Расчет спутниковой передающей антенны
Задание
Требуется спроектировать и рассчитать антенну, в соответствии с
приведёнными ниже техническими данными.
Назначение:
Бортовая спутниковая передающая антенна системы ретрансляции
телевизионных сигналов на участке линии ИСЗ-Земля (ИСЗ-З).
Схема:
Однозеркальная антенна с отражателем в виде вырезки из параболоида
вращения (параболическая антенна). В качестве облучатели используется
конический рупорный облучатель (КР).
Исходные данные:
Средняя рабочая частота: 4 ГГц
Коэффициент усиления приёмной антенны: 48 дБ
Тип фидера: круглый волновод
Мощность передатчика: 50 Вт
Мощность на входе приёмника: -108 дБВт
Длина трассы ИСЗ-З: 39900 км
Проектирование и расчёт. Параметры передающей антенны
Коэффициент усиления передающей антенны рассчитывается в соответствии с
выражением для баланса мощностей на линии ИСЗ-З:
То же выражение в логарифмических единицах - децибелах:
(в
этом выражении: 
)
Величина
учитывает дополнительные потери в атмосфере за счёт
множителя ослабления 
и потери в фидерных трактах передатчика и приёмника.
дБ.
-
рабочая длина волны, равная при заданной средней рабочей частоте:
м
Мощность передатчика в дБВт:
дБВт
дБ
Коэффициент усиления антенны в относительных единицах (в разах)
составляет 398.
Параметры облучателя
В разрабатываемой антенне используется конический рупорный облучатель.
Для КР характерны простая конструкция и достаточно широкий диапазон рабочих
частот, определяемый условиями одноволнового режима питающего волновод
(используется круглый волновод), а также лучшая симметрия диаграммы
направленности, чем у пирамидального рупора.
Коэффициент
направленного действия облучателя выбирают, как правило, в пределах 
относительных единиц.
Пусть
, тогда диаметр раскрыва (апертура) рупора:
м
Радиус
раскрыва рупора: 
.
Длина
рупора:
м
Половина
угла раскрыва рупора:
Диаграммы
направленности излучения облучателя в плоскостях E и H
строятся по номограммам ([1], стр. 8, рис. 4) по значению отношения диаметра
раскрыва рупора к длине волны 
.
Определённые
по номограммам нормированные значения функций направленности:
|
Значение ф-циии
|
1
|
0, 9
|
0, 8
|
0, 7
|
0, 6
|
0, 5
|
0, 4
|
0, 3
|
0, 2
|
0, 1
|
0, 05
|
|
 012192529343844546880
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 0121720242934446872
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Построенные по полученным значениям диаграммы направленности облучателя:
Углы
по уровню 0, 3: 
Положение
фазового центра конического облучателя зависит от величины максимальной фазовой
ошибки в раскрыве, равной:
Т.
к 
, то расстояние от центра раскрыва рупора до фазового
центра в сторону его вершины:
Защита облучателя от внешних воздействий и попадания влаги в его раскрыв
помещается пластина из диэлектрика.
При
потерях 
толщина пластины:
м
Радиус
волновода выбирается из условия:
По
справочной таблице выбирается волновод типа С40 диаметром 52 мм.
Параметры профиля зеркала
бортовой спутниковый передающий антенна
Радиус апертуры зеркала антенны рассчитывается с учётом усиления антенны:
Величина
- произведение результирующего коэффициента
использования апертуры и КПД антенны.
Фокусное расстояние параболического отражателя:
-
половина оптимального угла раскрыва, определяемого по диаграмме направленности
по уровню 0, 3.
м
Для
рупорного облучателя фокусное расстояние уточняется округлением до целого числа
полуволн: 
.
Для
данного случая: f=0, 189 м (n=5).
Профиль
параболического зеркала, рассчитанный с помощью выражения 
:
Таблица
для построения профиля:
|
x
|
y2
|
+y
|
-y
|
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
0, 02
|
0, 02
|
0, 123
|
-0, 123
|
|
0, 04
|
0, 03
|
0, 174
|
-0, 174
|
|
0, 06
|
0, 05
|
0, 213
|
-0, 213
|
|
0, 08
|
0, 06
|
0, 246
|
-0, 246
|
|
0, 1
|
0, 08
|
0, 275
|
-0, 275
|
|
0, 12
|
0, 09
|
0, 301
|
-0, 301
|
|
0, 14
|
0, 11
|
0, 325
|
-0, 325
|
|
0, 16
|
0, 12
|
0, 348
|
-0, 348
|
|
0, 18
|
0, 14
|
0, 369
|
-0, 369
|
|
0, 2
|
0, 15
|
0, 389
|
-0, 389
|
|
0, 22
|
0, 17
|
0, 408
|
-0, 408
|
|
0, 24
|
0, 18
|
0, 426
|
-0, 426
|
|
0, 26
|
0, 2
|
0, 443
|
-0, 443
|
|
0, 28
|
0, 460
|
-0, 460
|
|
0, 3
|
0, 23
|
0, 476
|
-0, 476
|
|
0, 32
|
0, 24
|
0, 492
|
-0, 492
|
|
0, 34
|
0, 26
|
0, 507
|
-0, 507
|
|
0, 36
|
0, 27
|
0, 522
|
-0, 522
|
Распределение амплитуды поля в апертуре антенны
Расчёт распределения амплитуды поля в апертуре антенны выполняется с применением
аппроксимирующей функции вида:
(в
этом выражении 
- нормированное расстояние точки в раскрыве антенны
от её центра)
Расчёт
коэффициентов 
и 
.
