коэффициент использования площади раскрыва антенны (8 видео)

Содержание

ЧаВО (FAQ) ПО СПУТНИКОВЫМ АНТЕННАМ
Конвертер величин
Калькулятор эффективной площади антенны
КНД и КУ зеркальных антенн. 13.1 Облучатель зеркал. Приближенный расчет параболической антенн
🌟 Видео

Видео:Коэффициент направленного действия антенныСкачать

ЧаВО (FAQ)
ПО СПУТНИКОВЫМ АНТЕННАМ

Приемная спутниковая антенна является важнейшим узлом системы спутникового телевидения (СТВ). Любая приемная или передающая антенна характеризуется несколькими электрическими характеристиками:

рабочий частотный диапазон;
диаграммой направленности;
коэффициентом направленного действия (КНД);
коэффициентом использования поверхности (КИП);
коэффициентом усиления антенны ( Кус );
эквивалентной шумовой температурой антенны (Тша).

Рабочий частотный диапазон характеризует для приема, какого диапазона частот рассчитана антенна. Рабочий частотный диапазон измеряется в гГц., имеет значение 2 до 12,75 гГц для систем СТВ. Весь спутниковый диапазон разбит на несколько поддиапазонов:

Полоса частот, гГц

1,452-1,55 и 1,61-1,71

3,4-5,25 и 5,725-7,075

Диаграмма направленности (ДН) характеризует зависимость мощности излучаемой антенной от направления в пространстве. ДН представляется в виде графической зависимости интенсивности излучения от углового положения эталонного приемника. Диаграмма направленности параболической антенны составляет от 0.2 град до 2 град. ( Здесь приведены данные по ДН для разного типа промышленных антенн ).

Коэффициент направленного действия (КНД) показывает во сколько раз надо увеличить мощность передатчика, чтобы заменить направленную антенну ненаправленной. КНД зависит от размеров антенны и облучателя.

Коэффициент использования поверхности (КИП) определяется распределением амплитуды поля по рабочей поверхности антенны, утечкой мощности за края зеркала антенны и другие потери. КНД= 4*p*S*КИП/L, где L-длина волны, S- площадь раскрыва антенны. КИП измеряется в разах и имеет типовое значение 0,5- 0,75. КИП напрямую зависит от качества облучателя.

Коэффициент усиления (Ку) это коэффициент, показывающий во сколько раз меньше мощность, подводимая к направленной антенне по сравнению с ненаправленной. Ку измеряется обычно в дБ и имеет типовое значение от 35дБ до 54дБ. ( Здесь приведены Ку для различных антенн промышленного производства ).

Эквивалентная шумовая температура показывает воздействие шумов вызванных воздействием теплового излучения Земли и атмосферы, приемом через боковые лепестки мешающего радиоизлучения и т.п., чем меньше этот параметр, тем лучше. Обычно измеряется в градусах Кельвина и лежит в диапазоне 25-35 град К.

Теперь поговорим о таком важном понятии как поляризация. Радиоволна характеризуется такими параметрами, как Е и Н это векторы электрической и магнитной напряженности электромагнитного поля. От того какая ориентация этих векторов в пространстве зависит тип электромагнитной волны. Все определяется положением вектора Е. Если вектор Е имеет вертикальное или горизонтальное положение, то эта волна с линейной поляризацией. Если вектор Е вращается вправо или влево, то это электромагнитная волна с круговой поляризацией. Наиболее просто принимать электромагнитные волны с линейной поляризацией и для их приема выпускаются конверторы (конвертор это устройство, осуществляющее преобразование и усиление принимаемой электромагнитной волны). Для приема волн с круговой поляризацией обычно используют устройства, преобразующие круговую поляризацию в линейную, такие устройства называются деполяризаторы.

