Схема и принцип действия параболической антенны - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника дипломная работа

Основные геометрические свойства параболоида вращения. Эффективность параболической антенны. Расчет диаграмм направленности с учетом тени, создаваемой облучателем. Расчет себестоимости зеркальной антенны. Электромагнитное и ионизирующее излучения.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

1.1 Основные геометрические свойства параболоида вращения
1.2 Схема и принцип действия параболической антенны
1.3 Направленные свойства параболической антенны
1.4 Эффективность параболической антенны. Оптимальный облучатель
1.5 Факторы, вызывающие уменьшение коэффициента направленного действия антенны
2.1 Расчет геометрических размеров антенны
2.2 Расчет геометрических размеров облучателя
2.3 Расчет диаграммы направленности облучателя
2.4 Расчет амплитудного распределения антенны
2.5 Расчет приближенных диаграмм направленности
2.6 Расчет диаграмм направленности на средней частоте
2.7 Расчет диаграмм направленности с учетом тени, создаваемой облучателем
3. Расчет параметров коаксиально-волноводного перехода.
4. Разработка конструкции основных узлов антенны
5. Корректировка расчетов диаграммы направленности
6.2 Расчет себестоимости зеркальной антенны
7. Раздел безопасности и экологичности
1.1 Основные геометрические свойства параболоида вращения
Широкое распространение в диапазоне СВЧ получили антенные устройства, аналогичные оптическим рефлекторам или прожекторам. Такие антенны состоят из источника первичной волны и одного или нескольких зеркал, преобразующих фронт волны этого источника в заданный, обычно плоский. Целесообразно, перед тем как перейти к рассмотрению зеркальных антенн СВЧ, напомнить основные геометрические соотношения, справедливые для параболоида вращения и параболического цилиндра, - поверхностей, на базе которых выполняется большинство зеркальных антенн.

Свяжем с параболоидом вращения (рисунок 1.1) прямоугольную систему координат с началом в вершине параболоида (точка О) и осью OZ, совмещенной с фокальной осью параболоида (прямая OF), и полярную - систему координат с центром в фокусе (точка F) и отсчетом угла ш от прямой FO. Поверхность параболоида вращения в прямоугольной системе координат (X, Y, Z) описывается уравнением:
а в полярной системе (p, ш) - уравнением:
где f=OF - фокусное расстояние параболоида.
Раскрывом, или апертурой параболоида назовем плоскую поверхность, ограниченную кромкой параболоида.
Радиус этой поверхности Ro (см. рисунок 1.1) назовем радиусом раскрыва, а угол 2ш 0 - назовем углом раствора (ш 0 - угол между фокальной осью и прямой, проведенной из фокуса к кромке параболоида). Для радиуса раскрыва Ro и угла раствора 2ш 0 справедливы соотношения:
Если угол раскрыва 2ш 0 <р, то соответствующий параболоид называется длиннофокусным, если угол раскрыва 2ш 0 >р, то - короткофокусным. У длиннофокусного параболоида Ro<2f, а у короткофокусного - Ro>2f
Напомним, что угол между радиусом , проведенным под углом ш к фокальной оси, и нормалью к поверхности параболоида в этой точке равен ш/2. Площадь рабочей поверхности антенны зависит от размера раскрыва и утла раствора и может быть определена по формуле:
Если разместить в фокусе параболоида источник сферической волны, то после отражения этой волны от параболоида фронт ее становится плоским.

Параболический цилиндр (рисунок 1.2) представляет собой поверхность, описываемую уравнением:
Расстояние от фокальной линии FF до оси OY называется фокусным расстоянием и обозначается f. Если разместить вдоль линии FF синфазный линейный источник, то волновой фронт волны после отражения от параболического цилиндра становится плоским [1].
1.2 Схема и принцип действия параболической антенны
Схема параболической антенны приведена на рисунке (1.3). Антенна состоит из металлического зеркала в виде параболоида вращения и облучателя, помещенного в фокусе.

