Курсовая работа: Приемная антенна для СТВ

Министерство образования  Российской  Федерации.

ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ  СИСТЕМ  УПРАВЛЕНИЯ  И  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР).

Кафедра сверхвысоких частот и квантовой радиотехники
 (СВЧиКР).

Курсовая  работа  по дисциплине Антенны и устройства СВЧ.

Приемная антенна для СТВ

                                                                      Студент  гр.:

                                                                      _____

                                                                      “__”______.

                                                                      Преподаватель:

                                                                      _____.

                                                                     “__”______.

Реферат

Пояснительная записка содержит стр. 16., рисунков 11, таблицы 2.

АНТЕННА, РУПОР, ПОЛЯРИЗАТОР, СТВ, ДИАГРАММА НАПРАВЛЕННОСТИ, ОБЛУЧАТЕЛЬ, ЗЕРКАЛО

В курсовом проекте была рассчитана зеркальная антенна для приема СТВ.

Курсовой проект выполнен с использованием текстового редактора Microsoft World 2000 для Windows 2000 и MathCAD 11а Enterprise.

Введение. 4

2. Расчет параболической антенны. 5

2.1. Расчет облучателя. 5

2.1.1. Определение угла раскрыва параболоида. 6

2.2 Расчет параболоида. 7

2.2.1 Определение диаметра параболоида 2R_п и фокусного расстояния f 7

2.3 Расчет диаграммы направленности. 8

2.4 Расчёт G антенны.. 10

3. Расчет принятой мощности. 11

3.1 Затухания в свободном пространстве. 11

3.1.1 Затухания в тропосфере. 11

3.2.2 Затухания в ионосфере. 13

4. Принцип действия ферритового поляризатора. 15

Список использованных источников. 16

Широкое распространение в диапазоне СВЧ получили остронаправленные широкодиапазонные антенные устройства, аналогичные оптическим рефлекторам или прожекторам. С помощью них оказалось возможным радиорелейная связь, межконтинентальные телевизионные передачи (спутниковая связь), связь с космическими объектами, радиоастрономия, радиолокация и некоторые другие практические приложения радиотехники СВЧ.

Зеркальные антенны характерны тем, что их геометрические размеры намного превосходят длину волны. Они подобны оптическим приборам и электромагнитные процессы в таких антеннах приближенно могут быть описаны с помощь законов геометрической оптики. Поэтому внешний вид некоторых антенн напоминают оптические линзы и зеркала, которые в радиотехнике преобразуют сферические и цилиндрические волны в плоские.

Зеркальные антенны составлены из облучателя и зеркальной поверхности. В качестве облучателя используется любая слабонаправленная антенна, в данном случае открытый конец прямоугольного волновода.

2. Расчет параболической антенны.

2.1. Расчет облучателя.

Так как облучатель является важнейшим элементов зеркальной антенны, в значительной степени определяющим ее параметры, то расчет обычно начинается с выбора облучателя. Основными критериями для его выбора являются рабочая длина волны, требования к диапазонности, тип фидера, величина подводимой мощности, близкий к сферическому фронт волны в пределах угла раскрыва зеркала (с допуском порядка ±λ/16), диаграмма направленности с концентрацией энергии в пределах одной полусферы, хорошее согласование с фидером, малое затенение и ряд специфических требований, обусловленных особенностями радиотехнического устройства, где используется антенна.

Облучатели в виде открытого конца волновода или рупора удобно использовать при больших мощностях излучения. Они обладают также хорошими диапазонными свойствами. Однако открытый конец прямоугольного волновода обладает разными диаграммами направленности в плоскостях E и Н. От этого недостатка свободны рупорные облучатели, где имеется возможность почти независимой регулировки диаграмм направленности в плоскостях Е и Н путем подбора размеров раскрыва рупора  и , таким образом получения диаграммы в виде тела вращения.

где  – угол раскрыва параболоида.

Как известно, нормированное распределение поля на раскрыве зеркала связано с диаграммой направленности облучателя м параметрами парабалоида соотношением

где f – фокусное расстояние,  – расстояние от фокуса до точки на поверхности зеркала.

