Разработка зеркальной антенны межспутниковой линии связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

Разработать на уровне технического предложения зеркальную антенну для системы межспутниковой связи (МЛС) для бортового ретранслятора КА. Антенна должна удовлетворять следующим основным требованиям:

- рабочая частота f_ср = 56,5 ГГц с полосой пропускания Дf = 0,5 ГГц;

- коэффициент усиления не менее 45 дБ;

- поляризация принимаемого сигнала - линейная и/или круговая;

- уровень боковых лепестков не более -25 дБ.



Реферат

Объем расчетно-пояснительной записки 18 листов, 5 иллюстраций. Использовано 4 источника.

Ключевые слова: аппроксимация распределения амплитуд, коэффициент усиления и уровень боковых лепестков для заданной полосы пропускания, затенение раскрыва опорами отражателя, плоский отражатель, перегрузки при старте ракеты.

Цель работы - разработать антенну, удовлетворяющую заданным требованиям.

Методика проведения работы - теоретический расчет электрических параметров антенны, конструктивный расчет, уточнение параметров полученной антенны.

Техническое задание выполнено. Полученный коэффициент усиления антенны для заданной полосы пропускания лежит в интервале 45.02…45.9 дБ. Уровень боковых лепестков для заданной полосы пропускания лежит в интервале -26…-27 дБ.



Введение

Необходимо разработать схему и конструкцию антенны; определить ее основные размеры; выбрать облучатель и рассчитать его основные электрические характеристики и размеры; рассчитать элементы волноводного тракта; рассчитать диаграмму направленности в двух ортогональных плоскостях и коэффициент усиления в диапазоне рабочих частот с учетом потерь в волноводных элементах и потерь мощности из-за ее рассеяния.

зеркальная антенна облучатель частота



Содержание

І. Исследовательский раздел

1. Расчет размеров зеркальной антенны

2. Расчет облучателя

2.1 Расчет размеров облучателя

2.2 Расчет ДН облучателя

3. Расчет ДН антенны

4. Проверка соответствия параметров указанным требованиям

5. Расчет результирующего КИП

6. Расчет в полосе частот 14.2ГГц - 14.7 ГГц

7. Описание конструкции антенны

Список используемой литературы



І. Исследовательский раздел

1.1 Расчет размеров зеркальной антенны

По формуле для КНД антенны:

(1.1)

Где g - результирующий КИП антенны. Для оптимальных условий и обычного рупора минимальный g=0.5, тогда R = 0.21 м.

Проверку произведем по формуле

(1.2)

Для рупорного облучателя оптимальное отношение радиуса апертуры к фокусному расстоянию равно 0,9. Тогда фокусное расстояние равно 23 см.

Угол раскрыва зеркала находим по формуле:

(1.3)



Рисунок 1. Параметры зеркальной антенны



2. Расчет облучателя

Т.к. в требованиях указана линейная поляризация, то в качестве облучателя удобно выбрать пирамидальный рупор.

2.1 Расчет размеров облучателя

ДН пирамидального рупора рассчитывается по формуле:

(2.1)

(2.2)

Условие оптимального облучения раскрыва состоит в том, что поле на его краях должно быть на 10дБ меньше, чем в центре, т.е.:

(2.3)

(2.4)

где 0,844311 - угол раскрыва зеркала.

Решая полученные соотношения определяем размеры рупора:

а = 2,317 см

b = 1,7 см



2.2 Расчет ДН облучателя и определение распределения токов в раскрыве

Д.Н. рупорного облучателя может быть вычислена по формулам (2.1) и (2.2) и имеет вид, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2. ДН облучателя в Е и Н плоскостях.

Амплитудное распределение в раскрыве зеркала связано с ДН облучателя следующим соотношением:

(2.5)

и имеет вид, указанный на рисунке 3.

Рисунок 3. Вид амплитудного распределения и аппроксимирующей функции.

Выберем аппроксимирующую функцию вида

(2.6)

Где р=2. Вид этой функции также показан на рисунке 3, из которого видно, что они близки друг к другу.



3. Расчет ДН антенны

Для аппроксимирующей функции вида (2.6) ДН будет вычисляться по следующей формуле:

(3.1)

Таким образом, нормированная ДН имеет вид, показанный на рисунке 4

Рисунок 4. Вид ДН зеркальной антенны



ДН антенны с учетом затенения приведена на рис.5

Рисунок 5.

1 - ДН без учёта затенения;

2 - ДН с учётом затенения.



4. Проверка соответствия полученных параметров требованиям

Определенный по ДН УБЛ составляет -27,331 дБ, что соответствует требованиям.

Зная формулу для ДН можем определить КНД по следующей формуле:

(4.1)

Таким образом D=70106

Тогда, т.к. КПД для зеркальной антенны обычно равно 0,9 , то итоговый коэффициент усиления равен G=47,9 дБ, что удовлетворяет требованиям.

Таким образом, рассчитанные параметры антенны удовлетворяют техническим требованиям.



5. Расчет результирующего КИП и коэффициентов

Проверка коэффициента усиления антенны в заданном диапазоне частот.

з1- учет потерь в волноводном тракте;

з2- потери мощности излучения за счет рассеяния за пределы зеркала;

з3- учет отличия фазового фронта излучаемой облучателем волны от

сферического;

з4- снижение КУ за счет отклонения поверхности зеркала от расчетной;

з5- погрешность установки облучателя;

g1- затенение раскрыва;

g2- апертурный коэффицент поверхности.