Приемные антенны, используемые в СТВ, бывают зеркальные и плоские антенные решетки. Поговорим о наиболее распространенных зеркальных антеннах. Они разделяются на два основных класса, по расположению конвертора:

Прямофокусные — это зеркальные антенны, у которых фазовый центр конвертора находится в фокусе антенны. Различают короткофокусные и длиннофокусные антенны. В спутниковом телевидении используются длиннофокусные антенны т.к. с увеличением фокусного расстояния уменьшаются кроссполяризационные потери. Для увеличения коэффициента усиления антенны, облучатель конвертора должен максимально облучать площадь зеркала антенны, но это приводит к увеличению шумовой температуры антенны, поэтому облучатель конвертора должен быть рассчитан так, чтобы на краях антенны амплитуда поля была на 15 дБ ниже. Чем в центре зеркала это приводит к уменьшению коэффициента использования поверхности антенны. Для снижения шумовой температуры антенны должны отсутствовать боковые лепестки (или сильно подавлены). Для уменьшения «перелива» поля (дифракции поля облучателя на краю антенны) за края антенны используют перфорацию краев антенны, поглощающие экраны, а также расфазирующие кромки (специальная форма кромки для согласования со свободным пространством).

Офсетные антенны отличаются от прямофокусных вынесенным из фокуса антенны облучателем. Смещение облучателя приводит к смещению диаграммы направленности антенны. Офсетные антенны, обладают замечательными свойствами, они расположены почти перпендикулярно к поверхности земли, за счет этого на них не скапливаются осадки. Облучатель антенны вынесен в низ и не заслоняет зеркало антенны. Кроме того, такая антенна значительно легче крепится на вертикальной стене дома.

Антенны различаются по материалу, из которого изготовлено зеркало антенны на стальные и алюминиевые. Алюминиевое зеркало предпочтительнее т.к. оно не подвержено корозии, кроме того, антенна из алюминия гораздо легче. Стальная антенна дешевле, чем алюминиевая, но срок службы такой антенны зависит от качества окраски. Сталь боится корозии. Если зеркало повредила корозия, такая антенна начинает принимать в Ku диапазоне значительно хуже, чем не поврежденная, причем корозия может быть и не заметна на глаз. Это связанно с поверхностными токами, чем выше частота электромагнитного сигнала, тем на меньшую глубину проникает электромагнитная волна в поверхность металла, а окисел железа является токопроводящим материалом с большим объемным сопротивлением. Бывают также антенны с перфорированной поверхностью — сетчатые антенны. Считается что если размер отверстий меньше четверти длины волны, то такая антенна эквивалентна цельнометаллической. Эти антенны, как правило, имеют большие размеры и составлены из секций, как правило, такие секции состоят из плоских элементов обрамленных уголками, которые и позволяют скреплять секции между собой. Таким образом, плоскими элементами апроксимируют гиперболическую форму антенны, естественно то, что приемлемо для С-диапазона не годится Ku-диапазона. Т.к. 1/4 длины волны в Ku-диапазоне около 5 мм, поэтому любое отклонение формы поверхности от идеальной на 5 мм приведет к ухудшению характеристик антенны. Размер сетки для приема в Ku-диапазоне можно смело делить на два. Цельнометаллические антенны тоже бывают разные, сборные и из цельного листа металла. Сборные антенны, как правило имеют меньший коэффициент усиления чем из цельного металла. Это связанно с неточностями при изготовлении и сборке. Например сборная антенна фирмы ASTRX 1,85 м работает в Ku-диапазоне, как 1,5 метра. По нашему опыту очень хорошее качество имеют антенны производства Ульяновского «СУПРАЛ», эти антенны характеризуются хорошим качеством алюминиевого зеркала, но для больших антенн с азимутальной подвеской требуется доводка механизма для установки актуатора, полярная подвеска имеет меньше недостатков. Есть также нарекания по качеству сборных антенн Jonsa, судя по откликам специалистов они бывают производства разных заводов Китай или Тайвань. Антенны Китайского производства вообще не выдерживают ни какой критики. Тайваньские антенны имеют лучшее качество, однако надо иметь ввиду что реально антенна имеет усиление в Ku-диапазоне на 2-3 дБ меньше, чем аналогичная из цельного листа металла.

Большое значение в антенне имеет устройство называемое облучателем. Облучателем определяются многие важные характеристики антенны.

