Приемная антенна для космической линии связи

Приемная антенна для космической линии связи

Тема: «Приемная антенна для космической линии связи»

Содержание

Введение

1. Выбор типа фидера и расчет его КПД

. Определение требуемого коэффициента усиления приемной антенны

. Выбор типа антенны и расчет ее геометрических размеров

. Расчет диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях

. Определение коэффициента направленного действия антенны по рассчитанной диаграмме направленности

. Выбор схемы питания антенны и ее электрический расчет

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

Приемная антенна, рассчитываемая в данной курсовой работе должна удовлетворять требованиям предъявляемых ей спецификой космических линий связи. Обладать высоким КНД, позволяющим уверенно принимать сигналы ИСЗ находящимся на орбите с апогеем 40 тыс. км.

На космических линиях связи используется УКВ, что позволяет передавать информацию в широкой полосе частот. Применение УКВ позволяет уменьшить габариты антенн и высокочастотной аппаратуры. Поглощение волны проходящей через ионосферу уменьшается с ростом частоты.

Особенностью космической линии связи является не устойчивость поляризации радиоволн, которая связана, как с влиянием ионосферы, так и с изменением взаимной ориентации приемной и передающей антенн. Для устранения влияния нестабильности поляризации в линиях космической связи применяются антенны с круговой или эллиптической поляризацией.

приемная антенна фидер космическая связь

1. Выбор типа фидера и расчет его КПД

Подключение антенны к приемному устройству осуществляется с помощью фидера. В соответствии с заданием длина фидера составляет 15м, а рабочая частота 700МГц.

Сформулируем основные требования, предъявляемые к фидеру:

не должен обладать антенным эффектом;

коэффициент затухания в фидере должен быть минимальным;

должен быть согласован с антенной и входом приемного устройства;

должен обладать достаточной механической прочностью и устойчивостью к внешним воздействиям (климатическим и погодным).

(так как данный фидер предназначен для работы в приемном тракте, требования по допустимой средней мощности к нему не предъявляются)^*

Исходя из выше сформулированных требований и того, что наибольшее распространение получили 50-омные блоки ( в ВЧ и ПЧ трактах приемопередатчиков), в качестве фидера выбираем радиочастотный коаксиальный кабель РК-50-22-37. Коаксиальный радиочастотный фидерный кабель РК 50-22-37 (7/8" Feeder Cable), очень высокого качества, с диэлектриком из вспененного полиэтилена и центральным проводником в виде медной трубки. Применение светостабилизированного полиэтилена в качестве внешней оболочки гарантирует высокую надежность и долговечность эксплуатации кабеля в различных климатических условиях. Кабель соответствует требованиям ТУ16.К99-031-2006.

Основной областью применения фидерного кабеля являются сотовые и спутниковые системы связи, радиорелейные линии.

Таблица 1 Параметры кабеля РК-50-22-37

Обозначения:- физически вспененный полиэтилен- чистая медь- полиэтилен

Коэффициент укорочения длины волны в фидере - К_у=0,88

Таблица 2 Коэффициент затухания кабеля РК-50-22-37 на различных частотах

Рассчитаем КПД фидера, для режима бегущих волн

                                                (1)

где l_Ф - длина фидера [м], α - коэффициент затухания в [дБ/м]

. Определение требуемого коэффициента усиления приемной антенны

Мощность поступающая в приемную антенну определяется по формуле

      (2)

где r- расстояние до спутника (40000 км); F- коэффициент ослабления (F =0,8); D₁ - коэффициент усиления приемной антенны; D₂ - коэффициент усиления передающей антенны (25дБ); P₂ - мощность бортового передатчика (250Вт); P₁- мощность поступающая в приемную антенну; λ=0,429м.

Исходя из задания мощность поступающая на вход приемного устройства должна составлять Р≥11пВт, тогда с учетом потерь в фидере (см пункт 1), мощность поступающая в приемную антенну определяется как:

Выразим из формулы (2) коэффициент усиления приемной антенны D₁

                                                          (3)

Подставляя значения в формулу (3) находим искомый коэффициент усиления приемной антенны

. Выбор типа антенны и расчет ее геометрических размеров

Спиральная антенна удовлетворяет требованиям предъявляемых к ней в данной курсовой работе. Она обладает круговой (эллиптической) поляризацией. Спираль может работать как самостоятельная антенна или являться элементом антенной решетки.

Так как рассчитываемая антенна должна обладать достаточно большим коэффициентом усиления (см. п. 2), то она будет представлять собой антенную решетку элементом которой в нашем случае является спираль.

Спиральная антенна представляет собой металлическую спираль из нескольких витков над плоским сплошным или сетчатым экраном (рисунок 1). Со стороны экрана спираль подключается к центральному проводнику коаксиальной линии. Второй конец спирали остается свободным. Экран выполняет функции переходного устройства, устраняя антенный эффект фидера и уменьшая обратное излучение.

Рисунок 1. Спиральная антенна

Рассчитаем геометрические размеры спирали. Из пункта (2) известно что коэффициент усиления антенны должен составлять . Коэффициент усиления для спиральной антенны определяется по следующей формуле.

                                                          (4)

де l - длина витка, n - число витков, S - шаг спирали.

Исходя из условия, что λ≈ l, найдем из формулы (4) произведение  т.е. длину спирали.

Шаг спирали принимаем равным:

                                                          (5)

Тогда угол подъема спирали

                          (6)

Радиус спирали

                        (7)

Диаметр экрана спирали

                                                  (8)

Диаметр проводника спирали

                                                 (9)

Входное сопротивление спиральной антенны активно и определяется длиной витка спирали

                                                 (10)

Ом

Число витков спирали с округлением до целого

Так как длина спирали оказалась слишком большой, антенну выполняем из нескольких спиралей соответственно меньшей длины. Примем число витков в каждой из спиралей равным .

