиан; малых станциях для телефонии и передачи данных (VSAT); системах спутникового телевизионного вещания (Eutelsat, Галс, Telecom IIA, B, Tele-X, TVSat-2 и т.д.).

1  Объем курсовой работы

Курсовая работа включает в себя:

Пояснительную записку объемом 20-25 листов рукописного текста, в которую входят:

а) титульный лист;

б) техническое задание;

в) расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя и параболоида исходя из наибольшего отношения сигнал/шум;

г) расчет пространственной структуры диаграммы направленности (ДН) параболической антенны;

д) вычисление шумовых температур антенной системы;

е) расчет основных параметров антенны: коэффициента направленного действия (КНД), коэффициента усиления (КУ), коэффициента полезного действия (КПД);

ж) конструктивный расчет антенны.

Графическую часть, в которую входят:

а) амплитудные ДН облучателя по полю в полярной системе координат в плоскостях Е и Н ;

б) амплитудные ДН параболической антенны до полю в прямоугольной системе координат в плоскостях Е и Н;

в) распределение амплитуды поля в апертуре зеркала;

г) конструктивный чертеж антенны.

 

2  Порядок расчета малошумящей параболической антенны

В задании курсовой работы указываются:

- частота сигнала генератора, подводимого к антенне;

- ширина главного лепестка ДН на уровне половинной мощности;

- уровень боковых лепестков;

- тип облучателя;

- среднеяркостная температура неба;

- температура шумов приемника;

- длина фидерной линии.

При расчете можно рекомендовать следующий порядок:

2.1  Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта Тф и КПД.

2.2  Расчет геометрических параметров параболоида:

а) диаметров раскрыва;

б) оптимизация геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум;

в) аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида cosn/2y и выбор числа n;

г) определение угла раcкрыва и фокусного расстояния.

2.3  Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя.

2.4  Расчет распределения поля в апертуре зеркала.

2.5  Расчет ДН параболической антенны:

а) составление блок-схемы программы расчета ДН;

б) расчет ДН на ЭВМ.

2.6. Вычисление шумовых температур антенной системы.

2.7  Расчет полного коэффициента использования площади, эффективной площади, КНД и КУ антенны.

2.8  Конструктивный расчет антенны:

а) расчет профиля зеркала;

б) выбор конструкции зеркала;

в) определение допусков на точность изготовления зеркала и установки облучателя.

2.9 Сопоставление расчетного и заданного уровня боковых лепесков, выработка рекомендации для обеспечения соответствия этих уровней.

 

3  Исходные данные для расчета

Т а б л и ц а 3.1 - Рабочая частота f, ГГц

Предпоследняя цифра зачетной книжки

Год

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

 

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

4.0

6.0

8.0

0.0

четный

1.1

1.3

1.5

1.7

1.9

2.1

2.5

3.0

4.5

5.0

нечетный

 

Т а б л и ц а 3.2 - Ширина ДН на уровне половинной мощности 2Qн0,5, мрад

Последняя цифра зачетной книжки

Год

Ширина   ДН

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

 

2Qн0,5

43

46

39

53

57

61

65

67

72

76

четный

2QЕ0,5

48

51

54

58

62

66

70

72

77

81

четный

2Qн0,5

48

51

54

58

62

66

70

57

77

81

неченый

2QЕ0,5

53

56

59

63

67

71

75

72

82

86

нечетный

Т а б л и ц а 3.3 - Тип облучателя 

Первая буква фамилии студента, четный год

Тип облучателя

Первая буква фамилии студена, нечетный год

Ю, А, Г, В, Я, Ы

Полуволновой вибратор с контррефлектором в виде стержня

А, Ж, Н, У, Щ

Э, Д, Б, Е, Л, К

Полуволновой вибратор с дисковым контррефлектором

Б, З, О, Ф, Э, К

М, О, Ж, З, И, Ч

Рупор пирамидальный

В, И, П, Х, Ю, Г

Н, П, Р, У, Ф

Открытый конец прямоугольного волновода

Д, Л, С, Р, Ч, Ы

Т, Х, С, Ц, Ш, Щ

Рупор конический

Е, М, Т, Ш, Я, Ц

 

