Антенные устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В спутниковом телевизионном вещании программы от наземных студий передаются к приёмнику телезрителя через активный ретранслятор, находящийся на искусственном спутнике Земли (ИСЗ). Для непосредственного телевизионного вещания используются спутники, расположенные на геостационарной (синхронной) орбите на высоте 35768 км над земным экватором. (Рис.1) Только на этой орбите период обращения спутников равен периоду обращения Земли (24 ч) и при этом они относительно её поверхности оказываются неподвижными (стационарными). Спутники, размещенные на других орбитах, не будут неподвижными относительно Земли и для приёма их сигналов необходима специальная конструкция поворотного узла антенны и управляющая, им следящая система.

Рис. 1 - Расположение ИСЗ на геостационарной орбите

Передатчик спутника, находящегося на геостационарной орбите без остронаправленной антенны, может обеспечить телевизионным вещанием около трети поверхности Земли. Однако из-за того, что мощность передатчика ограничена источниками питания (солнечными батареями), находящимися на спутнике и достигает обычно нескольких сот ватт, плотность потока мощности, падающей на Землю, оказывается недостаточной для приёма сигналов. В тоже время большая часть мощности передатчика тратится на облучение необитаемых областей (морей, океанов, пустынь, тундры и т.п.). Для увеличения плотности потока мощности и возможности приёма на небольшие приёмные антенны излучаемая передатчиком спутника мощность концентрируется антенной в узком луче (около одного градуса), направленном только на ту территорию, которую необходимо охватить непосредственным телевизионным вещанием. Благодаря этому плотность потока мощности возрастает до вполне приемлемых значений.

Географические границы зон возможного приёма находят в результате проекции основного луча диаграммы направленности антенны на шаровую поверхность Земли. Границы выглядят в виде эллипсов.

В настоящее время спутниковые системы связи стали одним из основных видов дальней связи. Связь между земными пунктами, находящимися на расстояниях от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч километров друг от друга, осуществляется на сантиметровых волнах при помощи ИСЗ, применяемых в качестве активных или пассивных ретрансляторов. На сантиметровых и дециметровых волнах производится также связь с космическими кораблями, удаленными от Земли на сотни миллионов километров.

Для увеличения пропускной способности спутниковых систем связи кроме ранее использовавшегося частотного диапазона 4/6 ГГц в настоящее время осваиваются новые диапазоны 11/14, 12/18 и 20/30 ГГц.

Для приёма спутникового телевидения используют антенны различных конструкций. Среди них получили распространение и планарные (плоские) антенны, основой которых служит решётка диполей с рефлектором в виде металлического листа, т.е. так называемая фазированная антенная решётка. Улавливаемые диполями сигналы суммируются и поступают на вход конвертера. Регулируя фазовращателем фазу и амплитуду сигнала, принятого каждым диполем, можно сформировать суммарную диаграмму направленности, как неподвижную, так и изменяющую направление приёма - сканирующую. Безинерционное мгновенное электронное сканирование с применением системы слежения позволяет устанавливать такие антенны на подвижных объектах (самолёте, ракете или нестационарном спутнике). При этом число электронных фазовращателей равно числу применяемых диполей, из-за чего такие антенны оказываются очень дорогими и применяются лишь в радиолокационной и космической технике, где их большая стоимость может быть оправдана.

Так как все приёмные антенны, в том числе и спутникового телевидения, собирают энергию сигнала, падающего на них, эту функцию с успехом выполняют также и параболические антенны, в которых фокусировка энергии на облучателе происходит по законам оптики благодаря отражению от поверхности параболического рефлектора. Для спутникового приёма можно использовать однозеркальные антенны с осесимметричным или смещённым облучателем и двухзеркальные антенны по схеме Кассегрена с параболическим рефлектором и гиперболическим контррефлектором.

К зеркальным антеннам относится достаточно широкий класс антенн, в которых формирование диаграммы направленности происходит за счёт отражения электромагнитных волн первичных источников - облучателей от металлических зеркал той или иной формы. В простейшем случае зеркало может представлять собой плоскую металлическую пластину достаточно больших размеров. Такая пластина играет роль рефлектора, благодаря которому излучение будет происходить преимущественно по направлению нормали к поверхности зеркала. Несколько более сложным является зеркало в виде двух плоских металлических пластин, чаще всего образующих прямой двугранный угол. Вместе с облучателем, представляющим собой симметричный вибратор, такое зеркало образует так называемую уголковую антенну. Вибратор обычно устанавливается в плоскости биссектрисы двугранного угла, образованного пластинами зеркала, параллельно его ребру. Значительно большими направленными свойствами обладают антенны с зеркалом в виде параболоида вращения. Такие антенны имеют узкую диаграмму направленности в двух плоскостях, которая называется диаграммой направленности игольчатого типа. Если нужно иметь антенну, диаграмма направленности которой достаточно узкая в одной плоскости и широкая в другой плоскости, перпендикулярной первой, то в качестве зеркала можно использовать усечённый параболоид вращения. Однако в такой антенне трудно получить диаграмму направленности с большой разницей в ширине диаграмм направленности в одной и другой главной плоскости. Поэтому для реализации "веерной" диаграммы направленности чаще используется зеркало в виде параболического цилиндра с линейным облучателем.