К облучателю предъявляются следующие требования:

угол раскрыва облучателя (диаграмма направленности) должен совпадать с диаграммой направленности зеркальной антенны;
фазовый центр облучателя должен совпадать с фокусом антенны;
размеры облучателя должны быть небольшими, чтобы не давать «тень» на зеркало антенны;
у облучателя должны отсутствовать боковые лепестки в диаграмме направленности или их уровень должен быть низким;
для снижения уровня принимаемых помех ширина полосы облучателя должна совпадать с полосой принимаемых частот, частоты выше и ниже полосы должны быть подавленны.

Большое распространение получили рупорные облучатели, но основным их недостатком является большой уровень бокового излучения.

Другой широко применяющийся облучатель — это отрезок круглого волновода с экраном выполненных в виде колец Фринеля, он имеет неплохую диаграмму направленности, но боковое излучение недостаточно подавленно.

Хорошие результаты дают облучатели, выполненные на базе облучателя фринеля со сдвинутыми кольцами.

Конвертор это устройство, принимающее радиосигнал со спутника и преобразующее его в электрический сигнал который «понимает» тюнер (ресивер). Обычно сигнал, принимаемый тюнером, лежит в диапазон частот от 750 мГц до 2150 мГц.

Конвертор характеризуется следующими параметрами:

диапазоном частот;
принимаемой поляризацией ( круговая «правая» или «левая», линейная вертикальная или горизонтальная);
усилением;
питанием (напряжение, потребляемый ток)
собственными шумами;
сигналами и способом управления конвертором (50 Гц; 22 кГц; 13В, 18В; DiSEqC)
имеется ли встроенный облучатель;
если волновод конвертора заканчивается фланцем, то какой волновод (круглый, прямоугольный);
способом управления поляризатором (если таковой имеется);
потерями в поляризаторе;
стабильностью гетеродина.

Важным устройством в антенне является подвеска. Подвеска это механизм крепления антенны и фиксации направления на спутник. Бывает два основных типа подвесок:

Азимутально-угломестная подвеска используется, как правило, для антенн с фиксированным направлением на спутник или для антенн большего размера, для наведения такой антенны на спутник необходимо установить две координаты азимут и угол места.

Полярная подвеска позволяет при настройке антенны на спутник изменять только одну координату, азимут. Конструкция механизма подвески позволяет при изменении азимута автоматически вносить поправку для угла места. Такая подвеска обладает рядом качеств удешевляющих систему в целом. Например, для полярной подвески не требуется при изменении азимута антенны корректировать поляризацию конверторов. Полярная подвеска используется только для индивидуальных антенн, это связанно с ее конструктивными особенностями. Во-первых профессиональные антенны не надо вращать на большие углы, во-вторых у полярной подвески антенны больше вращающихся узлов, поэтому у нее больше люфты . Для профессиональной антенны большого размера требуется большая точность наведения на спутник и там используется азимутально-угломестная подвеска.

Полярная подвеска бывает совмещенная с электроприводом , такая подвеска называется моторизированная. Моторизированная подвеска более компактна, чем полярная подвеска с актуатором, с ее помощью можно легко установить офсетную антенну на вертикальной стене. По опыту использования подвески SMR-128, ее прочность недостаточна для антенн 1,2 метра, в случае сильного ветра антенна сильно раскачивается, что не позволяет принимать цифровые каналы. Кроме того, для собственного спокойствия приходиться «парковать» антенну к стене. Поэтому надо иметь ввиду , что в местностях, где бывают сильные ветры, моторизированные подвески необходимо ставить с запасом по прочности.

Актуаторы. Для вращения полярной или азимутальной подвески используется специальный электро-привод (актуатор). Актуатор представляет собой штангу с выдвигающимся штоком. Длина актуатора измеряется в дюймах (6″,8″, 10″, 12″,18″, 24″, 36″. ). При выборе актуатора надо иметь ввиду , что размер актуатора зависит от конструктивных особенностей подвески. При его выборе лучше всего будет посоветоваться с продавцом на счет рекомендуемой длины. Однако есть общие рекомендации:

следует внимательно проверить металл наконечника актуатора, не надо покупать актуатор с наконечником из силумина, наконечник должен быть стальной;
надо выкрутить шток актуатора и проверить его на отсутствие люфтов.