Диаграмму направленности небольшого рупора можно рассчитать при помощи следующих приближенных соотношений

		((2.1.3)

где  – нормированные диаграммы направленности по напряженности поля в плоскостях Е и Н соответственно;

 – угол, отсчитываемый от направления максимума диаграммы направленности;

 – размер раскрыва рупора в плоскости Н;

 – размер раскрыва рупора в плоскости E;

 , где

2.1.1. Определение угла раскрыва параболоида

После выбора излучателя следует найти соотношение между радиусом параболоида

 определим из следующего соотношения  и фокусным расстоянием  (рис. 2.1) при помощи выражения

			(2.1.4)

Рис. 2.1

Чтобы определить угол раскрыва   выбирается в пределах , выберем его равным 0.5, тогда

С помощью выражений (2.1.2),(2.1.3) получим следующие уравнения

		(2.1.5)

Решим уравнения (2.1.5) с помощью графиков функций   (рис. 2.2)

Рис. 2.2 Графики функций

откуда

2.2 Расчет параболоида.

2.2.1 Определение диаметра параболоида 2R_п и фокусного расстояния f

Из приближенной формулы для КНД найдем радиус параболоида R_п

                                                                                                                                           (2.2.1)

где - площадь раскрывa парабалоида.

                                                                                        (2.2.2)

Следовательно,

Фокусное расстояние можно определить пользуясь формулой

			(2.2.3)

Диаметр парабалоида  связан с заданной длиной волны  и требуемым углом раствора диаграммы направленности на уровне половинной мощности (2q_0.5) приближенной зависимостью

                                                                             (2.2.4)

Тогда

2.3 Расчет диаграммы направленности.

Используя формулы (2.1.3) построим нормированную диаграмму направленности облучателя.

Рис. 2.3.1. Диаграмма направленности облучателя в полярной системе координат

Найдем распределение поля в раскрыве параболоида, для этого воспользуемся следующей формулой

где .

Полученные данные занесем в таблицу 2.3.1.

Таблица 2.3.1

Рис. 2.3.2 Распределение поля на раскрыве рупора

По найденному распределению поля на раскрыве вычисляется диаграмма направленности зеркальной антенны . Картина распределения  поля на раскрыве зеркала может быть аппроксимирована при помощи соотношения:

                                                                (2.3.2)

где      - равномерная часть распределения поля;

- неравномерная часть распределения поля;

n=1,2,3

Полученные значения (при n=1 и n=2) внесены в таблицу 2.3.1.

Как видно из таблицы 2.3.1, более точная аппроксимация распределения поля на раскрыве зеркала при n=2.

Выражение для нормированной диаграммы направленности антенны будет иметь вид:

                                                            (2.3.3)

где

n – показатель степени выражения, аппроксимирующего поле на раскрыве. (n=2)

Результаты расчета диаграммы направленности представим в виде таблицы 2.3.2

Таблица 2.3.2

Построим диаграмму направленности в декартовой системе координат

Рисунок 2.3.3 Диаграмма направленности антенны в декартовой системе координат

2.4 Расчёт G антенны

Расчёт G антенны будем вести по следующей формул

                (2.4.1)

где – коэффициент использования площади раскрыва зеркала, полностью определяется характером распределения поля в раскрыве.

S – геометрическая площадь раскрыва;

 - коэффициент полезного действия параболической антенны (примем )

Коэффициент направленного действия (усиления), определенный по формуле (2.4.1) не учитывает потерь энергии на рассеивание, т.е. потерь энергии, проходящей от облучателя мимо зеркала.

3.1 Затухания в свободном пространстве.

Распространение УКВ на линии Земля-Космос осуществляется через тропосферу и ионосферу Земли и сопровождается ослаблением радиоволн. Ослабление обусловлено тремя причинами: поглощением радиоволн водяными парами и газами, поглощением и рассеянием различными гидрометеообразованиями (дождь, снег, облака, туман и т.п.) и поглощением радиоволн в ионосфере.

Сначала рассчитаем принятую мощность без учета влияния атмосферы, а затем найдем затухания в атмосфере.

Определим принятую мощность по формуле

		(3.1.1)

где     – коэффициент усиления приемной антенны.

 – коэффициент усиления спутниковой антенны.

 – расстояние до спутника.

Множитель ослабления в общем виде может быть записан следующим образом:

где  - полный показатель ослабления на участке трассы проходящем в ионосфере;

 - полный показатель ослабления на участке радиолинии в “чистой” атмосфере;

- полный показатель ослабления на участке радиолинии с гидрометеообразованиями;

3.1.1 Затухания в тропосфере.