Офсетная антенна - наиболее распространена в индивидуальном приёме спутникового телевидения, хотя в настоящее время используются и другие принципы построения наземных спутниковых антенн. Офсетная антенна представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения с облучателем в фокусе параболоида. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. К тому же, облучатель установлен ниже центра тяжести антенны, тем самым увеличивая ее устойчивость при ветровых нагрузках. Зеркало офсетной антенны крепится почти вертикально. В зависимости от географической широты угол ее наклона немного меняется. Такое положение исключает собирание в чаше антенны атмосферных осадков, которые сильно влияют на качество приема. На просвет антенна представляет не круг а эллипс, вытянутый по вертикали. Размеры офсетной антенны обычно приводят в эквиваленте усиления по отношению к прямофокусным. Если по горизонтали данный размер совпадает, то по вертикали он будет, примерно, на 10 % больше.

Рис. 2 - Офсетная антенна

Обычно офсетные антенны используются для приёма сигнала С и Ku-диапазона (в линейной и круговой поляризации). Однако, возможен и приём сигнала в Ка-диапазоне, а также комбинированный.

Исходные данные для расчета

Орбита спутникового ретранслятора (СР):	Геостационарная, высота над экватором Земли 35875 км;
Эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) СР:	46,5 кВт;
Средняя частота излучения СР:	16 ГГц;
Ширина спектра излучения СР:	8 МГц;
Поляризация излучения СР:	Линейная;
Угол места СР:	36 град;
Мощность сигнала на выходе антенны:	0,4 пВт.

Сравнительный анализ антенных устройств

Вибраторные антенны (наиболее просты в изготовлении, вследствие чего наиболее распространены, особенно на частотах метрового и дециметрового диапазонов. Вследствие низкого коэффициента направленного действия (КНД) используются в основном как приемные. Легко может быть реализована как линейная, так и круговая поляризация (турникетные антенны). При использовании специальной конструкции могут быть достаточно широкополосные (диполь Надененко) - полоса до 50%. Входные сопротивления могут изменятся в большом диапазоне значений в зависимости от конструкции):

Полуволновой вибратор:

Форма диаграммы направленности (ДН) - тороидальная;

Ширина ДН - ;

Достижимый КНД - 1,64;

Диапазон волн - метровый волны(МВ), дециметровые волны(ДМВ), сантиметровые волны(СМВ);

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,3…1,5;

Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации.

Петлевой вибратор Пистолькорса:

Форма ДН - тороидальная;

Ширина ДН - ;

Достижимый КНД - 1,64;

Диапазон волн - МВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - 2…2,5;

Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации.

Волновой вибратор:

Форма ДН - тороидальная;

Ширина ДН - ;

Достижимый КНД - 2,5;

Диапазон волн - МВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,35;

Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации.

Вибратор с линейным пассивным рефлектором:

Форма ДН - приблизительно кардиоида вращения;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - не менее -15 дБ;

Достижимый КНД - 4…6;

Диапазон волн - МВ, ДМВ, СМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,35;

Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации.

Вибратор с плоским рефлектором:

Форма ДН - приблизительно кардиоида вращения;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - не менее -16,5…-9 дБ;

Достижимый КНД - до 7;

Диапазон волн - МВ, ДМВ, СМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,3…1,5;

Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации.

Директорная антенна:

Форма ДН - игольчатая, без учета влияния Земли;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -15…-10,5 дБ;

Достижимый КНД - 40;

Диапазон волн - МВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,1…1,35;

Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации.

Многовибраторная синфазная антенна с пассивным рефлектором:

Форма ДН - игольчатая или веерная;

Ширина ДН - до ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -15…-9 дБ;

Достижимый КНД - ограничивается лишь конструктивными особенностями;

Диапазон волн - МВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,15…1,35;

Поляризация - линейная, однако, два перпендикулярных вибратора, питаемых со сдвигом фаз могут работать с полем эллиптической поляризации.