Как устроен актуатор? Это довольно простое устройство с электрическим мотором (контакты от мотора М 1 , М1′) и датчиком вращения выполненном как правило на герконе. Круглый магнит вращается и замыкает и размыкает контакты геркона. Направление вращения выбирается полярностью, количеством импульсов от датчика вращения определяется длина выдвинутого штока. При настройке позиционера надо настроить механические контакты актуатора на ограничения в крайних положениях антенны, чтобы ограничение было заданно не только в позиционере, но и в самом актуаторе. При монтаже антенн я встречался с таким дефектом, что позиционер «забывал» установки вот тогда и пригождаются ограничители установленные в актуаторе. Если антенна упрется в крайнее положение (например: в стену дома), а усилие у актуатора значительное, то шток актуатора может обломиться или согнуться. У нас были случаи, когда силуминовый наконечник актуатора просто обламывался.

В случае если стоит моторизированная подвеска, ограничители вращения тоже будет необходимо настраивать. Моторизированная подвеска SMR-128 имеет ограничители вращения настроенные с завода на 60 град от центрального положения, они могут быть перестроены, например в западном направлении на 75 град, а в восточном на 60 град.

В некоторых случаях требуется вращать антенну от направления на юг свыше 60 град. Надо поискать в продаже моторизированную подвеску, однако для больших антенн может не оказаться подходящего оборудования, в этих случаях приходится брать азимутальную подвеску и устанавливать на нее 2 актуатора. Как правило, если такая подвеска была изготовлена в России, то потребуется довольно значительная доработка ее конструкции, включая токарные и сварочные работы. Кроме того, надо понимать, что если антенна будет оборудована азимутальной подвеской, то для конверторов потребуются поляризаторы. В С-диапазоне не бывает магнитных поляризаторов, для Ku-диапазона бывают поляризаторы как магнитные, так и механические. Если же антенна будет оборудована сразу двумя конверторами — для С и Ku-диапазона, то необходимо будет установить два однотипных механических поляризатора для того, чтобы управление поляризаторами осуществлялось от одного тюнера. Установку конверторов лучше делать др. над др. причем желательно что бы конвертор Ku был в фокусе антенны, а С можно сместить вверх или вниз.

Видео:Лекция 7. Коэффициент усиления антенны.дБи. Модель распространения сигналов в свободном пространствеСкачать

Конвертер величин

Видео:Антенны. Часть1. Диаграмма направленности и усиление.Скачать

Калькулятор эффективной площади антенны

Калькулятор позволяет определить эффективную площадь антенны A_e для заданной частоты f или длины волны λ и коэффициента усиления антенны G. Этот и другие калькуляторы на TranslatorsCafe.com пригодятся не только инженерам и студентам технических специальностей, но и всем, кто хочет изучить технический английский, так как все они есть и в английской версии.

Пример: Рассчитать эффективную площадь антенны радиотелескопа РТ-70 в Крыму: коэффициент усиления его антенны 69,5 дБи или 9000000, рабочая частота 5,0 ГГц (или длина волны 6 см).

Для расчета введите величины в соответствующие поля, выберите единицы и нажмите на кнопку Рассчитать.

Эффективная площадь антенны представляет собой площадь эквивалентной плоской антенны с равномерным амплитудно-фазовым распределением и максимальным коэффициентом направленного действия (КНД), равным КНД рассматриваемой антенны. С этой площади антенна, направленная на источник сигнала, поглощает энергию падающего электромагнитного излучения. Для удобства объяснения рассмотрим эффективную площадь приемной антенны. Поглощенная антенной мощность P определяется как

Здесь P_d —плотность потока мощности (удельная мощность на единицу поверхности) падающей электромагнитной энергии и A — площадь раскрыва (геометрическая площадь) антенны. Коэффициент усиления антенны G прямо пропорционален геометрической площади антенны A. Его можно увеличить путем фокусирования излучения только в одном направлении с одновременным уменьшением излучения во всех остальных направлениях. Поэтому чем ýже ширина пучка, тем выше коэффициент усиления антенны. Соотношение между коэффициентом усиления антенны и ее площадью выражается формулой, в которую также входит КПД антенны:

