Разработка методики расчета и программы для исследования параболической антенны с полосковым облучателем

В данной дипломной работе было целью разработка методики расчета и программы для исследования параболической антенны с полосковым облучателем. Назначение антенны - прием передач спутникового телевидения.

Прием сигналов спутникового телевидения осуществляется специальными приемными устройствами, составной частью которых является антенна. Для профессионального и любительского приемов передач с ИСЗ наиболее популярны параболические антенны, благодаря свойству параболоида вращения отражать падающие на его апертуру параллельные оси лучи в одну точку, называемую фокусом. Апертура - это часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения.

Параболические антенны - антенны, фокусирующие сигнал со спутника в центре своей окружности. Спутниковая антенна - единственный усиливающий элемент приемной системы, который не вносит собственных шумов и не ухудшает сигнал, а следовательно, и изображение. Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный . Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй - офсетными.

Качество материала также влияет на характеристики антенны. Для изготовления спутниковых антенн в основном используют сталь и дюралюминий. Одной из основных тенденций развития современной радиоэлектроники СВЧ является миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Значительные успехи в этом направлении получены при самом широком использовании последних достижений микроэлектроники как в части низкочастотных блоков РЭА, так и её СВЧ модулей. Применение интегральной технологии при создании антенно-фидерных устройств позволяет успешно выполнять противоречивые требования к электродинамическим, аэродинамическим, габаритным, весовым, стоимостным, конструктивным и другим параметрам.

Параболические антенны, изготавливаемые по интегральной технологии, обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малую металлоемкость, габаритные размеры, массу. Для сравнения: турникетная антенна на полуволновых вибраторах с рефлектором имеет массу 200…300 г., аналогичная ПА с теми же электродинамическими характеристиками - на порядок меньше . ПА способны излучать энергию с линейной, круговой и эллиптической поляризацией, допускают удобные конструктивные решения для обеспечения работы в двух- или многочастотных режимах, легко позволяют объединить многие ИЭ в ФАР и разместить их на поверхностях сложной формы. Кроме того, ПА обладают высокими аэродинамическими, механическими и температурными характеристиками.

К недостаткам ПА относятся прочность, трудность конструирования перестраиваемых устройств и измерения параметров печатных элементов.

Антенны в печатном исполнении применяются в диапазоне частот от 100 МГц до 30 ГГц при малых и средних уровнях мощности. На очень низких частотах масса и размеры антенны, сравнимые с длиной волны, становятся весьма значительными. На более высоких частотах эти антенны не имеют преимуществ по сравнению с другими.

Рис.1Эскиз параболической антенны

Параболическая антенна состоит из облучателя и зеркала, которое, преобразуя волну, пришедшую от облучателя в плоскую, формирует остронаправленное излучение. На рис.1 приведен эскиз параболического зеркала с указанием лучей, идущих из фокуса зеркала F, где находится точечный источник сферических волн. Отрезок OF называется фокусным расстоянием и обозначается ƒо. Часть плоскости (при Z = Z0), ограниченная кромкой параболоида, называется раскрывом зеркала. Линия CD представляет собой сечение плоскости раскрыва параболоида.

Ломаная линия FAB обозначает путь произвольного луча электромагнитной волны облучателя. Из аналитической геометрии известно, что длина этого пути не зависит от положения точки на поверхности параболоида. Поэтому все, отраженные от зеркала, лучи в плоскости раскрыва и плоскостях, параллельных ей, оказываются в фазе. Таким образом, параболическая антенна преобразует сферическую волну точечного источника в плоскую. Реальные облучатели не являются точечными. Однако, если фазовый центр облучателя совпадает с фокусом параболоида, можно считать, что облучатель является точечным источником, расположенным в фокусе параболы.

Рис 2. К формированию диаграммы направленности антенны

Увеличение смещения ΔX приводит к появлению фазовых искажений (преимущественно кубических) в раскрыве антенны. Чтобы величина фазовых искажений не превышала допустимой (450), должно выполняться условие

Δх 0,6 λ/sinΨ0, (1)

где λ - длина волны,

Ψ0 - угол раскрыва зеркала.

Смещение облучателя из фокуса в направлении перпендикуляра к оси параболы широко используется в практике для управления диаграммой направленности параболической антенны. При этом обычно облучатель перемещается не перпендикулярно оси Z, а по дуге, радиус которой равен фокусному расстоянию.

При смещении облучателя вдоль фокальной оси (вдоль оси Z) также возникают нелинейные (преимущественно квадратичные) фазовые искажения поля в раскрыве антенны, которые приводят к расширению диаграммы направленности параболической антенны и исчезновению нулей на ней.