Щелевые антенны (ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата; распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателя с волноводом; имеет сравнительно простое возбуждающее устройство; проста в эксплуатации; имеет ограниченный диапазон свойств):

Одиночная односторонняя щель в плоском экране бесконечных размеров:

Форма ДН - широкий однонаправленный лепесток;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - четко выраженных боковых лепестков нет;

Достижимый КНД - 3…3,5;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,1;

Поляризация - линейная.

Кольцевая щель:

Форма ДН - воронкообразная;

Ширина ДН - ненаправленная в плоскости щели;

Уровень боковых (задних) лепестков - четко выраженных боковых лепестков нет;

Достижимый КНД - несколько единиц;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,5;

Поляризация - линейная.

V-образная щель

Форма ДН - воронкообразная;

Ширина ДН - ненаправленная в плоскости щели;

Уровень боковых (задних) лепестков - четко выраженных боковых лепестков нет;

Достижимый КНД - несколько единиц;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,4;

Поляризация - линейная.

Крестообразная щель:

Форма ДН - широкий однонаправленный осесимметричный лепесток;

Ширина ДН - по и-му компоненту и по -му;

Уровень боковых (задних) лепестков - четко выраженных боковых лепестков нет;

Достижимый КНД - 3,5…4;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,1;

Поляризация - эллиптическая.

Двухщелевой облучатель:

Форма ДН - широкий однонаправленный осесимметричный лепесток;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - четко выраженных боковых лепестков нет;

Достижимый КНД - 7…8;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,1;

Поляризация - линейная.

Одиночная многощелевая антенна:

Форма ДН - веерная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - более -25 дБ

Достижимый КНД - 400;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,1;

Поляризация - линейная или эллиптическая.

Плоская решетка:

Форма ДН - игольчатая;

Ширина ДН - до ;

Уровень боковых (задних) лепестков - более -25 дБ;

Достижимый КНД - 3500…4500;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,1;

Поляризация - линейная или эллиптическая.

Волноводно-рупорные антенны (наиболее простые антенны, являющиеся частью питающего волновода. Имеют высокий КПД порядка 100%, являются широкополосными устройствами, однако для достижения высокого КНД необходимо увеличивать ширину раскрыва рупора. При этом ухудшается его согласование с волноводом, так что нужно увеличивать длину рупора пропорционально квадрату увеличения его поперечных размеров. Для обеспечения круговой поляризации необходимо вводить дополнительные элементы в раствор рупора, либо применять пару рупоров с взаимным смещением фаз 900):

Открытый конец волновода:

Форма ДН - однонаправленный широкий лепесток;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - четко выраженных боковых лепестков нет;

Достижимый КНД - 2…5;

Диапазон волн - СМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - 2,6…2,9;

Поляризация - линейная (нетрудно получить круговую).

Секториальные плоскостные оптимальные рупоры:

Форма ДН - веерная;

Ширина ДН - в плоскости расширения ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -14…-9 дБ (уровень бокового излучения взят для направления, соответствующего первому боковому лепестку);

Достижимый КНД - 6…50;

Диапазон волн - СМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - 2,6…2,9;

Поляризация - линейная.

Коробчатый рупор:

Форма ДН - веерная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - ;

Достижимый КНД - 2…40;

Диапазон волн - СМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - 2,6…2,9;

Поляризация - линейная.

3.4)Пирамидальный и конический оптимальные рупоры:

Форма ДН - однонаправленный узкий лепесток;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - (уровень бокового излучения взят для направления, соответствующего первому боковому лепестку);

Достижимый КНД - 10…400;

Диапазон волн - СМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - 2,6…2,9;

Поляризация - линейная (нетрудно получить круговую).

Антенны поверхностных волн (обладают малыми поперечными размерами, хорошими диапазонными свойствами по диаграмме направленности и входному сопротивлению. Технология их изготовления достаточно проста. Однако у данного типа антенн уровень боковых лепестков по сравнению с другими типами антенн большой, КПД - низкий (за счет поглощения в диэлектрике или переотражения от металлических рёбер)):

Стержневые диэлектрические антенны:

Форма ДН - осесимметричная коническая;

Ширина ДН -;

Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры;

Достижимый КНД - 20…120;

Диапазон волн - (0,5…30) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 2;

Поляризация - линейная или эллиптическая.

Стержневые ребристые антенны:

Форма ДН - осесимметричная коническая;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры;

Достижимый КНД - 20…120;

Диапазон волн - (3…300) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,3…1,5;

Поляризация - линейная или эллиптическая.

Стержневые модулированные антенны:

Форма ДН - коническая;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры;

Достижимый КНД - 20…30;

Диапазон волн - (3…30) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 1,5;

Поляризация - линейная вертикальная.