Здесь λ — длина волны и η — КПД антенны, который всегда меньше единицы:

Здесь A_e — эффективная площадь (апертура) антенны, которая определяется как физическая площадь антенны, умноженная на КПД антенны. Если КПД антенны равен 1 (или 100%), это означает, что вся энергия, подаваемая передатчиком в передающую антенну излучается в пространство. Если же это приемная антенна, то при единичном КПД вся энергия, принимаемая антенной, попадает в приемник. Однако на практике часть энергии всегда теряется в форме тепловой энергии, которая расходуется на разогрев элементов конструкции антенны и фидера.

Заменяя произведение площади на КПД Aη на эффективную площадь A_e, получаем:

Эта формула и используется в данном калькуляторе. Из нее видно, что для заданной эффективной площади антенны ее коэффициент усиления возрастает с квадратом длины волны или при постоянной длине волны коэффициент усиления антенны прямо пропорционален ее эффективной площади. Отметим, что для апертурных антенн, таких как рупорные или параболические, эффективная площадь связана с геометрической площадью и всегда меньше этой площади. Однако, для проволочных антенн (например, симметричных и несимметричных вибраторов, антенн типа «волновой канал»), эффективная площадь обычно значительно (иногда в десятки раз) больше физической площади антенны.

Коэффициент усиления (КУ) антенны по мощности G, называемый обычно просто коэффициентом усиления, представляет собой отношение мощности излучения направленной антенны к мощности, излучаемой идеальной ненаправленной антенной, причем ко входам обеих антенн подводится одинаковая мощность. Коэффициент усиления — величина безразмерная, но чаще она выражается в децибелах (дБ, отношение по мощности) или изотропных децибелах (дБи, dBi, также отношение по мощности). Изотропный децибел характеризует коэффициент усиления антенны по сравнению с идеальной изотропной антенной, равномерно излучающей энергию во всех направлениях.

Например, определим эффективную площадь российского телескопа РТ-70, который находится в Крыму неподалеку от Евпатории.

Коэффициент усиления антенны G = 69,5 дБи или 9 000 000.

Диаметр антенны d = 70 м.

Рабочая частота f = 5,0 ГГц (6 см).

Геометрическая площадь антенны A = πD²/4 = π70²/4 = 3848 м². В то же время, ее эффективная площадь равна

Как мы видим, эффективная площадь составляет только 67% от геометрической площади антенны.

Теперь рассчитаем эффективную площадь 5-элементной антенны типа «волновой канал» (также называемой по именам японских изобретателей антенна Яги-Уда, антенна Уда-Яги или просто антенна Яги), работающей на частоте 500 МГц и имеющей коэффициент усиления 40 дБи, который соответствует безразмерному коэффициенту усиления 10. Длина активного элемента несколько меньше половины длины волны 0,5λ = 30 см, где λ = 60 см — длина волны.

Диаметр круга площадью 0,28 кв. м определяется как

То есть, для активного элемента длиной около 0.5λ = 30 см мы получаем круг диаметром 60 см (точнее, эллипс).

Видео:NanoVNA Как измерить реальный коэффициент усиления и диаграмму направленности антенныСкачать

КНД и КУ зеркальных антенн. 13.1 Облучатель зеркал. Приближенный расчет параболической антенн

Лекция 13. КНД и КУ зеркальных антенн.

13.1 Облучатель зеркал. Приближенный расчет параболической антенны.

13. КНД и КУ зеркальных антенн.

а) ,

где — геометрическая площадь, — коэффициент использования поверхности и определяется амплитудой поля в раскрыве зеркала.

(1)

В случае параболических зеркал имеем.

; ; (2)

Подставив (1) в (2) получим

(3)

Для приближенного расчета пренебрегают зависимостью распределения поля от и считают, что амплитуда поля в раскрыве является функцией только координаты , тогда (3) упрощается и принимает вид

Для облучателя в виде диполя с диполевым рефлектором имеет вид.

Рис. 84. Завистимость коэффициента использования поверхности раскрыва от угла раскрыва зеркала.