Т а б л и ц а 3.4 - Уровень боковых лепестков [дБ]

Последняя цифра зачетной книжки

Год

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

 

-15

-16

-17

-18

-19

-20

-21

-22

-23

-24

четный

-19

-20

-21

-22

-23

-24

-25

-26

-27

-28

нечетный

 

Т а б л и ц а 3.5 - Средняя яркостная температура неба Тнср, оК

Предпоследняя цифра зачетной книжки

Год

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

 

5

6

7

9

10

11

12

13

14

15

четный

15

13

12

11

10

9

8

7

6

5

нечетный

Т а б л и ц а 3.6 - Температура шумов приемника Тпр, оК

Последняя цифра зачетной книжки

Год

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

 

2000

1900

1800

1700

2300

1600

1500

1400

2100

2200

четный

2300

2200

2100

2000

1900

1800

1700

1600

1500

1300

нечетный

 

Т а б л и ц а 3.7 - Длина фидерной линии lф, м

Предпоследняя цифра зачетной книжки

Год

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

 

5

6

7

10

8

15

13

12

14

11

четный

6

10

14

8

7

11

15

5

12

13

нечетный

4  Определение геометрических размеров параболического зеркала

4.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта Тф и КПД

Определение шумовой температуры фидерного тракта Тф  и КПД производится по формулам

Тф=67о×a×lф ,

где     a-  коэффициент затухания линии передачи [дБ/м];

                   lф –длина фидерной линии [м].

Тф=Т0×(1-КПД),

где     Т0=2900 К.

Вычисление шумовой температуры антенной системы выполняется по формулам

Та= Тф+КПД×Тнср+КПД×Т0×(1-a1+ a1u),

где     u=(0.02 - 0.03) – коэффициент, учитывающий «переливание»                 части мощности облучателя через края зеркала,

a1=1-cosn+1Y0, 

n- определяется типом облучателя.

T=Tа+Tпр.

4.2  Определение диаметра раскрыва

Зеркальная антенна – направленная антенна, содержащая первичный излучатель (далее по тексту облучатель) и отражатель антенны в виде металлической поверхности (зеркало) [2]. Параболическая зеркальная антенна представлена на рисунке 4.1.

Рисунок  4.1- Зеркальная параболическая антенна

 В случае равномерно возбужденного раскрыва параболического зеркала ширина ДН приближенно определяется [ 3 ]

                                2Q0.5 » 1.02                                  (4.1)

где 2Q0.5 – ширина диаграммы направленности на уровне половинной       мощности, рад.;

l - длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;

R0 - радиус раскрыва зеркала (рисунок 4.1).

Однако добиться равномерного возбуждения раскрыва практически не удается. Известно  [3], что КНД зеркальной антенны имеет наибольшую величину в том случае, если амплитуда возбуждающего поля на краю раскрыва составляет не менее одной трети от амплитуды поля в центре раскрыва.

Неравномерное возбуждение раскрыва зеркала приводит к некоторому расширению главного лепестка ДН, так как уменьшается эффективная площадь раскрыва. Кроме этого, необходимо иметь в виду, что чаще всего диаграммы направленности зеркальных антенн не обладают осевой симметрией (большинство излучателей формируют осенесимметричные диаграммы направленности), т.е. ширина главного лепестка в плоскостях Е и Н различна. В большинстве практических случаев это влечет за собой следующее изменение выражения (4.1) [4]

2QН0.5 » 1.2                       (4.2)

2QЕ0.5 » 1.3                       (4.3)

где 2QН0.5 , 2QЕ0.5 - ширина ДН соответственно в плоскости Н и Е.

В связи с тем, что в задании на курсовую работу имеются данные о ширине диаграммы направленности в обеих плоскостях, из выражений (4.2) и (4.3) можно определить диаметр раскрыва dp = 2 R0, причем, из полученных двух значений диаметра следует выбрать наибольшее.

 

4.3 0пределение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R0/f0 КНД наибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит от формы диаграммы направленности облучателя и от отношения R0/f0. При уменьшении отношения R0/f0 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 (рисунок 4.2); оптимальное значение R0/f0 определяется по аппроксимированной нормированной диаграмме направленности облучателя (аппроксимация функцией вида F(Q) = cosn/2(Q), где n определяет степень вытянутости ДН облучателя). Для различных типов облучателей значения n приведены в таблице 4.1.