Плоские диэлектрические антенны:

Форма ДН - осесимметричная веерная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры;

Достижимый КНД - до 150;

Диапазон волн - (0,5…30) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 2;

Поляризация - линейная или эллиптическая.

Плоские ребристые антенны:

Форма ДН - осесимметричная веерная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры;

Достижимый КНД - до 150;

Диапазон волн - (3…30) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,3…1,5;

Поляризация - линейная вертикальная.

Плоские модулированные антенны:

Форма ДН - осесимметричная веерная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры;

Достижимый КНД - до 300;

Диапазон волн - (3…30) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 1,5;

Поляризация - линейная вертикальная.

Дисковые диэлектрические антенны:

Форма ДН - коническая;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры;

Достижимый КНД - 25…30;

Диапазон волн - (0,5…30) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 2;

Поляризация - линейная или эллиптическая.

Дисковые ребристые антенны:

Форма ДН - коническая;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -3…-4 дБ при постоянном замедлении вдоль структуры, до -17 дБ при специально выбранном замедлении вдоль структуры;

Достижимый КНД - 20…30;

Диапазон волн - (3…30) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,3…1,5;

Поляризация - линейная вертикальная.

Спиральные и логопериодические антенны (основное преимущество - легкость обеспечения поляризации ЭМВ, близкой к круговой без введения дополнительных элементов, простота конструкции. Однако для получения высоконаправленной антенны её длина должна быть недопустимо большой (не выполняется условие механической прочности)):

Цилиндрические спиральные антенны:

Форма ДН - с увеличением частоты, ДН сужается;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - до 30%;

Достижимый КНД - 5…25;

Коэффициент перекрытия диапазона - 10…20;

Поляризация - эллиптическая или управляемая.

Частотно-независимые эквиугольные спиральные антенны:

Форма ДН - ДН является периодической функцией логарифма рабочей частоты;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - до 20%;

Достижимый КНД - 2…10;

Коэффициент перекрытия диапазона - 10…20;

Поляризация - эллиптическая или управляемая.

Частотно-независимые логопериодические антенны:

Форма ДН - ДН является периодической функцией логарифма рабочей частоты;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - до 10%;

Достижимый КНД - 4…15;

Коэффициент перекрытия диапазона - 10…20;

Поляризация - линейная (может быть получена эллиптическая и управляемая с помощью двух крестообразно расположенных логопериодических антенн).

Квазичастотно-независимые плоские архимедовы спиральные антенны:

Форма ДН - зависит от закона изменения угла намотки по длине антенны;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - почти отсутствует;

Достижимый КНД - 3…6;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 5;

Поляризация - эллиптическая или управляемая.

5.5)Квазичастотно-независимые спиральные антенны на телах вращения:

Форма ДН - зависит от закона изменения угла намотки по длине антенны;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - до 30%;

Достижимый КНД - 2…15;

Коэффициент перекрытия диапазона - 2,5…5;

Поляризация - эллиптическая или управляемая.

Линзовые антенны (обеспечивают высокую направленность излучения/приема, однако по сравнению с зеркальными менее требовательны к точности изготовления поверхности, имеют 3 степени свободы (2 поверхности преломления и закон распределения коэффициента преломления) для придания антенне дополнительных свойств (широкоугольное качание диаграммы направленности, требуемое распределения амплитуды и фазы поля по раскрыву). Также отсутствует затенение раскрыва облучателем. Существенными недостатками являются большая масса, узкополосность и потери в веществе линзы):

Замедляющие линзы - сплошной диэлектрик:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -20 дБ;

Достижимый КНД - 100…1000;

Диапазон волн - (0,1…10) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,8;

Поляризация - линейная и круговая.

Замедляющие линзы - искусственный диэлектрик:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -20 дБ;

Достижимый КНД - 1000…10000;

Диапазон волн - (3…20) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,8;

Поляризация - линейная и круговая.

Ускоряющие линзы:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -20 дБ;

Достижимый КНД - 100…1000;

Диапазон волн - (1…10) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,8;

Поляризация - линейная.

Геодезические линзы:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -20 дБ;

Достижимый КНД - 1000…10000;

Диапазон волн - (1…10) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,8;

Поляризация - линейная.

Линзы с переменным коэффициентом преломления:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - -20 дБ;

Достижимый КНД - 100…10000;

Диапазон волн - (1…10) см;

Коэффициент перекрытия диапазона - 1,8;

Поляризация - линейная и круговая.