Остановимся сначала на принципе действия оптических параболических зеркал (прожекторов), которые так же, как и оптические линзы, служат для преобразования сферического фронта волны источника в плоский фронт. Принцип действия параболического зеркала описан в [6] и заключается в том, что расходящиеся лучи, идущие от источника находящегося в фокусе зеркала, после отражения от его поверхности становятся параллельными.
Рассмотрим два произвольных луча - 1 и 2, излученных источником, находящимся в фокусе, и падающих на параболическое зеркало (рисунок 1.3). Луч 1, падающий в точку а, образует угол с осью, а луч 2, падающий в точку b, образует угол с осью параболоида. Согласно описанным выше свойствам параболоида, лучи 1 и 2 образуют с нормалью к поверхности параболоида в точках а и b углы и соответственно. Так как угол отражения равен углу падения, то угол отражения луча 1 равен , а угол отражения луча 2 равен . Таким образом, отраженный луч 1 образует угол с падающим лучом 1 и, следовательно, параллелен оси параболоида. Отраженный луч 2 образует угол с падающим лучом 2 и также параллелен оси параболоида. Аналогично этому любой луч, исходящий из источника, помещенного в фокусе, после отражения от параболоида становится параллельным оси параболоида.
Параллельным лучам соответствует плоский фронт волны. В качестве отражающих поверхностей применяются металлические зеркала, дающие практически полное отражение падающих на них лучей без заметных потерь.
Концепция геометрической оптики, подробно описанная в [6], согласно которой каждый луч облучателя, падающий на какую-либо точку параболоида, создает определенный отраженный луч, для радиотехнических параболических зеркал неточна, так как она справедлива, если длина волны бесконечно мала по сравнению с размерами зеркала и радиусами его кривизны.
Работу параболической антенны можно описать следующим образом. Энергия, направляемая облучателем на зеркало, возбуждает его, т. е. возбуждает токи на его поверхности. Каждый элемент поверхности параболоида, обтекаемый током, может рассматриваться как элементарный источник, излучающий энергию по весьма широкой диаграмме.
Для получения узкой диаграммы направленности необходимо распределить энергию между большим числом элементарных вибраторов, расположенных и возбужденных таким образом, что в нужном направлении их поля оказываются синфазными [4]. В данном случае распределение энергии осуществляется облучателем, а роль элементарных вибраторов играют элементы возбужденной поверхности параболоида, причем распределение токов в пространстве таково, что в направлении оси Z все элементы поверхности параболоида создают поля одинаковой фазы.
1.3 Направленные свойства параболической антенны
Расчет диаграммы направленности параболической антенны может быть произведен по распределению токов на поверхности зеркала - токовый метод. Зная распределение тока на поверхности зеркала, можно определить направленные свойства параболической антенны. Для этого необходимо проинтегрировать по всей поверхности зеркала выражение для напряженности поля, создаваемого элементом поверхности зеркала, рассматривая его как элементарный электрический вибратор.
Расчет ДН антенны этим способом обеспечивает достаточно точные результаты в пределах главного лепестка и прилегающих к нему боковых лепестков. Существенный недостаток этого метода - относительная сложность и громоздкость выкладок [4].
Рассмотрим в качестве излучающей плоскую поверхность раскрыва. Если пренебречь токами, затекающими на наружную поверхность параболоида, то можно определить напряженность поля в любой точке пространства по распределению поля на поверхности раскрыва S. Для приближенного определения распределения поля на поверхности раскрыва можно воспользоваться методом геометрической оптики, согласно которому каждому лучу облучателя, падающему на поверхность зеркала, соответствует луч, отраженный от этой поверхности. Если облучатель расположен в фокусе параболоида, все отраженные от поверхности антенны лучи оказываются параллельными (плоская волна), и поэтому плотность энергии на пути от излучающей поверхности параболоида до излучающей поверхности не меняется. На пути от облучателя до поверхности параболоида амплитуда лучей убывает обратно пропорционально расстоянию.