Т а б л и ц а 4.1

Тип облучателя

n

R0/f0

n

1 Вибратор с контррефлектором в виде стержня

2

1.25...1.43

0.83

2 Вибратор с контррефлектором в виде диска

4

1.0...1.25

0.82

3 Рупорные и др. облучатели

6

0.8...1.0

0.81

 

 

Рисунок 4.2 - Варианты размещения облучателя

 

С точки зрения оптимизации геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум необходимо произвести следующий расчет.

Чувствительность g определяется формулой g=S×a2×a3×КПД×g',

где первые четыре коэффициента не зависят от Y0, а g' вычисляется

где     Т1 =Тпр+Т0×(1-КПД)+КПД×Тнср,

S-площадь апертуры зеркала.

 

 

По максимуму построенной графически функции g(Y0) определяется угол раскрыва зеркала (шаг изменения угла раскрыва Y0 не более 1о).

Фокусное расстояние f  может быть рассчитано на основе следующего соотношения:

Y0 = 2 arctg .

Таким образом, определяются геометрические размеры зеркала.

 

5  Расчет геометрических и электродинамических характеристик облучателя

Расчет сводится 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.

5.1 Полуволновой симметричный вибратор с контррефлектором в      виде диска

Фазовый центр вибратора с контррефлектором в виде диска лежит между вибратором и контррефлектором несколько ближе к последнему. Обычно контррефлекторы выполняются в виде дисков диаметром 2d = (0.7 ... 0.8)l, при этом ДН имеет форму, близкую к диаграмме с осевой симметрией. Расстояние между вибратором и контррефлектором выбирается близким к четверти длины волны, а длина вибратора - к половине длины волны (2l » l/2).

Диаграмма направленности такого облучателя в Е плоскости рассчитывается по формуле  [11]

,

а в Н плоскости - по формуле

.

Эти формулы справедливы для QE и QH менее .

5.2               Полуволновой симметричный вибратор с контррефлектором в     виде стержня

Конструкция такого облучателя представлена на рисунке 5.2. Здесь вибратор также полуволновой 2l » l/2. Расстояние d выбирается в диапазоне 0,1<d/l< 0,25 , а длина контррефлектора 2a » (1.05-1.1) 2l.

В этом случае ДН описываются следующими аналитическими выражениями

в Е плоскости

.

Рисунок 5.2 - Симметричный вибратор с контррефлектором в виде стержня

 

в Н плоскости

где       отношение амплитуд токов в пассивном и активном вибраторах;

j = p+arctg - arctg сдвиг фаз между этими токами;

b = 2p/l - волновое число.

Значения активной R12 и реактивной X12 составляющих взаимного сопротивления, а также активной RS22 составляющей сопротивления излучения контррефлектора определяются по графикам (рисунок 5.3) [4].

 

Рисунок 5.3 - Зависимости сопротивлений вибраторных облучателей от геометрических параметров.

 

Необходимая величина XS22 может быть обеспечена подключением реактивного шлейфа и определяется из условия j = p/2.

 

5.3  Рупор пирамидальный

На рисунке 5.4а представлен пирамидальный рупор.

ДН рупорной антенны рассчитываются по формулам [2 , 4]:

в Е плоскости

,

Рисунок 5.4 - Апертурные облучатели

 

в Н плоскости

.

Поперечные размеры ap и bp рупора определяются по данным выражениям из условия обеспечения спадания поля на краю раскрыва до одной третьей по отношению к полю в центре раскрыва. Для оптимального рупора (наибольший КНД) продольные и поперечные размеры связаны между собой соотношениями:

в Е плоскости

lоптE = b2p/(2l),

в Н плоскости

lоптH = a2p/(3l),

где lоптE , lоптH - длины рупора в соответствующих плоскостях (рисунок 5.4а).

 

5.4               Облучатель в виде открытого конца прямоугольного волновода

Размеры такого облучателя (рисунок 5.4,б) выбираются, исходя из существующего ряда стандартных волноводов для заданной длины волны (обеспечение одномодового режима) [4] .