Зеркальные антенны (легко обеспечивают высокую направленность, широкополосны, имеют сравнительно простую конструкцию. При высоких частотах требования к точности изготовления очень жесткие (отклонения порядка , где - длина волны). Круговая поляризация обеспечивается конструкцией облучателя или введением дополнительных элементов, что усложнит и утяжелит конструкцию.):

А) Однозеркальные антенны:

Парабола - параболоид вращения осесимметрический:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - ;

Достижимый КНД - до 1000000;

Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8;

Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот).

Парабола - параболоид вращения усеченный:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - ;

Достижимый КНД - до 1000000;

Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8;

Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот).

Парабола - круглая или квадратная внеосевая несимметричная вырезка из параболоида вращения:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - ;

Достижимый КНД - до 1000000;

Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8;

Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот).

Парабола - параболический симметричный цилиндр:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - (в плоскости профиля);

Уровень боковых (задних) лепестков - (в плоскости профиля);

Достижимый КНД - до 1000000;

Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8;

Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот).

Профиль - окружность, зеркало - сферическое:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - ;

Достижимый КНД - до 1000000;

Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8;

Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот).

Профиль - окружность, зеркало - круглоцилиндрическое:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - (в плоскости профиля);

Уровень боковых (задних) лепестков - (в плоскости профиля);

Достижимый КНД - до 1000000;

Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8;

Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот).

Б) Двухзеркальные антенны:

Большое зеркало - параболоид, малое зеркало - гиперболоид:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - ;

Достижимый КНД - до 100000000;

Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8;

Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот).

Двухзеркальная апланатическая система:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - ;

Достижимый КНД - до 100000000;

Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8;

Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот).

Большое зеркало - сферическое, малое зеркало - специального профиля:

Форма ДН - различная;

Ширина ДН - ;

Уровень боковых (задних) лепестков - ;

Достижимый КНД - до 100000000;

Диапазон волн - ММВ, СМВ, ДМВ;

Коэффициент перекрытия диапазона - до 7,8;

Поляризация - определяется облучателем (может быть любой в широком диапазоне частот).

Расположение спутника и Земли

Требуется спроектировать приемную зеркальную офсетную антенну. Исходя из вышеописанных свойств различных антенн, я считаю, что антенна, данной по ТЗ конструкции, наилучшим образом подходит для приема непосредственного телевизионного вещания в заданном диапазоне волн.

Для проектирования необходимой антенны расчитаем некоторые параметры, влияющие на размеры и конструкцию антенны. Определим общую длину трассы луча и длину трассы в пределах слоя тропосферы.(Рис.3)

Рис. 3 - Расположение спутника Земли

По теореме косинусов:

(1)

Для расчета затухания в атмосфере воспользуемся той же формулой, но вместо h подставим высоты расположения дождя, водяных паров и кислорода.

Известно, что дождевые облака не поднимаются выше 6 - 8 км, водяные пары и кислород находятся в тропосфере не выше 15 км.

Тогда:

(2)

(3)

(4)

Решив эти уравнения, получим:

Множитель ослабления определим по формуле:

(дБ),

где ,,- погонные поглощения в парах воды, кислороде и осадках.

На частоте 16 ГГц эти параметры имеют следующие значения:

- для умеренного дождя.

Выберем

Получим:

Переведя в разы, получим:

раза

Определим вектор Пойнтинга - плотность потока мощности, которую создает в точке приема спутниковый ретранслятор:

где - эквивалентная изотропно-излучаемая мощность СР.



Расчет основных энергетических характеристик антенны

С помощью вектора Пойнтинга расчитаем коэффициент усиления антенны:

,

где - коэффициент направленного действия антенны;

- коэффициент полезного действия антенны;

,

где эффективная площадь антенны;

, где - длина волны;

, где с - скорость света в вакууме;

Тогда:

Подставив численные значения, получим:

Определим КНД антенны:

,

где - коэффициент усиления антенны;

- коэффициент полезного действия антенны;

Коэффициент полезного действия довольно высок и имеет значение близкое к единице. Примем . Тогда:

Расчет конструкции антенны

Алгоритм расчета:

Расчет волновода;

Расчет облучателя;

Расчет возбуждающего устройства;

Расчет конструкционных параметров антенны;

Ширина ДН антенны;

Расчет допусков на изготовление.

Расчет волновода

Для расчета данного вида антенны используется прямоугольный волновод с воздушным заполнением. Требуется, чтобы по волноводу распространялся только основной тип волны - .

Так как рассчитывается резонансная антенна , где - это полоса чатот, то все вычисления будем проводить для средней частоты: отклонения для минимальной и максимальной частоты будут незначительны.