Таким образом, если в фокусе параболоида размещен облучатель с диаграммой направленности (ц,ш), то распределение поля Е(ц,ш) в раскрыве антенны по методу геометрической оптики [6] определится равенством:
В равенстве (1.8) постоянные множители, не представляющие интереса для настоящего рассмотрения, опущены. Диаграмма направленности раскрыва с распределением (1.8) определяется формулой:
Апертурный метод позволяет достаточно просто определить направленные свойства антенны с любым сколь угодно сложным раскрывом. Этот метод основан на тех же нестрогих предположениях, на которых основан токовый метод. Предположение о лучевом распространении поля от зеркала антенны до раскрыва, свойственное только апертурному методу, приводит к дополнительным погрешностям, увеличивающимся с ростом угла раствора зеркала. Следует отметить также, что апертурный метод не позволяет определить поляризационные характеристики поля антенны [4].
1.4 Эффективность параболической антенны. Оптимальный облучатель
Рассмотрим раскрыв параболоида как излучающую поверхность. Если распределение поля на поверхности синфазно и равномерно, то коэффициент направленного действия возбужденной поверхности в направлении оси OZ может быть определен формулой [24]:
где S - площадь возбужденной поверхности.
Пусть теперь в раскрыве антенны распределение поля задано функцией Е(М), где М - текущая точка поверхности. Определим коэффициент направленного действия этой антенны в направлении оси Z. Поле, излученное антенной в этом в этом направлении, определяется равенством:
где С - константа, в которую включены все, не представляющие интереса для настоящего рассмотрения, величины; dS -- элемент поверхности. Для первой антенны, у которой распределение поля в раскрыве синфазно и равномерно, т.е. Е(М)=Ео, имеем:
Излученная антенной с распределением поля в раскрыве Е(М) мощность:
Для синфазного и равномерного распределений излученная мощность:
Отсюда коэффициент направленного действия антенны 2 определяется выражением:
Формулу (1.15) можно привести к следующему виду (индекс «2» опускаем):
называется апертурным коэффициентом использования антенны.
Во многих практических случаях распределение поля в раскрыве антенны может считаться синфазным и осесимметричным. Достаточно часто амплитуду поля можно аппроксимировать параболическим распределением с пьедесталом:
На краю раскрыва E(R 0 ) = 1 - Д. Эта величина обычно называется пьедесталом распределения.
Подставляя (1.18) в (1.17), после очевидных преобразований получим для апертурного коэффициента использования антенны с параболическим распределением выражение:
На рисунке (1.4) приведена зависимость коэффициента k а рассчитанного по формуле (1.19), от относительного уровня поля на краю антенны 1 - Д. В частности, если уменьшение уровня поля на краю антенны составляет 10дБ, апертурный коэффициент k а -- около 92%.
1.5 Факторы, вызывающие уменьшение коэффициента направленного действия антенны
Анализ эффективности параболической антенны, проведенный в предыдущем пункте, базировался на ряде упрощающих предположений. В частности, предполагалась абсолютная точность выполнения отражающей поверхности, не учитывалось затенение части раскрыва облучателем и т.д. Впоследствии нами будет рассматриваться влияние некоторых из этих факторов на свойства проектируемой антенны.
2.1 Расчет геометрических размеров антенны
Апертура исследуемой антенны представляет собой две накладывающиеся друг на друга плоскости, имеющие общий центр. Следовательно, антенна имеет два различных фокусных расстояния и угла раскрыва, для расчета которых необходимо измерить диаметр (D) и глубину (Н) апертуры в каждой плоскости.