Спирали в пространстве необходимо разнести так, чтобы их эффективные площади не перекрывались. С этой целью расстояния между центрами спиралей должны удовлетворять условию

                              (11)

Таким образом рассчитанная антенна будет представлять собой плоскую эквидистантную равноамплитудную решетку состоящую из  спиральных антенн, расстояние между центрами которых ^* (расстояние на котором эффективные площади спиралей не перекрываются).

Так как ширина ДН для антенн космических линий связи должна быть одинаковой в обеих плоскостях, то количество спиралей в антенне удобно принять равным 36 и сформировать плоскую антенную решетку с равным количеством элементов вдоль оси x и y, n_x=n_y=6. Для формирования односторонней диаграммы направленности применим рефлектор расположенный на расстоянии .

Рисунок 2. Эскиз плоской антенной решетки

Рефлектор антенны для уменьшения парусности выполняется решетчатым и располагается на расстоянии . Минимальная площадь рефлектора

. Расчет диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях

Расчет диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях выполнен в программе MathCAD.

Так как количество элементов решетки в обеих плоскостях одинаковое, ДН в этих плоскостях идентичны.

В ходе расчета ДН, оптимальное расстояние между центрами спиралей d_c=0,45^*. При данном расстоянии выполняется условие - эффективные площади спиралей не перекрываются (11).

5. Определение коэффициента направленного действия антенны по рассчитанной диаграмме направленности

Определим по рассчитанной ДН коэффициент направленного действия.

По полученной ширине ДН (по уровню половинной мощности) , КНД составляет:

КНД рассчитанный в программе MathCAD, составил:

Таким образом, полученный коэффициент направленного действия удовлетворяет условию, полученному в пункте 2.

. Выбор схемы питания антенны и ее электрический расчет

При запитывании спиралей антенной решетки удобно объединять их блоками по четыре (4/36), каждые три блока (4/36) включаются параллельно через четверть волновые трансформаторы W_T1, образуя блок (12/36) В свою очередь блоки (12/36) включаются параллельно через согласующие трансформаторы с магистральным фидером. Выбранная схема питания приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема питания антенной решетки

Произведем электрический расчет блока из четырех спиралей (4/36) приведенного на рисунке 4.

Рисунок 4. Блок из четырех спиралей

Из формулы (10) известно, что сопротивление одной спирали R_C=140 Ом. При параллельном включении четырех спиралей, сопротивление блока в точке «а» R_А=35 Ом. Что бы выполнялось данное равенство длина фидера соединяющего спираль с точкой «а» должна быть, с учетом коэффициента укорочения:

Что бы получить в точке «b» сопротивление 150 Ом, сопротивление четверть волнового трансформатора W_T должно равняться:

Рисунок 5. Блок из 12 спиралей

На рисунке 5 приведена схема подключения в параллель трех блоков спиралей (4/36) в точку «с». Длина кабелей соединяющих выходы трёх трансформаторов W_T1 в данной точке, из условия полной трансформации сопротивления, также должна быть кратна полу волне. Таким образом входное сопротивление блока (12/36) R_C=150/3=50 Ом.

Для согласования с магистральным фидером три блока (12/36) подключаются параллельно через трансформаторы W_T2, так как волновое сопротивление магистрального фидера 50 Ом, то сопротивление на выходе трех трансформаторов при их параллельном включении на магистральный фидер должно быть по 150 Ом. Следовательно:

Рассчитанные трансформаторы W_T1 и W_T2 выполняются в виде четверть волновых отрезков коаксиальной линии, зависимость волнового сопротивления которой от геометрических размеров определяется формулой (13).

                                   (13)

Рассчитаем геометрические размеры четвертьволновых трансформаторов.

На рисунке 6 приведен эскиз трансформатора

Рисунок 6. Четвертьволновый трансформатор в виде отрезка коаксиальной линии

Таким образом произведен электрический расчет схемы питания антенны. Одинаковая длина кабелей, подключенных к спиральным излучателям, обеспечивает их синфазное питание.

Заключение

В ходе данной курсовой работы была рассчитана приемная антенна космической линии связи, удовлетворяющая заданным исходным данным. Рассчитанная антенна представляет собой плоскую антенную решетку в узлах которой располагаются спиральные излучатели. Спиральные излучатели выбраны из условия эллиптической поляризации. Для уменьшения обратного излучения и увеличения КНД применен рефлектор.

Так как антенна космической линии связи должна обладать одинаково узкой ДН в вертикальной и горизонтальной плоскостях, данная антенная решетка в этих плоскостях имеет одинаковое количество элементов.

Коэффициент направленного действия определенный по рассчитанным диаграммам направленности удовлетворяет поставленной задаче.

В ходе работы была выбрана схема питания антенны и произведен ее электрический расчет, т.е. рассчитаны четверть волновые согласующие трансформаторы. Применение нескольких трансформаторов обеспечивает более плавную трансформацию сопротивлений, а значит более широкую полосу пропускания.

При предъявлении жестких требований к количеству и уровню боковых лепестков, антенна может быть модернизирована. Что приведет к увеличению количества излучателей и уменьшению шага АР.

Список литературы

1. Андрусевич Л.К., Ищук А.А. Антенно-фидерные устройства: Учебное пособие// СибГУТИ.- Новосибирск, 2006г. - 182с.

. Чернышов В.П., Шейман Д.И. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. М.: Связь, 1982.

. Чернышов В.П. Сборник задач по АФУ.

4. Белорусов Н.И., Гроднев И.Н. Радиочастотные кабели. М.: Энергия, 1973.