Критическая длина волны для любого типа волны равна:

,

где - тип волны, распространяющейся по волноводу;

а - ширина волновода;

b - высота волновода;

В частности для волны :

Оптимальным для волны считается волновод, если

Тогда:



Исходя из полученных результатов выбираем ближайший стандартный волновод :

Волновод МЭК-140:

Внутренние размеры:a =15,8мм ;

b = 7,9мм;

Толщина стенок: 1.02мм;;

Предельная мощность: 0.56МВт.

Затухание в волноводе обусловлено в основном электрическими потерями в металле. Значит необходимо выбрать металл с хорошей удельной проводимостью. Возьмем алюминий - относительно дешевый и легкий материал с хорошей проводимостью. Тогда:

- удельная проводимость алюминия.

Вычислим длину волны в волноводе:



антенна облучатель волновод отражатель

Расчет облучателя

Рупорная антенна пирамидальной формы, лучше всего подходит для использования ее в качестве облучателя зеркальной офсетной антенны. Это прежде всего связано с тем, что рупоры могут формировать ДН различной ширины, с их широкодиапазоностью и простотой конструкции. А также с тем, что они могут принимать сигналы линейной поляризации, причем прием сигналов горизонтальной или вертикальной поляризации определяется лишь положением рупора относительно электромагнитной волны.

В данной работе производится прием вертикально поляризованной волны. И поэтому рупор нужно расположить таким образом, чтобы в волноводе возбуждалась волна и энергия попадала к приемнику. Это можно обеспечить, если расположить облучатель так, чтобы широкая стенка волновода лежала в горизонтальной плоскости. Теперь перейдем к расчету. На приведенном ниже рисунке (рис.3) показана конструкция пирамидального рупора с соответствующими обозначениями.

Рис. 4 - Конструкция пирамидального рупора

Коэффициент направленного действия можно получить по формуле:

Соотношения между и можно выбирать произвольно. Если же помимо коэффициента усиления накладываются требования на диаграмму направленности, то нужно учитывать что более узкая диаграмма получается в той плоскости, в которой раскрыв больше.

По приближенным формулам из литературы [6 - формулы (2.8), (2.9)] :

в плоскости вектора Н:

[рад] =>

в плоскости вектора E

[рад] =>

Определим длины рупора в плоскостях H и E

;

;

КНД рупора:

Рассчитаем коэффициент направленного действия рупора. Учитывая, что при оптимальных размерах рупора его КИП=0.49 получим:

;

где S== 0.000588 (м2) - площадь раскрыва рупора;

Рассчитаем максимальную фазовую ошибку в раскрыве которая определяется по геометрическим размерам рупора:

в плоскости H:

;

в плоскости E:

;

Это говорит о том, что при расчете диаграмм направленности фазовые искажения не учитываются, так как не превышают значения Шmax = 3р/4 - в плоскости Н и Шmax = р/2 - в плоскости Е.

Расчет коэффициента отражения

Выберем угол раскрыва антенны

; (литература 5)

Диаграммы направленности рупора в плоскостях Е и Н независимы. Сужение или расширение раскрыва рупора, например, в плоскости Е приводит к изменению диаграммы направленности только в этой плоскости.

Отражение принимаемой энергии в рупоре возникает в двух сечениях: в раскрыве рупора (Г1) и в его горловине(Г2). Рассчитаем эти оба коэффициента.

Модуль коэффициента отражения от раскрыва для основного типа волны определяется из соотношения

Где (рад/м)- волновое число;

(рад/м)

постоянная распространения в прямоугольном волноводе;

;

Вычислим коэффициент отражения от горловины рупора.

При определении коэффициента Г2 предполагается что в рупоре установилась бегущая волна.

где Ze- эквивалентное сопротивление сечения волновода перед рупором;

где - длина волны в волноводе ;

- углы раскрыва рупора в плоскостях H и E;

;

После приема электромагнитной энергии облучателем она поступает в конвертор, где преобразуется в сигнал более низкой частоты, воспринимаемый тюнером. Между облучателем и конвертером энергия может передаваться как по коаксиальной, так и по волноводной линии передачи.

Рассчитаем коэффициент направленного действия рупора. Учитывая, что при оптимальных размерах рупора его КИП=0.49 получим:

,

где S - площадь раскрыва рупора ;

Расчет возбуждаюшего устройства

К рупорному облучателю присоединяется волновод с помощью притертых фланцев на концах волноводов. Они обеспечивают хороший электрический контакт при их параллельном соединении.



Рис. 5

Проведем расчет наиболее распространенного устройства зондового типа в виде несимметричного штыря, расположенного параллельно электрическим силовым линиям. Критерием согласования возбуждающего устройства с волноводом служит режим бегущей волны в коаксиальном питающем фидере, т.е. равенство входного комплексного сопротивления возбуждающего устройства Zвх волновому сопротивлению фидера сф.