Для расчета фокусных расстояний введем декартову систему координат как это показано на рисунке (2.1) и воспользуемся уравнением поверхности параболоида (1.1):
В этом случае диаметр D соответствует координате X , а глубина раскрыва Н соответствует координате Z. Подставив в формулу измеренные размеры получим:
Для расчета углов раскрыва воспользуемся формулой (1.5):
Далее, используя номограмму из [5], изображенную на рисунке (2.2), проверим полученные ранее значения фокусных расстояний и углов раскрыва антенны:
Рисунок 2.2. Номограмма для нахождения фокусного расстояния и угла раскрыва антенны.
2.2 Расчет геометрических размеров облучателя
В соответствии с заданием, облучатель должен быть выполнен в виде открытого конца прямоугольного волновода. Расчет размеров произведем, исходя из условия существования волны основного типа в прямоугольном волноводе Н 10 на протяжении всего частотного диапазона, указанного в задании (484-750МГц).
Целесообразно в качестве критической взять частоту f кр = 400 Мгц и, в соответствии с этим, произвести необходимые расчеты.

Известно, что для прямоугольного волновода (рисунок 2.3) с основным типом волны размеры широкой стенки (a) должны удовлетворять условию:
Пусть 1.8а = л кр , что удовлетворяет условию (2.3). Получим:
Размеры узкой стенки волновода (b) обычно выбираются из условия:
Длинна волновода - L определяется таким образом, чтобы на минимальной частоте диапазона вдоль волновода укладывалась одна л в . Произведем необходимые расчеты:
Длина волны в волноводе определяется по известной формуле
В нашем случае нет необходимости в строгом равенстве л в max = L;
Для выбора L воспользуемся приближенной формулой
С учетом необходимых конструктивных допусков, окончательный результат:
2.3 Расчет диаграммы направленности облучателя
В области сантиметровых волн в качестве слабонаправленной антенны часто применяются волноводы с открытым концом. Такие антенны используются в качестве облучателей зеркальных или линзовых антенн и как самостоятельные излучатели.
На практике используются волноводные излучатели круглого, прямоугольного и эллиптического сечений. Обычно сечение волновода выбирается таким образом, чтобы избежать возникновения высших типов волн. Размеры сечения прямоугольного волновода выбираются в пределах 0,5лz 1
Далее рассмотрим решение этой же задачи при условии, что волновод с одной стороны закорочен проводящей плоскостью (полубесконечный волновод) [16]. В соответствии с принципом зеркальных изображений, исходная система эквивалентна изображенной на рисунке (3.2б).



ЭМП в волноводе при z>0 находят как сумму полей реального и фиктивного источников. Коэффициент возбуждения волны реального источника определяется из выражения:
Коэффициент возбуждения волны от фиктивного источника:
Коэффициент результирующей волны типа H 10 находится как сумма коэффициентов реального и фиктивного источников. В результате сделанных предположений найдем комплексные амплитуды составляющих вынужденного ЭМП волны H 10 :
Далее, определим мощность и сопротивление излучения ЭЭИ, возбуждающего волну H 10 в волноводе, рассмотренном выше. Определим, при каких значениях x 1 и z 1 мощность, отдаваемая источником в волновод максимальна.
Мощность излучения равна среднему потоку мощности волны H 10 через поперечное сечение волновода [18]:
Комплексные амплитуды составляющих вынужденного поля для данной системы определяются выражением:
Подставляя сюда найденные значения комплексных амплитуд вынужденного ЭМП, получим:
Величина максимальна при x 1 =a/2 и z 1 = (2к+1)л H 10 /4 (к=0,1,2,....). Поэтому, при расчетах параметров конструкции волновода положение КВП выбирается на расстоянии 0,25 м от короткозамыкающей стенки волновода и на расстоянии 0,5а=21 см от узкой стенки волновода.
Сопротивление излучения можно найти из условия
Следуя полученной выше формуле, составим графики следующих зависимостей.
Рисунок 3.3. Зависимость сопротивления излучения в заданном диапазоне при рассчитанных размерах волновода от длины волны в свободном пространстве. (Полагается, что l д равно половине b).
Рисунок 3.4. Зависимость сопротивления на средней частоте от длины проводника, возбуждающего резонатор.
4. Разработка конструкции основных узлов антенны
Предложим конструкцию волновода как результат произведенных выше расчетов. На рисунках (4.1) и (4.2) предложен вариант конструктивного исполнения волновода.

Рисунок 4.1. Поперечное сечение волновода.

