Министерство образования Российской Федерации.
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
(ТУСУР).
Кафедра сверхвысоких частот и квантовой радиотехники
(СВЧиКР).
Курсовая работа по дисциплине Антенны и устройства СВЧ.
Приемнаяантенна для СТВ
Студент гр.:
_____
“__”______.
Преподаватель:
_____.
“__”______.
Реферат
Пояснительная запискасодержит стр. 16., рисунков 11, таблицы 2.
АНТЕННА, РУПОР, ПОЛЯРИЗАТОР, СТВ, ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ, ОБЛУЧАТЕЛЬ,ЗЕРКАЛО
В курсовом проекте была рассчитана зеркальная антенна для приема СТВ.
Курсовой проект выполненс использованием текстового редактора Microsoft World2000 для Windows 2000 и MathCAD 11а Enterprise.
Введение. 4
2. Расчетпараболической антенны. 5
2.1. Расчет облучателя. 5
2.1.1. Определение угла раскрыва параболоида. 6
2.2 Расчет параболоида. 7
2.2.1 Определение диаметра параболоида 2Rп и фокусного расстояния f 7
2.3 Расчет диаграммы направленности. 8
2.4 Расчёт G антенны… 10
3. Расчетпринятой мощности. 11
3.1 Затухания в свободном пространстве. 11
3.1.1 Затухания в тропосфере. 11
3.2.2 Затухания в ионосфере. 13
4. Принципдействия ферритового поляризатора. 15
Списокиспользованных источников. 16
Введение
Широкоераспространение в диапазоне СВЧ получили остронаправленные широкодиапазонныеантенные устройства, аналогичные оптическим рефлекторам или прожекторам. Спомощью них оказалось возможным радиорелейная связь, межконтинентальныетелевизионные передачи (спутниковая связь), связь с космическими объектами,радиоастрономия, радиолокация и некоторые другие практические приложениярадиотехники СВЧ.
Зеркальныеантенны характерны тем, что их геометрические размеры намного превосходят длинуволны. Они подобны оптическим приборам и электромагнитные процессы в такихантеннах приближенно могут быть описаны с помощь законов геометрической оптики.Поэтому внешний вид некоторых антенн напоминают оптические линзы и зеркала,которые в радиотехнике преобразуют сферические и цилиндрические волны вплоские.
Зеркальныеантенны составлены из облучателя и зеркальной поверхности. В качествеоблучателя используется любая слабонаправленная антенна, в данном случаеоткрытый конец прямоугольного волновода.
2.Расчет параболической антенны. 2.1. Расчет облучателя.
Так как облучательявляется важнейшим элементов зеркальной антенны, в значительной степениопределяющим ее параметры, то расчет обычно начинается с выбора облучателя.Основными критериями для его выбора являются рабочая длина волны, требования кдиапазонности, тип фидера, величина подводимой мощности, близкий к сферическомуфронт волны в пределах угла раскрыва зеркала (с допуском порядка ±λ/16),диаграмма направленности с концентрацией энергии в пределах одной полусферы,хорошее согласование с фидером, малое затенение и ряд специфических требований,обусловленных особенностями радиотехнического устройства, где используетсяантенна.
Облучатели в видеоткрытого конца волновода или рупора удобно использовать при больших мощностяхизлучения. Они обладают также хорошими диапазонными свойствами. Однако открытыйконец прямоугольного волновода обладает разными диаграммами направленности вплоскостях E и Н. От этого недостатка свободнырупорные облучатели, где имеется возможность почти независимой регулировкидиаграмм направленности в плоскостях Е и Н путем подбора размеров раскрыварупора /> и />, таким образом получениядиаграммы в виде тела вращения.
(2.1.1) Так как длябольшинства облучателей антенна получается оптимальной, когда уровень облучениякрая зеркала на 10 дБ ниже уровня его центра (0,316 по напряженности поля), тодиаграмма направленности облучателя должна удовлетворять соотношению
/>
где /> – угол раскрывапараболоида.