Диаграммы направленности реальных облучателей таковы, что не вся, излученная облучателем, энергия попадает на зеркало. Часть энергии облучателя проходит мимо зеркала, что увеличивает уровни боковых лепестков диаграммы направленности зеркальной антенны.

Коэффициент направленного действия (КНД) параболической антенны можно рассчитать по формуле (1.2).

, (2)

где S - площадь поверхности раскрыва;

νрез = νη1 - результирующий КИП (коэффициент использования поверхности раскрыва) зеркальной антенны;

ν - КИП раскрыва зеркала (апертурный КИП), определяемый только амплитудным распределением в раскрыве (если раскрыв возбуждается синфазно);

η1 = РΣ/ РОБЛ- отношение мощности, излученной зеркалом, к мощности излученной облучателем (потери в зеркале здесь не учитываются).

Коэффициент усиления (КУ) G можно определить по формуле

G = η2*D, (3)

где η2 = РΣ / РОБЛ;

Р ОБЛ - мощность подведенная к облучателю.

Коэффициент η2, который можно назвать КПД зеркальной антенны, учитывает тепловые потери энергии в облучателе, в элементах крепления облучателя, в краске, покрывающей внутреннюю поверхность зеркала и т.д.

Если при заданной форме зеркала (R0/ƒ0 = const) расширять диаграмму направленности облучателя, то облучение зеркала становиться более равномерным (апертурный КИП растет), что ведет к росту ν рез и КНД. Однако вместе с тем увеличивается доля энергии, проходящей мимо зеркала (уменьшается η1), что уменьшает νрез и КНД.

При сужении диаграммы направленности облучателя возрастает неравномерность амплитудного распределения (уменьшается ν), при этом уменьшается νрез и КНД, но одновременно уменьшается переливание энергии через края зеркала (растет η1), что вызывает увеличение νрез и КНД.

Два, противоположно действующих на КНД антенны, фактора при постоянной величине R0/ƒ0 или угла раскрыва зеркала (2Ψ0) и при изменяемой ширине диаграммы направленности облучателя, определяют условия оптимального облучения зеркала, при котором КНД становится максимальным.

Для большинства, применяющихся на практике, облучателей оптимальное условие облучения зеркала выполняется, если диаграмма направленности облучателя обеспечивает уменьшение напряженности поля на краях зеркала (ЕКР) относительно напряженности поля у его вершины (Е0) на 10 дБ, т.е. 20lg(ЕКР /Е0) = -10 дБ или ЕКР /Е0 = 0,316.

Диаграмма направленности параболической антенны определяется диаграммой направленности облучателя и формой зеркала (R0 /f0)

• Основные типы параболической антенны
• Патентные исследования
• Методика расчета полосковых излучателей для параболических антенн
• Исследование характеристик излучения полосковой антенны - излучателя параболической антенны
• Модифицированный резонансный метод
• Излучение пространственных волн
• Излучение поверхностных волн
• Учет потерь в ПА. Эффективность излучения. Коэффициент полезного действия ПА
• Диаграмма направленности ПА
• Анализ результатов исследования
• Безопасность параболической антенны
• Воздействие электромагнитных излучений на организм человека
• Допустимые уровни воздействия электромагнитного поля
• Средства защиты от воздействия электромагнитных волн
• Устройство помещений и размещение оборудования в них
• Защита от электрических и магнитных полей и электромагнитных излучений
• Влияние радиоволн на окружающую среду
• Биофизика воздействия электромагнитного поля СВЧ излучения на организм
• Допустимые нормы облучения СВЧ излучением
• Методы защиты от электромагнитных полей
• Измерение напряженности и плотности потока энергии электромагнитных полей
• Технико - экономическое обоснование исследования эффективности излучения ПА
• Расчет основных показателей по производству и реализации продукции
• Расчет прямых затрат
• Расчет себестоимости одной единицы выпускаемого изделия
• Экономическая эффективность разрабатываемого устройства

Другие материалы

Ррасчет спектра различных сигналов и их энергетических характеристик
В последнее десятилетие ХХ века произошла научно-техническая революция в области транспортной связи, в основе которой лежат два крупных достижения науки середины нашего столетия: общая теория связи и ...

Разработка зеркальной параболической антенны с рупорным облучателем
Зеркальные параболические антенны широко применяются в радиостанциях различного назначения - радиолокационных, навигационных, радиорелейных и других системах СВЧ диапазона. ...

Разработка приборного оснащения беспилотных летательных аппаратов для контроля санитарно-гигиенических характеристик атмосферного воздуха в приповерхностном слое
Большие объемы выбросов вредных веществ в атмосферу приводят к её интенсивному загрязнению, поэтому вопросы мониторинга загрязнений являются особо важными. Особую сложность представляет ...