при – это объясняется тем, что поле очень малых зеркал приблизительно равномерное. С увеличением глубины зеркал быстро уменьшается.

КНД по формуле а) не учитывает потерь энергии на рассеивание, то есть энергии проходящей от облучателя мимо зеркала.

Для более полной характеристики следует использовать такой параметр, как КУ антенны

– КПД

Тепловыми потерями электромагнитной энергии на поврхности зеркала можно пренебречь (они очень малы).

Тогда под следует понимать

где – энергия попадающая на зеркало, – мощность излученная облучателем.

Для определения этого отношения окружим облучатель сферой радиусом элемент поверхности сферы равен

Рис. 85. К определению КПД зеркальной антенны.

Полная мощность облучателя определяется выражением

где – амплитуда напряженности поля в направлении максимального излучения облучателя; нормированная ДН облучателя.

Мощность излучения, попадающего на зеркало.

б)

Из выражения (б) видно, что полностью определяется ДН облучателя и величиной . Очевидно, чем больше , то есть чем глубже зеркало, тем большая часть излученной энергии попадает на зеркало и следовательно, тем больше . Таким образом характер применения противоположен характеру изменения . Опять компромисс.

13.1 Облучатель зеркал. Приближенный расчет параболической антенны.

Ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности 2QН0.5

Тип облучателя: Полуволновый вибратор с дисковым контр рефлектором;

Уровень боковых лепестков УБЛ = — 23 дБ;

Средняя яркостная температура неба Тнср = 15 К;

Температура шумов приемника Тпр = 2100 К;

Длина фидерной линии lф = 6 м.

1. Расчет геометрических и электродинамических параметров облучателя и параболоида:

1.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта;

1.2 Определение диаметра раскрыва;

1.3 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны.

1.3.1 аппроксимация аналитического вида ДН облучателя функцией вида cosn/2Y

2. Расчет геометрических и электродинамических характеристик поля

2.1 диаграммы направленности облучателя

2.2 распределение поля в апертуре зеркала.

3. Расчет пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны

4 Конструктивный расчет антенны:

a) расчет профиля зеркала

b) выбор конструкции зеркала

c) определение допусков на точность изготовления

Список использованной литературы

1. Определение геометрических размеров параболического зеркала

1.1 Выбор фидера. Определение шумовой температуры фидерного тракта Тафу и КПД;

Выбираем фидер РК-75-3-13, т. к. он подходит по частоте f=1 ГГц и обладает наименьшим коэффициентом затухания 0,11

Длина волны определяется по формуле:

Шумовая температура фидерного тракта Тафу определяется по формуле:

где б – коэффициент затухания линии передачи [дБ/м],

lф – длина фидерной линии [м].

КПД определяется по формуле:

Определим шумовую температуру антенной системы:

1.2 Определение диаметра раскрыва

параболическая антенна облучатель поле

Зеркальная антенна – направленная антенна, содержащая первичный излучатель и отражатель антенны в виде металлической поверхности. Параболическая зеркальная антенна представлена на рисунке 1.

В случае равномерно возбуждённого раскрыва параболического зеркала ширина ДН приближённо определяется:

, где

2Q0.5 – ширина диаграммы направленности на уровне половинной мощности, рад.;

l — длина волны излучаемого (принимаемого) антенной радиосигнала;

R0 – радиус раскрыва зеркала (рисунок 1).

Неравномерное возбуждение раскрыва зеркала приводит к некоторому расширению главного лепестка ДН, так как уменьшается эффективная площадь раскрыва. Чаще всего диаграммы направленности зеркальных антенн не обладают осевой симметрией, т. е. ширина главного лепестка в плоскостях Е и Н различна. В большинстве практических случаев это влечёт за собой следующее изменение:

, где

2QЕ0.5, 2QН0.5 ширина ДН соответственно в плоскостях Е и Н.