1) Влияние погрешности установки облучателя з₅ можно принять равным 0,99 , т.е. почти пренебречь, если она удовлетворяет условию:

Дf < л / 8*(1 - cosи).

Для нашей антенны:

Дf<0,563

При установке облучателя и отражателя с подстроечным элементом возможно уложиться в заданную погрешность.

2) Определим погрешность фазового распределения.

Вблизи центра параболоида необходимая точность выполнения профила зеркала максимальна. Считаем, что допустимое фазовое отклонение должно удовлетворять условию:



Среднеквадратичная ошибка формы зеркала должна удовлетворять соотношению:

Для центральной части зеркала:

Погрешность фазового распределения определим по формуле:

Получим з₄ = 0,861.

3) з₃ принимаем равным 0,95.

4) Потери мощности за счет рассеяния энергии за пределы зеркала определим по формуле:

Где и0 - угол раскрыва зеркала.

Получаем:

Аппертурный КИП вычисляем по следующей формуле:

(5.1)

Коэффициент перехвата рассчитаем по формуле:

(5.2)

Множитель, учитывающий затенение, равен:

Тогда итоговый КИП равен: (5.3)



6. Расчет в полосе частот 56 ГГц - 57ГГц

Этому диапазону частот соответствует диапазон длин волн 0,526- 0,536 см.

При 0,526 см коэффициент усиления равен 45,02 дБ, при 0,536 см равен 45,09 дБ, что соответствует требованиям.

УБЛ при длине волны 0,526 см равен -26,92 дБ, при длине волны 0,536 см равен -26,93 дБ, что также соответствует требованием.



ІІ. Проектно-конструкторский раздел

2.1 Выбор волновода

По условию задана рабочая частота - 56,5 ГГц. Длина волны - 0.531 см.

Подберем соответсвующий прямоугольный волновод.

Пусть рабочий тип волны H₁₀ , тогда: критическая длина волны в волноводе связана с его размерами соотношением:

Для рабочей длины волны должны выполняться условия:

Из таблицы стандартных прямоугольных волноводов ( [4], стр.187) выбираем волновод с параметрами (a, b - поперечные размеры, S - толщина, f_nom - номинальная частота волны) :

Материал - титан, т.к. волновод должен выдерживать перегрузки при взлете ракеты. Марку титана выбираем ОТ4-1

Область применения данной марки титана: авиастроение, ракетостроение, каркасные детали, обшивка, детали ракетных двигателей, детали корпусов ракетных двигателей. Сплав применяется для изготовления тонкостенных деталей, работающих длительное время при повышенной температуре.

Т.к. рабочая длина волны менее 1см, необходима точность обработки внутренней поверхности волновода - 8-9 класс чистоты.

Для уменьшения потерь, основной слой металла можно покрыть слоем металла с высокой проводимостью, например, серебром. Толщина слоя в этом случае составит 7…10 мкм.

2.2 Выбор плавного изгиба волновода

Плавные изгибы обладают минимальным отражением волн при длине:

Радиус изгиба R должен быть больше длины волны.

Выбираем волноводный изгиб, соответсвующий этим параметрам: R = 2 см,

L > 2,5 см. При меньших размерах изгиба будет затруднена сборка волноводного тракта.

2.3 Выбор фланцев

Выбираем плоские прямоугольные фланцы. Помимо основных крепежных отверстий, будут отверстия для штифтов, используемых для лучшего сопряжения поверхностей фланцев. Прокладки не используем, т.к. в космосе не требуется герметичность.

2.4 Изготовление зеркала

Рассчитаем высоту параболоида:

H= 12

см

К материалу зеркала предъявляются следующие требования: прочность (перегрузки при взлете ракеты) при относительно небольшой толщине детали, легкость(ограничения на полезную нагрузку ракеты). Оптимальным материалом для этих требований является титан. Выбираем марку ОТ4-1.

Зеркало изготавливается прокаткой. После прокатки сверлятся отверстия для крепежных винтов, нарезается резьба.

Поверхность зеркала можно оставить без специального покрытия.

2.5 Конструкция плоского отражателя

Констуктивно отражатель состоит из 3х частей:

- непосредственно плоский отражатель, снабжен ребрами жесткости, т.к. должен выдерживать перегрузки при взлете.

- крепежная рама, к ней присоединяются крепежные стержни, воспринимает на себя нагрузку от них. Снабжена ребрами жесткости.

- отражатель и рама соединены подвижным «червяком». После сборки, при помощи «червяка» немного изменяя положение отражателя (меняется расстояние между антенной и отражателем) добиваемся максимального коэффициента усиления при приеме сигнала. После того, как это положение найдено, фиксируем его гайками, стянутыми проволокой.

2.6 Конструкция крепежных стержней

Крепежные стержни выполняются из титана марки ОТ4-1. Внутри стержни полые для уменьшения их массы. На конце стойки сделать бурт для упора шайбы, нарезать резьбу под гайку и сделать прорезь для фиксирующей проволоки.



Заключение

В ходе курсового проекта была разработана конструкция зеркальной антенны межспутниковой линии связи.

- По техническому заданию антенны должна была иметь коэффициент усиления 45 дБ. Спроектированная антенна в заданной полосе частот обладает коэффициентом усиления 45,02…45,09 дБ.

- Спроектированная антенна в заданнной полосе частот имеет уровень боковых лепестков -26…-27 дБ. Было решено считать такой результат приемлемым.

Таким образом, спроектированная антенна удовлетворяет техническому заданию. Также учтены такие рекомендации, как минимальные габариты и масса. Конструкция выдерживает перегрузки при старте ракеты.

Размещено на Allbest.ru