Курсовая АНТЕННЫ ВАР3

Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций

Российской Федерации

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

(МТУСИ)

Факультет "Радио и телевидение"

Кафедра "Техническая электродинамика и антенны"

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине "Устройства СВЧ и антенны":

Вариант 3

Выполнил:

Студент группы

Проверил:

Цель работы: cпроектировать зеркальную антенну в виде параболоида вращения для спутниковой системы связи.

Методические указания:

1. Исходя из определяется относительный уровень поля на краю зеркала – .

2. В качестве облучателя зеркальной антенны использовать пирамидальный рупор, создающий поле излучения с линейной поляризацией. По заданной величине D рассчитываются размеры раскрыва пирамидального рупора. Для получения осесимметричной ДН размеры раскрыва рупора выбираются из соотношения . Определить длину пирамидального рупора.

3. По формулам рассчитываются ДН облучателя в плоскости и в плоскости .

4. По рассчитанной ДН облучателя и требуемому значению определяется половина угла раскрыва параболического зеркала – .

5. Определяем радиус раскрыва зеркала – .

6. Рассчитываем фокусное расстояние и профиль параболического зеркала.

7. В предположении, что при выбранных размерах раскрыва пирамидального рупора его ДН осесимметрична, используя ДН облучателя в одной из главных плоскостей, рассчитываем распределение поля по раскрыву зеркала.

8. Построенное распределение поля аппроксимируется степенным рядом, при этом определяются коэффициенты и .

9. Рассчитывается ДН антенны.

10. По рассчитанной ДН определяют КНД антенны. Затем рассчитывается результирующий коэффициент использования поверхности раскрыва , апертурный КИП по преобразованной формуле, коэффициент перехвата , множитель, определяемый затенением по преобразованной формуле, и коэффициент усиления антенны G при . По формуле рассчитывается коэффициент защитного действия τ.

11. По заданной длине волны определяются размеры питающего прямоугольного волновода a и b, исходя из условия распространения в волноводе только волны основного типа и выбирается по Приложению 1 стандартный волновод.

12. По результатам расчетов строится конструктивный чертеж антенны с учетом схемы возбуждения питающего прямоугольного волновода коаксиальным кабелем. В схеме возбуждения определяются длина отрезка волновода от возбуждающего штыря до закорачивающей стенки, длина волновода от возбуждающего штыря до горловины рупора, действующая и геометрическая высота штыря.

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Таблица 1 – Исходные данные

Рабочая длинна волны , см	ширина диаграммы направленности (ДН) по половинной мощности , град	уровень первого бокового лепестка , дБ	коэффициент направленного действия (КНД) облучателя D
3	1,5	-22	7,5

Уровень первого бокового лепестка составляет -22 дБ, тогда, согласно таблице3.2 методических указаний, уровень поля по краю зеркала составляет .

В качестве облучателя зеркальной антенны используется пирамидальный рупор, создающий поле излучения с линейной поляризацией. По его ДН можем рассчитать размеры раскрыва рупора.

Где: ;

Для получения асимметричной ДН размеры раскрыва рупора должны соотноситься следующим образом: , тогда :

Выразим , меньшую сторону раскрыва рупора:

Следовательно большая сторона раскрыва :

При выборе длины пирамидального рупора следует обеспечить два условия:

1. допустимую фазовую ошибку в раскрыве;

2. правильную стыковку рупора с питающим волноводом.

При удовлетворении выше указанных условий, длины пирамидального рупора в H и Е плоскостях ищутся следующим образом:

Размеры рупора для осуществления стыковки с питающим волноводом должны удовлетворять соотношению:

Соотношение выполняется.

Формула для расчета ДН рупорной антенны в E плоскости:

Рисунок 1 – ДН в E плоскости

Теперь определим ДН рупорной антенны в плоскостях Н и Е. Углы и отсчитываются от нормали к раскрыву рупора соответственно в плоскостях Е и Н. Формула для расчета ДН рупорной антенны в Н плоскости:

Рисунок 2 – ДН в H плоскости

По графику ДН в плоскости Н определяем половину угла раскрыва параболического зеркала град.

Радиус раскрыва определяется формулой из таблицы 3.2, по которой определялся уровень поля по краю зеркала:

Связь между радиусом раскрыва и углом раскрыва: Отсюда можно вывести фокусное расстояние:

По рассчитанным параметрам зеркала можно сделать вывод, что зеркало длиннофокусное, так как выполняются следующие условия: и .