Результаты
расчёта зависимости 
:
|
 00, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 91
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 , рад00, 20, 390, 570, 750, 911, 061, 21, 331, 441,
55
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 10, 90, 650, 40, 30, 270, 240, 090, 10, 050, 01
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 10, 890, 630, 370, 220, 150, 090, 060, 040, 0280, 01
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Составляется
система уравнений (для 
и 
),
которая решается относительно переменных и :
В результате решения системы получены значения:
Аппроксимирующая
функция:
Графики
истинного (сплошная линия) и аппроксимированного (пунктирная линия)
распределения амплитуды поля в апертуре антенны:
Расчетные
значения:
|
00, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 91
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
 10, 970, 880, 740, 570, 370, 180, 02-0, 07-0, 060, 1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчёт диаграммы направленности антенны
Функция
направленности для амплитудного распределения поля в раскрыве антенны,
аппроксимированного в виде степенного трёхчлена :
(в
этом выражении 
, 
, 
- лямбда-функция i-го порядка)
|
, °     
|
|
|
|
|
|
|
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0, 5
|
2, 6
|
1
|
|
0, 5
|
0, 23
|
0, 99
|
1
|
0, 5
|
2, 59
|
1
|
|
1
|
0, 47
|
0, 97
|
0, 98
|
0, 49
|
2, 55
|
0, 98
|
|
1, 5
|
0, 7
|
0, 94
|
0, 96
|
2, 49
|
0, 96
|
|
2
|
0, 93
|
0, 9
|
0, 93
|
0, 47
|
2, 41
|
0, 93
|
|
2, 5
|
1, 17
|
0, 84
|
0, 89
|
0, 46
|
2, 31
|
0, 89
|
|
3
|
1, 4
|
0, 78
|
0, 85
|
0, 44
|
2, 2
|
0, 84
|
|
3, 5
|
1, 63
|
0, 7
|
0, 8
|
0, 42
|
2, 06
|
0, 79
|
|
4
|
1, 87
|
0, 63
|
0, 74
|
0, 4
|
1, 92
|
0, 74
|
|
4, 5
|
2, 1
|
0, 54
|
0, 68
|
0, 38
|
1, 76
|
0, 68
|
|
5
|
2, 33
|
0, 46
|
0, 62
|
0, 35
|
1, 59
|
0, 61
|
|
5, 5
|
2, 57
|
0, 38
|
0, 56
|
0, 33
|
1, 43
|
0, 55
|
|
6
|
2, 8
|
0, 3
|
0, 49
|
0, 3
|
1, 26
|
0, 48
|
|
6, 5
|
3, 03
|
0, 22
|
0, 43
|
0, 27
|
0, 42
|
|
7
|
3, 26
|
0, 15
|
0, 37
|
0, 25
|
0, 92
|
0, 36
|
|
7, 5
|
3, 49
|
0, 08
|
0, 31
|
0, 22
|
0, 77
|
0, 29
|
|
8
|
3, 72
|
0, 03
|
0, 25
|
0, 19
|
0, 62
|
0, 24
|
|
8, 5
|
3, 96
|
-0, 02
|
0, 2
|
0, 17
|
0, 48
|
0, 18
|
|
9
|
4, 19
|
-0, 06
|
0, 15
|
0, 14
|
0, 35
|
0, 14
|
|
9, 5
|
4, 42
|
-0, 09
|
0, 1
|
0, 12
|
0, 24
|
0, 09
|
|
10
|
4, 65
|
-0, 11
|
0, 07
|
0, 1
|
0, 14
|
0, 05
|
|
10, 5
|
4, 88
|
-0, 13
|
0, 03
|
0, 08
|
0, 05
|
0, 02
|
|
11
|
5, 11
|
-0, 13
|
0, 01
|
0, 06
|
0, 02
|
0, 01
|
|
11, 5
|
5, 34
|
-0, 13
|
-0, 02
|
0, 05
|
0, 07
|
|
12
|
5, 56
|
-0, 12
|
-0, 03
|
0, 03
|
0, 11
|
0, 04
|
|
12, 5
|
5, 79
|
-0, 11
|
-0, 05
|
0, 02
|
0, 14
|
0, 06
|
|
13
|
6, 02
|
-0, 09
|
-0, 05
|
0, 01
|
0, 16
|
0, 06
|
|
13, 5
|
6, 25
|
-0, 07
|
-0, 06
|
0
|
0, 17
|
0, 07
|
|
14
|
6, 47
|
-0, 05
|
-0, 06
|
0
|
0, 17
|
0, 07
|
Диаграмма направленности антенны:
Ширина главного лепестка по уровню 0, 7 составляет 4°.
Защита облучателя от отражённой волны
Для устранения влияния отражённой от
зеркала волны на облучатель можно применить различные способы:
вынос облучателя из фокуса;
поворот отражённой волны на 90°
(изменение угла поляризации);
покрытие центральной части отражателя
поглощающим материалом.
При использовании последнего способа
в центральной части зеркала помещают металлический диск.
Диаметр диска для данного случая:
м
В результате в точке размещения облучателя противофазные и
равноамплитудные волны взаимно компенсируют друг друга.
Литература
1. Брауде
В.Б., Казанцева Т.П., Чинакаев Н. Р. Антенно-фидерные устройства и
распространение радиоволн: методические указания к курсовому проектированию.
СПб.: СПбГУТ, - 2001 г.
. Сазонов
Д. М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов. - М. :
Высш. шк. , 1989. - 432 с.
. Антенно-фидерные
устройства и распространение радиоволн: учебник для вузов / Г. А. Ерохин, О. В.
Чернышев, Н. Д. Козырев, В.Г. Кочержевский; Под ред. Г. А. Ерохина. - М.:
Горячая линия - Телеком, 2007. - 491 с.