Учебно-методическое пособие и задания на курсовой проект по курсу Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в системах радиосвязи и ради

Вариант № 2

Рассчитать волноводно-щелевую антенну (ВЩА) на прямоугольном волноводе, предназначенную для приемной станции связи летательного аппарата. Антенна работает на частоте f = и должна обеспечить на выходе уровень сигнала Рпр = при напряженности электрического поля в точке приема Е = .

В расчете необходимо:

1.Определить требуемый коэффициент направленного действия (КНД) на расчетной частоте.

2.Рассчитать два варианта ВЩА:

а) в режиме синфазного возбуждения щелей, б) в режиме несинфазного возбуждения, при этом расстояние между

щелями выбрать таким, чтобы отклонение главного максимума диаграммы направленности (ДН) от нормали к линии расположения щелей было не более 0 .

Определить конструктивные размеры ВЩА: число щелей – n, размеры поперечного сечения волновода:

a– длина широкой стенки;

b– длина узкой стенки; длина щелей – 2 ;

расстояние между щелями – d;

расстояние от центра щелей до оси волновода - x1 .

Расположение щелей на волноводе должно обеспечить создание веерной ДН.

3.Рассчитать проводимость щелей исходя из требования согласования антенны с волноводом.

4.Рассчитать ДН ВЩА в двух главных плоскостях.

5.По построенным ДН антенны в режиме синфазного возбуждения рассчитать КНД антенны и сравнить его с определенным в п.1.

6.Рассчитать возбуждающее устройство при запитывании коаксиальным кабелем.

7.Выполнить габаритный чертеж антенны для двух вариантов 2а)

и2б).

Числовые данные для расчета приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

11

1 - разность фаз соседних щелей по питанию (при синфазном

возбуждении 1 = 0, при несинфазном 1 2 d ).

в

Синфазная ВЩА имеет ДН в плоскости Е (рис. 11.13) 4 .

Расчет КНД, по полученным ДН провести по формуле (8.31) [6]

D DE DH ,

где DE 3 , а DH - определяется графически, по рассчитанной ДН в пл. Н [4, с. 92-94] или рассчитывается по формуле (4.21) [4].

Расчет возбуждающего устройства при переходе от коаксиальной линии к прямоугольному волноводу выполнить в соответствии с методикой, изложенной в [5, c. 156-160] в которой определяются расстояние от штыря до закорачивающей стенки волновода, действующая и геометрическая высота штыря.

Одноволновый режим в прямоугольном волноводе выполняется при

При выборе размеров стандартного волновода на заданную рабочую частоту используйте данные Приложения 1.

Вариант № 3

Спроектировать зеркальную антенну в виде параболоида вращения.

Исходные данные:

-рабочая длина волны ;

-ширина диаграммы направленности (ДН) по половинной мощности 20,5 ;

-уровень первого бокового лепестка 1 ;

-коэффициент направленного действия (КНД) облучателя D .

13

определяемый затенением, по преобразованной формуле (18.53) [6] и коэффициент усиления антенны G при 1. По формуле (18.132) [6] рассчитывается коэффициент защитного действия .

11. По заданной длине волны определяются размеры питающего прямоугольного волновода a и b , исходя из условия распространения в волноводе только волны основного типа H10 [5, с. 152] и

выбирается по Приложению стандартный волновод.

12.По результатам расчетов строится конструктивный чертеж антенны

сучетом схемы возбуждения питающего прямоугольного волновода коаксиальным кабелем [5, с. 151-160]. В схеме возбуждения определяются длина отрезка волновода l1 от возбуждающего штыря до

закорачивающей стенки, длина волновода l2 от возбуждающего штыря до горловины рупора, действующая и геометрическая высота штыря.

Вариант № 4

Спроектировать двухзеркальную антенну Кассегрена. Антенна устанавливается на борту искусственного спутника Земли (ИСЗ) и осуществляет передачу на Землю линейно поляризованных сигналов на частоте f0 . ИСЗ находится на стационарной орбите и предназначен для

ретрансляции телевизионных сигналов на радиолинии Земля-ИСЗ-Земля.

Втаблице 1.4 указаны технические параметры для аппаратуры:

-мощность бортового передатчика Pпер. ;

-мощность на входе наземного приемника Рвх.пр. и коэффициент усиления приемной антенны на Земле Gпр. .

15

Методические указания

1.Используя энергетику радиолинии Земля-ИСЗ, сначала определяют величину коэффициента усиления у бортовой передающей антенны Gпр. .

Для этого в уравнение передачи для радиолинии -типа (15.5) [1] надо подставить значения величин, приведенных в табл. 1. Коэффициенты полезного действия (КПД) фидерного тракта со стороны передачи и

поверхности раскрыва исп. 0,65 0,7 , (8.15) [1] , в дальнейшем при

проведении расчетов эти значения следует уточнить.

2. При проектировании антенны следует применить классическую схему построения антенны Кассегрена: большое зеркало имеет форму параболоида вращения, а малое – гиперболическую форму. Для определения конструктивных размеров у элементов антенны надо использовать рекомендации и расчетные соотношения, приведенные в разделе 1.2 (1.20) [8], при этом диаметр вспомогательного зеркала следует выбирать из соотношения

d0 0.06 0.2 Д0 , наиболее употребительные значения эксцентриситета гиперболоида лежат в пределах 1, 2 2,0 , исходя из

угол облучения краев малого зеркала 2 ;

16

фокусами гиперболоида 2С.

3. В качестве облучателя проектируемой антенны использовать конический рупор. Конструкция облучателя подробно описана в разделе 6 [5], при этом диаграмма направленности рупора в пл. H и в пл. E без учета отраженной волны определяются следующими соотношениями:

J1 x - функция Бесселя 1-го порядка,

x kr sin .

Для получения максимального значения КНД, небольших фазовых искажений и диаграммы направленности, близкой к асимметричной, ширина диаграммы направленности по уровню -10 дБ должна удовлетворять условию (2.3) [9]

( 2 - угол облучения краев малого зеркала);

a - радиус раскрыва рупора.

Длина оптимального конического рупора связана с диаметром его раскрыва 2a и длиной волны следующим соотношением (6.17) [5]

l 2a 2 0,15 . 2, 4

К рупорному облучателю необходимо также рассчитать возбуждающее устройство [5]. Подвод питания к круглому волноводу осуществить коаксиальным кабелем. При расчете возбуждающего устройства необходимо определить действующую длину вибратора, расстояние от

17

конца волновода до вибратора и длину стакана от вибратора до раскрыва круглого волновода, при условии, что сопротивление излучения вибратора составляет R 50 Ом.

В данной антенне схема возбуждения представляет собой волноводнокоаксиальный переход, при котором штыревой вибратор возбуждает круглый волновод.

Для расчета диаграммы направленности антенны следует исходную двухзеркальную антенну заменить эквивалентной однозеркальной антенной, а затем определить распределение амплитуд поля по раскрыву этого эквивалентного зеркала и, в заключение, по нему рассчитать форму диаграммы направленности антенны, при этом диаметр эквивалентного зеркала равняется диаметру большого зеркала двухзеркальной антенны, т.е. D0 Dэкв , а фокусное расстояние определяется из выражения

Fэ F ee 11 .

Распределение амплитуды поля по раскрыву эквивалентного зеркала определяется графическим способом с использованием ДН облучателя (8.10) [1]. После его построения на раскрыве зеркала следует выполнить аппроксимацию этого распределения некоторой аналитической функцией. Лучше всего для этой цели подходит аппроксимация, рекомендуемая в разделе 8.2.2 [1]:

где n u – лямбда-функция n-го порядка,

ukR0 sin ,

– угол, отсчитываемый от нормали к поверхности зеркала.

Для вычисления n u надо использовать соотношение:

n u 2n nn! Jn u , u

где Jn u - функция Бесселя n-го порядка,

n! 1 2 3 n .

По рассчитанной ДН следует оценить уровень первого бокового лепестка и ширину главного лепестка 20.5 и 20 .

4. По рассчитанной ДН определяется КНД антенны (формула 4.21) [4], затем рассчитываются результирующий КИП ракрыва исп , апертурный

КИП a и коэффициент защитного действия по формуле 8.24 [1] .

5. В заключение следует разработать сборочный чертеж антенны с элементами крепления и устройством сопряжения с фидерным трактом.

18

3.Используя рекомендации по выбору угла облучения зеркала и углов раскрыва рупора, по формуле (5) рассчитывают площадь апертуры зеркала.

4.По формуле (6) рассчитывается профиль параболического зеркала

впл. X0Ƶ, и далее определяются радиусы сегмента кольца 1 и 2 .

5.Для упрощения расчетов диаграммы направленности антенны излучающая амплитуда в виде сегмента кольца заменяется эквивалентным прямоугольником аxb.

6.По формулам (7) и (8) рассчитывается диаграмма направленности антенны как для случая горизонтальной поляризации поля, так и для случая вертикальной поляризации поля. Распределение поля в раскрыве предполагается таким, как в волноводе с волнами Н10 + Н01. Расчеты

7.По формуле (9), (7.77) и (7.75) [10] оценивается коэффициент направленного действия антенны D.

8.Используя формулу (10), рассчитывают коэффициент защитного

действия антенны для f f0 .

9.Рассчитывается профиль гиперболического перехода,

соединяющего рупор с квадратным волноводом. При этом используется

уравнение гиперболы (11) и эмпирические формулы (12) и (13).

10.Производится выбор размеров квадратного волновода,

работающего с волнами Н10 + Н01.

11. По результатам расчетов выполняется конструктивный чертеж

антенны.

20