Специально подбирая длину штыря lш и расстояние от штыря до закорачивающей стенки l1, можно обеспечить требуемое согласование. Диэлекрическая шайба, фиксирующая положение штыря в волноводе, является деталью коаксиального соединения. Диаметр наружного проводника около шайбы увеличивается для того , чтобы сохранить волновое сопротивление в области , заполненной диэлектриком , равным сф. Длина шайбы берется равной четверти длины волны в диэлектрике. Входное сопротивление штыря в волноводе, так же как несимметричного вибратора в свободном пространстве, является в общем случае комплексной величиной.

Активная часть входного сопротивления зависит в основном от длины штыря, реактивная - от длины и толщины. В отличие от свободного пространства входное сопротивление штыря в волноводе зависит от структуры поля в волноводе вблизи штыря.

Расчет реактивной составляющей входного сопротивления дает неточные результаты, и проводить его не имеет смысла. Для обеспечения согласования реактивная составляющая входного сопротивления должна быть равна нулю. Активную составляющую входного сопротивления Rвх можно считать равной сопротивлению излучения штыря в волноводе R? . Она должна быть равна волновому сопротивлению фидера

Rвх = сф

Рис. 6 - Возбуждающее устройство

Теория и практика показывают, что для лучшего согласования необходимо, чтобы =/4, а =/4.

Сопротивление излучения штыря в прямоугольном волноводе в режиме бегущей волны определяется следующим соотношением:

(углы при sin - в рад);

- расстояние от штыря до закороченной стенки волновода;

- расстояние от штыря до горловины рупора;

действующая высота штыря в волноводе;

геометрическая высота всего штыря;

- место включения штыря по широкой стенке волновода.

Из данных расчетов, и зная размеры волновода, выберем коаксиальный кабель РК-1:

Внутренний проводник: конструкция 1Х0.68

диаметр 0,68мм;

Изоляция: диаметр по изоляции 4.6+/-0.2 мм

тип изоляции И-1;

Диаметр по заполнению: -

Типа внешнего проводника: МО;

Защитная оболочка: тип 01

наружный диаметр 7.3+/-0.4;

Волновое сопротивление: 77.5+/-2.5 Ом;

Затухание: частота 45 МГц;

мах допустимое значение 9.5;

Емкость: не более 68 мкФ/м;

выбирается из условия фильтрации высших типов волн. Вблизи штыря кроме волны , распространяются, и другие волны высшего типа. Все они находятся в закритическом режиме, и по мере движения к рупору затухают по экспоненциальному закону. Высшие волны не должны приходить в горловину рупора, и затем в его раскрыв, поэтому их амплитуда должна быть уменьшена в 100 раз.Ближайщей волной высшего типа является волна .Если её амплитуда затухает в 100 раз, то амплитуда и других волн затухнет еще сильнее. Относительное изменение амплитуды волны в 100 раз запишем:

,

где - постоянная распространения.

Откуда:

=>

Расчет конструкционных параметров антенны

Рис. 7

Найдем радиус раскрыва рефлектора:

;

где - коэффициент использования поверхности зеркала антенны, принятый равным 0.55

Если взять параболу и использовать только часть её ветви, то мы получим офсетную антенну. При том же положении, точка, в которую будет происходить отражение, будет смещена относительно центра и установленный в ней конвертер не закроет часть зеркала своей тенью. Основной недостаток прямофокусных антенн, таким образом, устраняется. Сами по себе офсетные антенны имеют анфас, напоминающий обычное яйцо для больших антенн, или круг для маленьких. Антенны размером 1.2м и больше не круглые и даже не овальные, вместо диаметра у них обычно указывается максимальная длина и ширина антенны. Маленькие тарелки диаметром 0.9 м и меньше имеют круглую форму.

;

Затем найдем фокусное расстояние и ширину зеркала:

;

;

Расчет величины смещения облучателя из фокуса приведен в «допусках» ниже.

Рассчитаем Ширину ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ антенны

В плоскости Н:

;

где - табличная величина, равняется 1.81;

В плоскости Е:

;

Для получения узкой диаграммы направленности необходимо распределить энергию между большим числом элементарных вибраторов, расположенных и возбуждённых таким образом, что в нужном направлении поля, создаваемые этими вибраторами, оказываются синфазными. В данном случае распределение энергии осуществляется облучателем, а роль элементарных вибраторов играют элементы возбуждённой поверхности параболоида. Фаза токов, возбуждённых на поверхности параболоида, и распределение этих токов в пространстве таковы, что в направлении раскрыва все элементы поверхности параболоида создают поля одинаковой фазы.