/>Как известно, нормированноераспределение поля на раскрыве зеркала связано с диаграммой направленностиоблучателя м параметрами парабалоида соотношением/>
(2.1.2)
/>
/>где f– фокусное расстояние, /> – расстояние отфокуса до точки на поверхности зеркала.
Диаграммунаправленности небольшого рупора можно рассчитать при помощи следующихприближенных соотношений/> /> /> /> /> /> />
((2.1.3) />
где /> – нормированные диаграммынаправленности по напряженности поля в плоскостях Е и Н соответственно;
/> – угол, отсчитываемый отнаправления максимума диаграммы направленности;
/> – размер раскрыва рупора в плоскости Н;
/> – размер раскрыва рупора в плоскости E;
/> , где />2.1.1. Определениеугла раскрыва параболоида
После выбора излучателя следует найтисоотношение между радиусом параболоида
/> определим из следующегосоотношения /> и фокусным расстоянием /> (рис. 2.1) при помощивыражения /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
(2.1.4) /> /> /> />
Рис. 2.1
Чтобыопределить угол раскрыва /> /> выбирается в пределах />,выберем его равным 0.5, тогда
/>
С помощью выражений(2.1.2),(2.1.3) получим следующие уравнения/> /> /> /> /> /> />
(2.1.5) />
/>Решим уравнения (2.1.5) с помощьюграфиков функций /> /> (рис. 2.2)
Рис. 2.2 Графики функций
откуда />2.2 Расчет параболоида. 2.2.1 Определение диаметра параболоида 2Rп и фокусного расстояния f
Из приближенной формулыдля КНД найдем радиус параболоида Rп
/> (2.2.1)
где /> — площадь раскрывa парабалоида.
/>
/> (2.2.2)
Следовательно, />
Фокусноерасстояние можно определить пользуясь формулой /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
(2.2.3) /> /> /> />
Диаметр парабалоида /> связан с заданной длинойволны /> и требуемым углом растворадиаграммы направленности на уровне половинной мощности (2q0.5) приближенной зависимостью
/> (2.2.4)
Тогда />2.3 Расчет диаграммы направленности.
Используя формулы(2.1.3) построим нормированную диаграмму направленности облучателя.
/>
Рис. 2.3.1.Диаграмма направленности облучателя в полярной системе координат
Найдем распределениеполя в раскрыве параболоида, для этого воспользуемся следующей формулой
/>
/>
(2.3.1)
где />.
Полученные данныезанесем в таблицу 2.3.1.
Таблица2.3.1j sin(j) cos(j)
/>
/>
/>
/>
/> F(R) F1(R) F2(R)
5,3
10,6
15,9
21,2
26,5
31,8
37,1
42,4
47,7
/>
0.092
0.184
0.274
0.362
0.446
0.527
0.603
0.674
0.74
0.799
1
0.996
0.983
0.962
0.932
0.895
0.85
0.798
0.738
0.673
0.602
0.54
0.541
0.545
0.551
0.559
0.57
0.584
0.601
0.621
0.646
0.674
1
0.998
0.991
0.981
0.966
0.947
0.925
0.899
0.869
0.837
0.801
1
0.99
0.961
0.914
0.853
0.782
0.705
0.625
0.547
0.473
0.405
0.05
0.1
0.151
0.202
0.254
0.308
0.362
0.419
0.477
0.538
0.093
0.186
0.279
0.374
0.471
0.57
0.671
0.776
0.884
0.997
1
0.988
0.953
0.897
0.825
0.741
0.652
0.562
0.475
0.396
0.325
1
0.994
0.977
0.947
0.905
0.85
0.781
0.696
0.594
0.472
0.329
1
0.988
0.954
0.899
0.824
0.734
0.633
0.529
0.432
0.357
0.325
/>
Рис. 2.3.2 Распределение поля нараскрыве рупора
По найденномураспределению поля на раскрыве вычисляется диаграмма направленности зеркальнойантенны />. Картина распределения поля на раскрыве зеркала может быть аппроксимирована при помощи соотношения:
/> (2.3.2)
где /> — равномерная частьраспределения поля; />
/> — неравномерная часть распределения поля; />
n=1,2,3
Полученныезначения (при n=1 и n=2) внесены в таблицу 2.3.1.