Рисунок 4.2. Внешний вид волновода.
Установка волновода в фокус обеспечивается за счет держателя, изображенного на рисунках (4.3) и (4.4). Для обеспечения первоначальной калибровки антенны и возможности ее дальнейшей работы волновод должен иметь возможность передвигаться вдоль оси излучения в небольших пределах (это необходимо для максимально точной установки волновода в фокус, а так же дает возможность управления ДН антенны). Для этого в конструкции волновода предусмотрены направляющие, имеющие отверстия соответствующих диаметров, а в конструкции держателя соответственно - направляющие пазы с прорезанными в их широких стенках щелями. Фиксация волновода осуществляется с помощью крепежных болтов [16].

Рисунок 4.3. Поперечное сечение держателя волновода.

Рисунок 4.4. Конструкция держателя волновода.
Для обеспечения первоначальной калибровки облучателя отдельно выполняется коротко замыкающий поршень, изображенный на рисунке (4.5). После выполнения калибровки поршень фиксируется.

Рисунок 4.5. Короткозамыкающий поршень волновода.
5. Корректировка расчетов диаграммы направленности
В связи с предложенной конструкцией держателя волновода, имеющего размеры, большие, чем раскрыв волновода (крепление держателя в фокус обеспечивается за счет квадратной металлической пластины со стороной 52см (рисунок 5.1)), необходимо произвести пересчет ДН антенны с учетом круглой тени, создаваемой пластиной. Все расчеты ведутся по методике, предложенной в пункте (2.7).

Построим графики полученных функций:
Рисунок 5.2. ДН антенны с учетом тени, создаваемой облучателем и держателем в плоскости E.
Рисунок 5.3. ДН антенны с учетом тени, создаваемой облучателем и держателем в плоскости H.
Производя расчет экономической эффективности, необходимо четко представлять, в первую очередь, суть таких категорий, как “экономический эффект” и “экономическая эффективность”.
Экономический эффект - это полученный (или предполагаемый) результат использования определенных ресурсов (основных фондов, трудовых ресурсов и т.п.), рассчитанный в денежном выражении.
Экономическая эффективность - это соотношение экономического эффекта и затрат, связанных с его получением.
Исходя из сути экономической эффективности, для ее расчета необходимо определить (рассчитать), во-первых, величину затрат, которые следует осуществить для реализации поставленной цели, а во-вторых, величину экономического эффекта, который будет получен на практике от внедрения полученных результатов.
Общая сумма затрат слагается из нескольких частей: текущих, единовременных, эксплуатационных и сопряженных затрат.
Текущие затраты - это затраты, связанные непосредственно с изготовлением продукции, производимой с помо
Схема и принцип действия параболической антенны дипломная работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Договор Купли Продажи Жилых Помещений Курсовая Работа
Реферат: Виды зданий и предъявляемые к ним требования
Моя Любимая Музыка В Кино Сочинение
Дипломная работа: Проблемы миграции и ее современное состояние
Студенческая Жизнь Сочинение На Английском С Переводом
Реферат На Тему Экспресс-Курс Для Начинающих Работу С Торговыми Сетями
Сочинение На Тему Недоросль Злободневное Произведение
Какие Книги Прочитать Для Декабрьского Сочинения
Реферат по теме Обеспечение правомерности и законности сделок с недвижимостью
Курсовая Работа На Тему Международные Финансовые Корпорации
Как Правильно Писать Сочинение 9.3
Курсовая работа по теме Роль государства в формировании инновационной экономики
Позитивные Эмоции Как Фактор Благополучия Реферат
Сочинение С Древнерусскими Словами
Вирус Африканской Чумы Реферат
Реферат: Визуальный HTML-редактор DreamWeaver. Разработка Web-дизайна
Сочинение по теме Тема любви в цикле рассказов И. А. Бунина «Темные аллеи»
Реферат: Символы и метафоры в поэзии Ш. Бодлера
Темы: The conflicts of the modern world. A competitive society. Скачать бесплатно и без регистрации
Сочинение Самый Лучший День В Школе
Доказательства в гражданском процессе - Государство и право дипломная работа
Крымские горы и их геологическая характеристика - Геология, гидрология и геодезия реферат
Особенности функционирования библеизмов в языке в одноязычном и сопоставительном аспектах - Иностранные языки и языкознание дипломная работа