По формуле можем построить профиль параболического зеркала:

Рисунок 3 – Профиль параболического зеркала

Согласно принципу Гюйгенса: каждая точка фронта волны, созданной каким-либо первичным источником, является вторичным источником сферической волны. Тогда в предположении, что при выбранных размерах раскрыва пирамидального рупора его ДН осесимметрична, используя ДН облучателя в одной из главных плоскостей, рассчитываем распределение поля по раскрыву зеркала:

Рисунок 4 – Распределение поля по раскрыву зеркала

Угол уменьшился до 42 градусов. Другая точка в раскрыве равняется градусу.

Построенное распределение поля аппроксимируется степенным рядом, который представляет собой систему из двух уравнений, в которых необходимо найти коэффициенты и :

Где: и .

После решения системы получим: , .

В этом случае ДН зеркала определяется по следующей формуле:

Где: ;

– угол, отсчитываемый от нормали к поверхности зеркала;

;

(u), , – лямбда-функции 1, 2 и 3 порядков;

Для вычисления лямбда-функций нужно использовать соотношение:

Где: – функция Бесселя n-го порядка.

Рисунок 5 – ДН зеркала

Нас интересует ширина первого лепестка равная 4 град.

По рассчитанной ДН определяется КНД антенны:

Где: – ширина ДН по нулевому уровню (в радианах).

КНД зеркальной параболической антенны можно рассчитать по формуле:

Где: – площадь раскрыва.

Тогда результирующий коэффициент использования поверхности (КИП):

Из условия нормированная напряженность поля на краю раскрыва: , тогда апертурный КИП будет равен:

Рассчитанный КИП примерно совпадает с табличным.

Коэффициент перехвата для рупорной антенны может быть рассчитан следующим образом:

Множитель, определяемый затенением, может быть рассчитан по формуле, полученной из выражения:

Где: – КПД антенны;

– радиус раскрыва облучателя.

КПД зеркальной антенны учитывает тепловые потери энергии в облучателе, в элементах крепления облучателя, в краске, покрывающей внутреннюю поверхность зеркала, и т.д. Обычно .

Коэффициент усиления, с учетом условия, вычисляется следующим образом:

Коэффициент защитного действия антенны, т.е. отношение полей в обратном и главном направлениях определяется преобразованным выражением:

Следующим шагом является расчет питающего прямоугольного волновода, размеры которого должны удовлетворять следующим условиям:

Подставив длину волны, получим:

Согласно приложению 1, подходящим волноводом является волновод с следующими характеристиками:

Таблица 2 – Параметры волновода

Обозначение	Диапазон частот для основного типа волны, ГГц		Внутренние размеры, мм		Толщина стенок, мм
	Начальная частота	Конечная частота	Ширина a	Высота b
	8,2	12,5	22,860	10,160		1,27

Теперь определим длину волны в волноводе:

Сопротивление волновода:

Определим длину отрезка волновода от возбуждающего штыря до закорачивающей стенки:

Длина волновода от возбуждающего устройства до горловины рупора выбирается из условия фильтрации высших типов волн. Вблизи штыря кроме волны возбуждается множество высших типов волн, которые затухаю по мере движения к рупору. Таким образом:

Где: – критическая длинна волны .

Сопротивление излучения штыря в прямоугольном волноводе в режиме бегущей волны определяется следующим соотношением:

Отсюда можно выразить и посчитать (при условии, что :) действующую высоту штыря :

Где: 1,143 – положение штыря на широкой стенке волновода;

– характеристическое сопротивление волны типа Н в волноводе.

Геометрическая длинна штыря может быть найдена из действующей высоты штыря:

По результатам расчетов строится конструктивный чертеж антенны с учетом схемы возбуждения питающего прямоугольного волновода коаксиальным кабелем.

Зеркальная параболическая антенна состоит из металлической поверхности, выполненной в виде параболоида вращения и антенны облучателя, установленного в фокусе параболоида.

Рисунок 6 – Зеркальная параболическая антенна

Рисунок 7 – Схема рупорной антенны (облучателя)

Рисунок 8 – Простой зондовый переход

На этом выполнение курсовой работы закончено.

Москва 2025