Каквидно из таблицы 2.3.1, более точная аппроксимация распределения поля нараскрыве зеркала при n=2.
Выражениедля нормированной диаграммы направленности антенны будет иметь вид:
/>/> (2.3.3)
где
n – показательстепени выражения, аппроксимирующего поле на раскрыве. (n=2)
Результаты расчета диаграммынаправленности представим в виде таблицы 2.3.2
Таблица 2.3.2, град
sin(/>)
/> L1(u) 3aL1(u) L3(u) bL3(u)
/>
0.17
0.34
0.51
0.68
0.85
1.02
1.19
1.36
1.53
1.7
0.003
0.006
0.009
0.012
0.015
0.018
0.021
0.024
0.027
0.03
0.419
0.839
1.258
1.678
2.097
2.517
2.936
3.355
3.775
4.194
1
0.978
0.915
0.815
0.687
0.542
0.392
0.247
0.118
0.012
0.065
0.975
0.954
0.892
0.794
0.67
0.529
0.382
0.241
0.115
0.012
-0.064
1
0.985
0.93
0.9
0.837
0.81
0.74
0.627
0.498
0.392
0.316
0.675
0.665
0.628
0.608
0.565
0.547
0.5
0.423
0.336
0.265
0.213
1
0.981
0.921
0.85
0.748
0.652
0.535
0.402
0.273
0.168
0.09
Построимдиаграмму направленности в декартовой системе координат
/>
Рисунок 2.3.3Диаграмма направленности антенны в декартовой системе координат2.4 Расчёт G антенны
Расчёт G антенны будем вести по следующейформул
/> (2.4.1)
где />– коэффициент использованияплощади раскрыва зеркала, полностью определяется характером распределения поляв раскрыве.
S – геометрическая площадь раскрыва;
/> – коэффициент полезного действияпараболической антенны (примем />)
/>
Коэффициент направленногодействия (усиления), определенный по формуле (2.4.1) не учитывает потерьэнергии на рассеивание, т.е. потерь энергии, проходящей от облучателя мимозеркала.
/>3. Расчет принятой мощности.3.1 Затухания в свободном пространстве.
Распространение УКВ налинии Земля-Космос осуществляется через тропосферу и ионосферу Земли исопровождается ослаблением радиоволн. Ослабление обусловлено тремя причинами:поглощением радиоволн водяными парами и газами, поглощением и рассеяниемразличными гидрометеообразованиями (дождь, снег, облака, туман и т.п.) ипоглощением радиоволн в ионосфере.
Сначала рассчитаемпринятую мощность без учета влияния атмосферы, а затем найдем затухания ватмосфере.
Определим принятуюмощность по формуле/> /> /> /> /> />
(3.1.1) /> /> />
где /> – коэффициент усиленияприемной антенны.
/> – коэффициент усиления спутниковойантенны.
/> – расстояние до спутника.
Множитель ослабления вобщем виде может быть записан следующим образом:
/>
где /> – полный показательослабления на участке трассы проходящем в ионосфере;
/> – полный показатель ослабления научастке радиолинии в “чистой” атмосфере;
/> — полный показатель ослабления научастке радиолинии с гидрометеообразованиями;3.1.1 Затухания втропосфере.
Ослабление в “чистой”атмосфере и атмосферных образованиях происходит в результате поглощения энергиирадиоволн и их рассеяния молекулами газов или взвешенными частицами вещества.
Полные показателиослабления можно записать в виде:
/> (3.1.2.)
/> (3.1.3.)
где /> и /> – коэффициенты ослабленияв “чистой” атмосфере и в атмосферных образованиях
/>Показательослабления радиоволн в тропосфере /> зависитот угла места />, т.е. от угла,под которым траектория волны направлена к горизонту (рис. 3.1.1). Так какплотность газов уменьшается с высотой, то наименьшая величина /> будет при распространениирадиоволн в направлении, перпендикулярном к поверхности Земли (/>)
Рис. 3.1.1
/>Гидрометеообразования, илигидрометеоры (осадки, туман, облака и т.п.), вызывают ослабление электромагнитныхволн, имеющих длину волны 3-5см и короче.
