Волноводно-щелевая приемная антенна для системы спутникового непосредственного телевизионного вещания

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

д) 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

7) Зеркальные антенны

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

А) Однозеркальные антенны
:

а) 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)

б) 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)

в) 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)

г) 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)

д) 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)

е) 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
:

а) 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)

б) 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)

в) 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)

Нужно спроектировать антенну для системы спутникового непосредственного телевизионного вещания. Вследствие этого к ней должны предъявляться такие требования:

· Надежность

· Устойчивость к агрессивному влиянию внешней среды

· Дешевизна

· Простота эксплуатации

· Возможно меньшие габариты и масса

Перечисленному списку хорошо удовлетворяет волноводно-щелевая антенна.

Т.к. эта антенна состоит из металлических волноводов, то чтобы ее повредить требуется большое усилие. В свою очередь ее конструкция проста, что означает маловероятную поломку. Отсюда следует вывод о большой надежности антенны.

При покрытии волноводов антикоррозийными материалами или их изготовлении из коррозостойких металлов предотвращает разрушение антенны из-за атмосферных осадков. Ветер, падение деревьев и т.п. должны иметь большую разрушительную силу, чтобы повредить антенну. Т.е второй пункт также выполняется.

Простота конструкции и деталей, дешевизна материалов, простота изготовления – все это приводит к небольшой стоимости антенны по сравнению, например, с зеркальными.

Обслуживание антенны не требует значительных усилий.

Т.к. антенна, в основном, состоит из металлических частей, то она имеет довольно большую массу при сравнительно небольших габаритах.

Как видим, выбранный тип антенны удовлетворяет большинству требований, предъявленных выше.

В свою очередь она реализовывает оптимальную ДН, что приводит к хорошим усилительным свойствам антенны.

По условию проектируемая антенна узкополосная – это исключает такой недостаток волноводно-щелевой антенны как отклонение луча в пространстве от заданного направления при изменении частоты.

Исходя из приведенных доводов, волноводно-щелевую антенну можно применять для систем спутникового телевидения и использовать при предложенных исходных данных.

волноводная антенна щелевая спутниковое вещание

Принцип антенны вращающейся поляризации в виде комбинации двух антенн линейной поляризации используется во многих типах антенн, таких как: турникетные антенны, рупорные антенны, диэлектрические стержневые антенны и другие.

Наиболее распространенными являются рупорные антенны. Они представляют собой совмещенную комбинацию двух антенн с перпендикулярными линейными поляризациями. При этом амплитуды полей в раскрыве одинаковы, а фазы сдвинуты между собой на . Это обеспечивается поляризатором, что усложняет конструкцию и расчет антенны. Эти антенны широкополосные, имеют малые потери, большую пропускную мощность (из недостатков – большие габариты). Применяются, в основном, в СМ диапазоне и части ММ диапазона. Используются как в качестве одиночного излучателя, так и в качестве решетки рупоров. Могут выступать в качестве облучателей других антенн (например, зеркальных или линзовых). Применяются и для наземной, и для спутниковой связи, но в основном для наземной связи.

В данной курсовой работе необходимо рассчитать волноводно-щелевую антенну для частоты ГГц.

Для проектирования необходимой антенны рассчитаем сначала некоторые параметры, которые будут влиять на размеры и конструкцию антенны.

Определим общую длину трассы луча и длину трассы в пределах слоя тропосферы.

Расположение спутника и Земли:

По теореме косинусов запишем:

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. Примем:

Тогда:

Решив эти уравнения, получим:

Множитель ослабления определим по формуле:

(дБ),

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

На частоте 16,4 ГГц эти параметры имеют следующие значения:

– для умеренного дождя.

Выберем

Получаем:

Переведя в разы, получим:

раза

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

где – эквивалентная изотропно-излучаемая мощность СР.

С помощью вектора Пойнтинга рассчитаем коэффициент усиления антенны:

, где – коэффициент направленного действия антенны

– коэффициент полезного действия антенны

, где эффективная площадь антенны

, где –
длина волны

Тогда:

Подставив численные значения величин, получим:

Определим КНД антенны:

,

где GА
– коэффициентусиления антенны

hА
– коэффициентполезного действия антенны

Коэффициентполезного действия волноводно-щелевых антенн с поглощающей нагрузкой на конце при большом количестве щелей довольно высок и имеет значение близкое к единице. Возьмем . Тогда:

Из того, что мы знаем найдем количество щелей, которые смогут обеспечить прием заданной мощности:

, где n – количество щелей

Необходимо, чтобы габариты антенны были минимальными – это ведет к снижению массы антенны. Поэтому оптимальным вариантом будет плоскостная решетка, состоящая из волноводов с прорезанными в них щелями, где количество щелей по длине и ширине будет удовлетворять:

Следовательно: мы рассчитываем плоскостную решетку волноводно-щелевых антенн.