Для Е и Н плоскостей соответственно найдем радиус раскрыва:

Т. к. в курсовой имеются данные о ширине диаграммы направленности в обеих плоскостях, можно определить диаметр раскрыва dp = 2 Ч R0, причем из полученных двух значений диаметра следует выбрать наибольшее. Следовательно, R0 = 3,03 (м).

dp = 2 Ч R0 = 2 Ч 3,033 = 6,066 м

1.3 Определение угла раскрыва и фокусного расстояния зеркальной антенны

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R0/f0 КНД наибольший. Это объясняется тем, что количество теряемой энергии зависит от формы ДН облучателя и от отношения R0/f0. При уменьшении отношения R0/f0 от оптимального КНД уменьшается часть энергии, проходящей мимо зеркала. С другой стороны, увеличение этого отношения также приводит к уменьшению КНД в связи с более сильным отклонением закона распределения возбуждения от равномерного (рисунок 2) оптимальное значение R0/f0 определяется по аппроксимированной ДН облучателя (аппроксимация функцией вида где n определяет степень вытянутости ДН облучателя). Для вибратора с контррефлектором в виде диска n=4, R0/f0 = 1.0 .1.25, n = 0.82.

С точки зрения оптимизации геометрии антенны по максимальному отношению сигнал/шум необходимо произвести следующий расчет.

Чувствительность g определяется формулой:

Где первые четыре коэффициента не зависят от yо, а g’ вычисляется:

, где

Т1 = Тпр + Т0 Ч (1 — з) + з Ч Тнср = 2100 + 290 Ч (1 – 0.994) + 0.994 Ч 15 = 2117 К

u = (0.02 – 0.03) – коэффициент, учитывающий «переливание» части мощности облучателя через края зеркала;

n = 4 – определяется типом облучателя;

S = р Ч R2= 3.14 Ч 3,032 = 28.843 м2, площадь апертуры зеркала;

при n=4

Построим график функции г`(Y0), по максимуму которого определим угол раскрыва зеркала.

График 1 – График функции г`(Y0)

Y0 = 0.945 (рад) = 54,145° Ю a1 = 0.931, g = 0.88, g` = 3,822 Ч10-4, g = 9,57 Ч10 –3.

Фокусное расстояние f может быть рассчитано на основе следующего соотношения:

В зависимости от размещения облучателя относительно зеркала можно получить то или иное значение КНД. При определенном оптимальном отношении R0/f0 КНД наибольший. Заданный интервал отношения R0/f0 = (1,0…1,25). Расчетное отношение R0/f0 = 1,02, что удовлетворяет условию.

2 Расчет геометрических и электродинамических характеристик облучателей

Расчет сводиться к определению геометрических размеров облучателя, при которых уменьшение амплитуды поля на краю раскрыва зеркала происходит до одной трети амплитуды поля в центре раскрыва, и диаграммы направленности облучателя.

2.1 Полуволновый симметричный вибратор с контр рефлектором в виде диска

Фазовый центр вибратора с контр рефлектором в виде диска лежит между вибратором и контр рефлектором несколько ближе к последнему. Обычно контр рефлекторы выполняются в виде дисков диаметром 2d = (0.7…0.8)л, при этом ДН имеет форму, близкую к диаграмме с осевой симметрией, но, отличается от нее. Расстояние между вибратором и контр рефлектором выбирается близким к четверти длины волны, а длина вибратора – к половине длины волны (2l ≈ л/2).

Диаграмма направленности такого облучателя в Е плоскости рассчитывается по формуле:

а в Н плоскости – по формуле:

График 2 – ДН полуволнового симметричного вибратора с контр рефлектором в виде диска и аппроксимация.

2.2 распределение поля в апертуре зеркала

Расчет распределения поля в апертуре зеркала осуществляется по следующим формулам:

, где

F0(Y) – диаграмма направленности облучателя, Y0 – угол раскрыва, Y — текущий угол.

График 3 – Распределение поля в апертуре зеркала

В данном случае Y0 – текущий угол, а Y — сдвиг фаз между токами.

3 Расчет пространственной диаграммы направленности и определение параметров параболической антенны

Инженерный расчёт пространственной диаграммы направленности ДН параболической антенны часто сводится к определению ДН идеальной круглой синфазной площадки с неравномерным распределением напряжённости возбуждающего поля. В данном случае распределение напряжённости возбуждающего поля в основном определяется ДН облучателя в соответствующей плоскости. Выражение для нормированной ДН зеркальной параболической антенны при этом имеет вид:

где J1, J2 – цилиндрические функции Бесселя первого и второго порядка.