Коэффициент ослабления в тумане иоблаках для водности, равной 1 /> представленна рис. 3.1.2. Под водностью понимается количество водяного пара (в граммах),находящегося в одном кубическом метре воздуха. Водность тумана (облака)колеблется от 0,03 (слабый туман) до 2,3/> (сильныйтуман).
/>
Результаты расчетов /> для радиоволнсантиметрового и миллиметрового диапазонов, распространяющихся в дождяхинтенсивностью от 0.1мм/ч (очень слабый моросящий дождь) до 100 мм/ч (ливень),представлены в виде кривых (рис. 3.1.3). С увеличением интенсивности дождя и уменьшениемдлины волны коэффициент ослабления возрастает.
Рис. 3.1.3
Пользуясь графиками 3.1.1, 3.1.2,3.1.3, определим суммарные показатели ослабления радиоволны в тропосфере />, />, для нашего случая (/> или />, />, />).
/>
/> при отсутствии дождя
/> при очень сильном дожде3.2.2 Затухания вионосфере.
Поглощение радиоволн вионосфере обусловлено столкновениями электронов с нейтральными молекулами иионами. В результате энергия радиоволны уменьшается вследствие частичного ееперехода в тепловую энергию.
/> (3.2.1)
где /> -коэффициент поглощения в ионосфере
/> (3.2.2)
где /> – относительнаядиэлектрическая проницаемость ионизированного газа;
/> – проводимость ионизированного газа.
/> (3.2.3)
/> (3.2.4)
где /> – электронная концентрацияионизированного газа (определяется из графика 3.2.1);
/>/> – число столкновений электронов с молекулами или сионами в единицу времени (определяется из графика 3.2.2)
/>Рис 3.2.1 Рис.3.2.2
Пользуясь графиками 3.2.1,3.2.2, а также формулами 3.2.1-3.2.4 найдем коэффициент ослабления в ионосфере.
/>
/>
/>
/>
На данной частоте (12,5ГГц) ослабление радиоволн в ионосфере отсутствует (очень мало по сравнению с ослаблениемв тропосфере)
/> расстояние до спутника (стационарнаяорбита)
Итак множитель ослаблениярадиоволн на трассе Земля-Космос можно найти из формулы (3.2.4)
(3.2.4)
/> Для самого худшего случая (сильный дождь)
Принятая мощность сучетом влияния атмосферы
/>4. Принцип действияферритового поляризатора.
Действие поляризационногоциркулятора основано на использовании поворота плоскости поляризацииэлектромагнитной волны в волноводе с продольно намагниченным ферритовымстержнем.
Ферритовый поляризаторпредставлен на рисунке 4.1.
/>
Рис. 4.1 Чертежферритового поляризатора
Вдоль оси круглоговолновода установлен ферритовый стержень круглого сечения, находящийся подвоздействием постоянного магнитного поля />,направленного вдоль стержня. Такое магнитное поле создается с помощьюсоленоида, намотанного снаружи круглого волновода. Для уменьшения управляющегопостоянного магнитного поля применяются диэлектрические втулки, которыенадеваются на ферритовый стержень и значительно увеличивают концентрацию поля вобласти расположения феррита, что приводит к увеличению угла поворота плоскостиполяризации.
Длина ферритового стержняи напряженность постоянного магнитного поля /> подбираютсятакими, чтобы плоскость поляризации электромагнитной волны при распространениивдоль стержня повернулась на угол />.Направление поворота плоскости поляризации будет зависеть от направленияпостоянного магнитного поля.
Списокиспользованных источников.
1.Жук М.С., Молочкон Ю.Б.Проектирование антенно-фидерных устройств. –М.1966
2.Зузенко В.А., КисловА.Г., Цыган Н.Я. Расчет и проектирование антенн.-Л.1969
3.Драбкин А.Л., ЗузенкоВ.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства.-М1974.
4.Красюк Н.П., ДымовичН.Д.Электродинамика и распространение радиоволн.-М1974