Расчет конструкции антенны ведется по следующему алгоритму:

1. Расчет волновода

2. Расчет элемента антенной решетки

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

Так как рассчитывается резонансная антенна

,

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 – длина волновода

В частности для волны :

Оптимальным для волны считается волновод, если

Тогда:

Исходя из полученного a выбираем ближайший стандартный волновод с внутренними размерами: a =15,8 мм b = 7,9 мм

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:

Рассчитываемая антенна является резонансной. Поэтому, согласно [1, стр.119] ее длина равна . В свою очередь ширина щели зависит от ее длины и может быть определена так:

,

где P – подводимая к антенне мощность

N – количество излучателей

– внешняя проводимость щели

Исходя из этого выражения предельная ширина щели очень мала и мы можем брать нужную конструктивных соображений. Возьмем ширину щели равную .

Следующим этапом расчета элемента есть определение его смещения относительно продольной оси волновода. Максимальное возбуждение продольных щелей волновода имеет место при смещении .

Согласно [1, рис 5.2], чтобы продольная щель имела резонансную длину близкую к смещение х не должно превышать . Тогда:

Расстояние между центрами двух щелей равно , причем расположены они в шахматном порядке:

Таким образом, мы получаем плоскую решетку из щелевых излучателей размерами 43 щели 43 щели. Длина волновода вычисляется с учетом количества щелей и короткозамкнутого четвертьволнового отрезка волновода:

где n – количество щелей плоскостной решетки

Ширина антенной решетки:

Здесь а – внешняя стенка волновода (а = 16,3 мм)

Толщина антенной решетки определяется внешней толщиной волновода:

b = 8,4 мм

Определим добротность антенны:

,

где GА
– коэффициентусиления антенны

ТА
– шумовая температура антенны

В рассчитываемом диапазоне

влияние внешних источников (внешних шумов) пренебрежимо мало. Поэтому ТА
определяется тепловым движением электронов в самой антенне:

Также учитывается шумовая температура, обусловленная атмосферой и тепловым излучением Земли:

Тогда:

Подставляя численные значения в формулу для определения добротности, получаем:

Рассчитаем теперь общее затухание спроектированной антенны:

,

где – количество щелей плоскостной решетки

– длина одного волновода

– затухание в одном волноводе

Подставляя численные значения, получаем:

Рассчитаем теперь диаграмму направленности плоскостной антенной решетки, т.е. рассмотрим эквидистантную дискретную систему излучателей, образующих плоскостную антенную решетку.

Диаграмму направленности в продольной плоскости для продольной щели можно определить с помощью выражения:

Распределение по раскрыву дискретной линейной решетки излучателей экспоненциальное. Тогда:

Здесь – величина, характеризующая неравномерность амплитудного распределения по раскрыву

d – постоянная затухания

– длина волновода

– обобщенная координата

– отклонение главного максимума ДН от нормали к линии расположения излучателей

Тогда:

Нормированная ДН линейной решетки имеет вид:

,

Следовательно:

(Рисунки после списка литературы)

Ширина ДН по мощности при экспоненциальном распределении:

Принятую антенной мощность необходимо отводить от антенны. Для этого используется устройство питания.

Сложность в том, что рассчитываемая антенна состоит из большого количества волноводов.

Реализовать суммирование мощности с помощью волноводных мостов нерационально, т.к. приведет к громоздкости и большой массе конструкции. Поэтому суммирование будет проводиться с помощью змеевидного волновода.

Питающий волновод имеет форму змеевика, изгибаясь по узким стенкам. В его широкой стенке прорезаются круглые отверстия согласно топологии решетки.

При изготовлении устройства питания необходим изгиб питающего волновода под углом в 90° для компенсации отражений. Для этого применим простой уголок с компенсацией. Подбором расстояния d всегда можно добиться компенсации отражений.

Таким образом, схема и конструкция устройства питания были выбраны с учетом требований минимизации массы и габаритов, простоты реализации и относительной дешевизны.

В данной курсовой работе была спроектирована волноводно-щелевая приемная антенна для системы спутникового непосредственного телевизионного вещания. Эта антенна обладает такими параметрами и характеристиками:

- коэффициент усиления антенны

- коэффициент направленного действия

- коэффициент полезного действия

- ширина ДН по половине мощности

- добротность

- размеры антенной решетки

- количество элементов 1740

- смещение элемента относительно продольной оси волновода 4,5 мм

- внутренние размеры прямоугольного волновода

- материал волновода: алюминий

Спроектированная антенна полностью удовлетворяет исходным данным.

Для этой антенны наилучшим применением является использование в авиационных радиоустройствах, где необходима обтекаемость. Это и есть одним из основных достоинств этой антенны, а также небольшие потери из-за почти полной согласованности щелей.

Волноводно-щелевая антенна проста в эксплуатации, имеет сравнительно простое питающее устройство.

Следует заметить, что все применяемые в антенне и питающем устройстве волноводы имеют одинаковые внутренние размеры, что позволяет идеально согласовать питающее устройство с антенной.