Диаграммы направленности открытого конца волноводов могут быть рассчитаны, как идеальной излучающей поверхности с косинусоидальным распределением напряженности электрического поля вдоль широкой стенки:

- в Е плоскости

- в Н плоскости

где a,b - поперечные размеры волновода (рисунок 5.4,б).

 

5.5  Облучатель в виде конического рупора

 

ДН конического рупора (рисунок 5.4,в) можно определить как для идеальной круглой излучающей поверхности радиусом а

где  - цилиндрическая функция Бесселя первого рода

Размеры оптимального конического рупора связаны между собой

lопт = a2/(0.6l) - 0.15l.

Радиус апертуры рупора выбирается из соображений обеспечения на краю раскрыва спадания амплитуды поля до 1/3.

 

5.6  Распределение поля в апертуре зеркала

Расчет распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам

Es(r)=cos2(Y/2)×F0(Y),

r’=r/R0=ctg(Y0/2) tg(Y/2)

где     F0(Y)-диаграмма направленности облучателя,

Y0- угол раскрыва,

Y- текущий угол.

6  Расчет пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны

 

Инженерный расчет пространственной ДН параболической антенны часто сводится к определению ДН идеальной круглой синфазной площадки с неравномерным распределением напряженности возбуждающего поля. В данном случае распределение напряженности возбуждающего поля, в основном, определяется ДН облучателя в соответствующей плоскости. Выражение для нормированной ДН зеркальной параболической антенны при этом имеет вид [1, 2]

где     J1,J2 - цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка;

k1 =  = cos2(Y0/2)Fобл(Y0)- коэффициент, показывающий во сколько раз амплитуда возбуждающего поля на краю раскрыва меньше амплитуды в центре раскрыва в соответствующей плоскости с учетом различий расстояний от облучателя до центра зеркала  и до края зеркала ;

Eкр, Emax - амплитуды поля на краю и в центре раскрыва.

Расчет ДН выполнить на ЭВМ.

Приближенно коэффициент направленного действия зеркальной антенны определяется выражением [1].

где     S - площадь раскрыва;

 – результирующий коэффициент использования поверхности.

С учетом того, что КПД зеркальной антенны примерно 0,9, можно рассчитать ее коэффициент усиления.

Точное определение параметров антенны.

Коэффициент использования поверхности

Ки=g a1 a2 a3

где     a2=(1-2 u)2

a3=exp(-d2)

sа/2R - точность выполнения профиля зеркала (обычно в пределах 0,4×10-3- 10-5).

Эффективная площадь антенны

Sэфф=p×R2×Kи.

Коэффициент направленного действия

D=(2pR/l)2×g×a1×a2×a3.

Коэффициент усиления антенны

G=КПД×D.

 

7  Конструктивный расчет антенны

 

7.1  Расчет профиля зеркала

Зеркальные антенны имеют наибольший КНД при синфазном возбуждении раскрыва (плоский фазовый фронт волны). Параболический профиль зеркала обеспечивает одинаковые длины электрических путей от облучателя, установленного в фокусе параболоида вращения, до каждой точки плоскости раскрыва (свойство параболы). В полярной системе координат парабола описывается уравнением

 

где r,y- полярные координаты, f фокусное расстояние.

В данном случае y изменяется от 0 до y0.

7.2                   Выбор конструкции зеркала

 

С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность зеркала часто выполняется перфорированной или сетчатой (рисунок 7.1).

 

 

 

 

 


Рисунок 7.1.Конструкция зе

 

Рисунок  7.1

При такой конструкции зеркала часть энергии просачивается сквозь него, образуя обратное нежелательное излучение. Допустимым является значение коэффициента прохождения в обратном направлении

где Pобр , Pпад - мощность излучения в обратном направлении и падающего на зеркало, соответственно. Для перфорированного отражателя диаметр отверстий должен быть меньше 0,2l при суммарной площади отверстий не более 0,5...0,6 всей площади зеркала.

Двухлинейная сетка работает удовлетворительно при расстоянии между проводниками меньше 0,1l  и диаметре проводов не менее 0,01l.

 

7.3    Определение допусков на точность изготовления

 

Неточность изготовления зеркала вызывает несинфазность поля в раскрыве. Допустимыми являются фазовые искажения поля в раскрыве зеркала не более ±p/4. При этом уменьшение коэффициента усиления антенны не превышает нескольких процентов [3].

Пусть поверхность параболоида имеет некоторые неровности (выступы и углубления). Наибольшее отклонение от идеальной поверхности в направлении r обозначим через Dr (рисунок 7.2).

 

Рисунок 7.2 - Допуски на точность изготовления зеркала

 

Путь луча, отраженного от неровности в месте наибольшего отклонения от r, изменяется при этом на величину Dr+DrcosY, а соответствующий сдвиг фаз составит величину Dj = bDr(1+cosy), и он не должен превышать величину p/4, отсюда получаем

.

Анализ полученного выражения для Dr показывает, что вблизи центра параболоида (Y=0) необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной поверхности не должно превосходить величины l/16, у кромки параболоида требования к точности получаются наименьшими.

Точность установки облучателя также определяется нормами на наибольшие допустимые фазовые искажения поля в раскрыве [ 6 ]. Пусть фазовый центр облучателя смещен на Dx (рисунок 7.3).

Тогда длины путей лучей от фазового центра до раскрыва увеличиваются. Наибольшее удлинение пути происходит у лучей, падающих на вершину зеркала. Это удлинение путей при малых смещениях можно приблизительно определить как Dx сosY . Тогда изменение фазы составит величину

где  - фазовые искажения, возникающие из-за неточности установки облучателя в центре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать p/4, отсюда получаем, что

.

Таким образом, с увеличением угла раскрыва точность и установка облучателя в фокусе повышается.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.3 - Допуски на точность установки облучателя

Список литературы

1. Ерохин Г.А. и др. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. - М.:Горячая линия-Телеком, 2004. - 496 с.

2. Фролов О. Антенны для земных станций спутников радиосвязи.- М.: Высшая школа, 2000. - 376 с.

3.Кочержевский Г.М., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. - М.:Радио и связь, 1989. - 352 с.

4.Хмель В.Ф., Чаплин А.Ф., Шумлянский И.И. Антенны и устройства СВЧ. - Киев: Вища школа,1990. - 232 с.

5. Регламент радиосвязи. Т. 1. – М.: Радио и связь, 1995.-509 с.

6. Спутниковая связь и вещание/ Под ред. Кантора Л.А. – М.: Радио и связь, 1997. – 526 с.

Приложение А

Т а б л и ц а  А1 - Параметры прямоугольного волновода

fmin – fmax, ГГц

0.96 - 1.46

1.45 - 2.2

2.17 - 3.3

3.22 - 4.9

4.64 –

7.05

6.57-10.0

a ´ b [см]

19.5 ´ 9.8

12.9 ´ 6.5

18.6 ´ 4.3

5.8 ´ 2.9

4.0 ´ 2.0

2.8 ´ 1.3

a [дБ/м]

0.00405

0.00749

0.0138

0.0249

0.0431

0.0794

 

Приложение Б

Т а б л и ц а Б1 - Коэффициент затухания коаксиального кабеля

Тип кабеля

f = 1 ГГц

f = 5 ГГц

f = 10 ГГц

РК - 50 - 2 -12

0.4

0.7

1.3

РК - 50 - 3 -13

0.15

0.58

1.3

РК - 75 - 2 -12

0.24

0.75

1.3

РК - 75 - 3 -13

0.11

0.5

0.9

РК - 100 - 7 -11

0.08

0.11

0.9

 

Содержание

 

Введение                                                                                           3

1  Объем курсовой работы                                                              4

2  Порядок расчета малошумяшей параболической антенны                   4

3  Исходные данные для расчета                                                     5

4  Определение геометрических размеров параболического            8

зеркала

5  Расчет геометрических и электродинамических                            11

характеристик     

облучателей

6  Расчет пространственной диаграммы направленности и              16

определение        

 параметров параболической антенны

7  Конструктивный расчет антенны                                                          17

   Список литературы                                                                        19

   Приложение А                                                                               20

   Параметры прямоугольного волновода

   Приложение Б                                                                                20

   Коэффициент затухания коаксиального кабеля