— коэффициент, показывающий во сколько раз амплитуда возбуждающего поля на краю раскрыва меньше амплитуды в центре раскрыва в соответствующей плоскости с учётом различий расстояний от облучателя до центра зеркала и до края зеркала;

Екр, Емах – амплитуды поля на краю и в центре раскрыва.

Для Е – плоскости к1 = 0.316

Для Н – плоскости к1 = 0.631

Построим ДН зеркальной параболической антенны:

График 4 – Пространственная ДН параболической антенны в Е плоскости.

График 5 – Пространственная ДН параболической антенны в Е плоскости.

Приближенно коэффициент направленного действия зеркальной антенны определяется выражением:

, где

S – площадь раскрыва;

хрез – результирующий коэффициент использования поверхности

Коэффициент использования поверхности:

Эффективная площадь антенны:

м2

Коэффициент направленного действия:

Коэффициент усиления антенны:

4 Конструктивный расчет антенны

4.1 Расчет профиля зеркала

Зеркальные антенны имеют наибольший КНД при синфазном возбуждении раскрыва (плоский фазовый фронт волны). Параболический профиль зеркала обеспечивает одинаковые длины электрических путей от облучателя, установленного в фокусе параболоида вращения, до каждой точки плоскости раскрыва (свойство параболы). В полярной системе координат парабола описывается уравнением

, где

r, Y — полярные координаты;

f — фокусное расстояние;

Y изменяется от 0 до Y0.

График 6 – Плоский фазовый фронт волны

4.2 Выбор конструкции зеркала

С целью уменьшения веса и ветровых нагрузок поверхность зеркала часто выполняется перфорированной, или сетчатой

При такой конструкции зеркала часть энергии просачивается сквозь него, образуя нежелательное излучение. Допустимым является значение коэффициента прохождения в обратном направлении.

, где

Робр, Рпад – мощность излучения в обратном направлении и падающего на зеркало, соответственно.

Двухлинейная сетка работает удовлетворительно при расстоянии между проводниками меньше 0.1l и диаметре проводов не менее 0.01l.

dп = 0.1 Ч 0.273 = 0.027 м;

dпров = 0.01 Ч 0.273 = 0.0027 м.

4.3 Определение допусков на точность изготовления

Неточность изготовления зеркала вызывает несинфазность поля в раскрыве. Допустимыми являются фазовые искажения поля в раскрыве зеркала не более ± p/4. При этом уменьшение коэффициента усиления антенны не превышает нескольких процентов.

Пусть поверхность параболоида имеет некоторые неровности (выступы и углубления). Наибольшее отклонение от идеальной поверхности в направлении r обозначим через Дr.

Путь луча, отраженного от неровности в месте наибольшего отклонения от r, изменяется при этом на величину Dr + Dr Ч cosY, а соответствующий сдвиг фаз составит величину Dj = bЧDrЧ(1+cosY), и он не должен превышать величину p/4, отсюда получаем

Анализ полученного выражения для Dr показывает, что вблизи центра параболоида (Y = 0) необходимая точность изготовления зеркала наивысшая. Здесь наибольшее отклонение от идеальной поверхности не должно превосходить величины l/16, у кромки параболоида требования к точности получаются наименьшими.

Точность установки облучателя также определяется нормами на наибольшие допустимые фазовые искажения поля в раскрыве. Пусть фазовый центр облучателя смещен на Dх.

Тогда длины путей лучей от фазового центра до раскрыва увеличиваются. Наибольшее удлинение пути происходит у лучей, падающих на вершину зеркала. Это удлинение путей при малых смещениях можно приблизительно определить как DхcosY. Тогда изменение фазы составит величину

, где

Dj0, Djа – фазовые искажения, возникающие из-за неточности установки облучателя, в центре и на краю раскрыва, соответственно. Эта величина не должна превышать p/4, отсюда получаем: