Курсовая работа: Приемная антенна для СТВ
Название: Приемная антенна для СТВ Раздел: Рефераты по коммуникации и связи Тип: курсовая работа | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Министерство образования Российской Федерации. ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР). Кафедра сверхвысоких частот и квантовой радиотехники 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. 2. Расчет параболической антенны. 5 2.1.1. Определение угла раскрыва параболоида. 6 2.2.1 Определение диаметра параболоида 2Rп и фокусного расстояния f 7 2.3 Расчет диаграммы направленности. 8 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 ВведениеШирокое 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
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 параболоидаПосле выбора излучателя следует найти соотношение между радиусом параболоида определим из следующего соотношения и фокусным расстоянием (рис. 2.1) при помощи выражения
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
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 2Rп и фокусного расстояния fИз приближенной формулы для КНД найдем радиус параболоида Rп (2.2.1) где - площадь раскрывa парабалоида. (2.2.2) Следовательно, Фокусное расстояние можно определить пользуясь формулой
Диаметр парабалоида связан с заданной длиной волны и требуемым углом раствора диаграммы направленности на уровне половинной мощности (2q0.5 ) 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 антенныРасчёт 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. Расчет принятой мощности.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
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 4. Принцип действия ферритового поляризатора.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 |