Ослабление в “чистой” атмосфере и атмосферных образованиях происходит в результате поглощения энергии радиоволн и их рассеяния молекулами газов или взвешенными частицами вещества.

Полные показатели ослабления можно записать в виде:

                       (3.1.2.)

                           (3.1.3.)

где  и  - коэффициенты ослабления в “чистой” атмосфере и в атмосферных образованиях

Показатель ослабления радиоволн в тропосфере  зависит от угла места , т.е. от угла, под которым траектория волны направлена к горизонту (рис. 3.1.1). Так как плотность газов уменьшается с высотой, то наименьшая величина  будет при распространении радиоволн в направлении, перпендикулярном к поверхности Земли ()

Рис. 3.1.1

Гидрометеообразования, или гидрометеоры (осадки, туман, облака и т.п.), вызывают ослабление электромагнитных волн, имеющих длину волны 3-5см и короче.

Коэффициент ослабления в тумане и облаках для водности, равной 1  представлен на рис. 3.1.2. Под водностью понимается количество водяного пара (в граммах), находящегося в одном кубическом метре воздуха. Водность тумана (облака) колеблется от 0,03 (слабый туман) до 2,3 (сильный туман).

Результаты расчетов  для радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов, распространяющихся в дождях интенсивностью от 0.1мм/ч (очень слабый моросящий дождь) до 100 мм/ч (ливень), представлены в виде кривых (рис. 3.1.3). С увеличением интенсивности дождя и уменьшением длины волны коэффициент ослабления возрастает.

Рис. 3.1.3

Пользуясь графиками 3.1.1, 3.1.2, 3.1.3, определим суммарные показатели ослабления радиоволны в тропосфере , , для нашего случая ( или , , ).

 при отсутствии дождя

 при очень сильном дожде

3.2.2 Затухания в ионосфере.

Поглощение радиоволн в ионосфере обусловлено столкновениями электронов с нейтральными молекулами и ионами. В результате энергия радиоволны уменьшается вследствие частичного ее перехода в тепловую энергию.

                                                  (3.2.1)

где  - коэффициент поглощения в ионосфере

           (3.2.2)

где  - относительная диэлектрическая проницаемость ионизированного газа;

 - проводимость ионизированного газа.

                                      (3.2.3)

                                    (3.2.4)

где  - электронная концентрация ионизированного газа (определяется из графика 3.2.1);

 - число столкновений электронов с молекулами или с ионами в единицу времени (определяется из графика 3.2.2)

Рис 3.2.1                  Рис. 3.2.2

Пользуясь графиками 3.2.1, 3.2.2, а также формулами 3.2.1-3.2.4 найдем коэффициент ослабления в ионосфере.

На данной частоте (12,5 ГГц) ослабление радиоволн в ионосфере отсутствует (очень мало по сравнению с ослаблением в тропосфере)

 расстояние до спутника (стационарная орбита)

Итак множитель ослабления радиоволн на трассе Земля-Космос можно найти из формулы (3.2.4)

(3.2.4)

 Для самого худшего случая (сильный дождь)

Принятая мощность с учетом влияния атмосферы

Действие поляризационного циркулятора основано на использовании поворота плоскости поляризации электромагнитной волны в волноводе с продольно намагниченным ферритовым стержнем.

Ферритовый поляризатор представлен на рисунке 4.1.

Рис. 4.1 Чертеж ферритового поляризатора

Вдоль оси круглого волновода установлен ферритовый стержень круглого сечения, находящийся под воздействием постоянного магнитного поля , направленного вдоль стержня. Такое магнитное поле создается с помощью соленоида, намотанного снаружи круглого волновода. Для уменьшения управляющего постоянного магнитного поля применяются диэлектрические втулки, которые надеваются на ферритовый стержень и значительно увеличивают концентрацию поля в области расположения феррита, что приводит к увеличению угла поворота плоскости поляризации.

Длина ферритового стержня и напряженность постоянного магнитного поля  подбираются такими, чтобы плоскость поляризации электромагнитной волны при распространении вдоль стержня повернулась на угол . Направление поворота плоскости поляризации будет зависеть от направления постоянного магнитного поля.

Список использованных источников.

1.Жук М.С., Молочкон Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. –М.1966

2.Зузенко В.А., Кислов А.Г., Цыган Н.Я. Расчет и проектирование антенн.-Л.1969

3.Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства.-М1974.

4.Красюк Н.П., Дымович Н.Д.Электродинамика и распространение радиоволн.-М1974