Рис. 8

Известно, что чем больше диаметр поверхности параболоида по отношению к рабочей длине волны, тем уже становится диаграмма направленности. Таким образом, параболическое зеркало трансформирует волновую энергию, излучённую облучателем по широкой диаграмме, в волновую энергию, излучаемую по узкой диаграмме

Рассчитаем допуски

-на отклонение формы поверхности рефлектора от заданной:

(м)

-на смещение облучателя их фокуса в осевом нарпавлении:

(м)

-на смещение облучателя из фокуса боковом направлении:



(м)

Диаграммы направленностей

ДН облучателя в Е, и Н плоскостях соответственно:

,

где XZ и YZ обозначают плоскости Е и Н.

Рис. 9



Рис. 10

ДН антенны строим по следующим функциям:

R-радиус раскрыва антенны; k-волновое число;



Рис. 11

Рис. 12



Рис. 13 - График функции

Рис. 14 - Диаграмма направленности антенны

Подвес и материал

Подвес.

Кроме размера и формы зеркала, очень важным параметром является тип подвески антенны. Подвеска бывает азимутальной и полярной. Азимутальная - как правило, фиксированная подвеска, антенна при этом настраивается на единственный спутник и жестко фиксируется на кронштейне крепления. Для приема другого спутника должна быть проведена полная перенастройка антенны. Полярная - значительно более сложная по конструкции и настройке подвеска и, соответственно, более дорогая. Обеспечивает возможность приема нескольких спутников, находящихся в разных орбитальных позициях, вращением антенны только вокруг одной вертикальной оси. Чаще всего офсетные антенны имеют фиксированную азимутальную подвеску). Кроме этого, даже если вы хотите принимать несколько спутников, для которых достаточно антенны размером 1.2 м, в полярную систему лучше поставить 1.8 м или хотя бы 1.5 м. Некоторый запас не помешает. В последнее время все чаще появляются офсетные антенны с полярным подвесом и размером до 1.6 м. Научились присоединять "нормальные" офсетные антенны с азимутальным подвесом к самодельным полярным подвесам, но финансовый выигрыш при этом незначительный, хотя для приема 2-3-х хорошо видных спутников это, как нам кажется, и неплохое решение.

Материал.

Наиболее популярным материалом для изготовления спутниковых антенн является алюминий, он легче стали и не подвержен коррозии, но он мягок, и при неаккуратном обращении алюминиевые антенны легко деформируются, что весьма пагубно влияет на их характеристики.

Стальные антенны прочнее, дешевле (правда, ненамного), но тяжелее и подвержены коррозии, которая снижает их отражающие свойства. Поэтому при покупке стального зеркала стоит обратить внимание на качество окраски.

Пластиковые зеркала легкие, но к ним легко прилипает снег. С течением времени такие антенны подвержены сильным деформациям под действием окружающей среды (резкие перепады температур, ультрафиолет).

Выводы

В данной курсовой работе была спроектирована зеркальная офсетная антенна для приема непосредственного телевизионного вещания. В результате работы получено определенные навыки проектирования и исследования данного типа антенн. А также получено характерные для данного типа антенн конструкционные и энергетические параметры. Заданные и полученные параметры антенны приведены далее:

Диапазон частот, ГГЦ 15.92-16.008;

Угол места, град 36;

Ширина луча(Н,E),град 1,32 2,29;

Диаметр антенны, м 0.844;

Фокусное расстояние, м 0,669;

Коэффициент усиления антенны, дБ 40.4;

Поляризация линейная.

Применение данной конструкции антенны для заданной цели определяется ее многочисленными преимуществами. Во первых, расположение зеркала практически вертикально поверхности Земли обеспечивает защиту зеркала от накопления в нем осадков, что существенно ухудшает прием. Во вторых, вынос облучателя из фокуса способствует не затенению им и опорами части рефлектора, что обеспечивает более высокий коэффициент использования поверхности раскрыва. В третьих, этот тип антенн обладает широкополосностью. Существенным преимуществом таких антенн является также то, что они могут принимать ЭМВ различной поляризации и даже одновременно. Это обеспечивается конструкцией облучателей.

Список литературы

1. Конспект лекций за 2011 г.

2. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л. - «Устройства СВЧ и антенны. Учебник для ВУЗов(изд:3)». 2008 г.

3. Никитин В.А., Соколов Б.Б., Щербаков В.В. - «100 и одна конструкция антенн».1996 г.

4. Сазонов Д.М. - «Антенны и устройства СВЧ».1998 г.

5. http://library.tuit.uz/lectures/afu/metod_rupor_antenn.htm

6. http://library.tuit.uz/lectures/afu/metod_rupor_antenn.htm

Размещено на Allbest.ru