457_Andrusevich _Antenno-fidernye _Ustrojstva _

Федеральное агентство связи Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»)

Л.К. Андрусевич А.А. Ищук А.Н. Телешева

Антенно-фидерные устройства

Методические указания по курсовому проектированию

Новосибирск

2013

1

УДК 621.396.67(075.8)

Л.К. Андрусевич, А.А. Ищук, А.Н. Телешева. Антенно-фидерные устройства: Методические указания по курсовому проектированию. Новосибирск:

СибГУТИ, 2013. – 53 с.

В методических указаниях даются краткие теоретические сведения об ан- тенно-фидерных сооружениях, применяемых в радиовещании, радиосвязи и телевидении, применительно к тематике курсового проектирования. Предлагаются методические указания и рекомендации по выполнению курсовых проектов по специальности «Радиосвязь, радиовещание и телевидение».

Для специальности 210405.

Кафедра беспроводных информационных систем и сетей.

Иллюстраций – 33, таблиц – 2, список литературы – 7 названий.

Рецензент: доцент кафедры СРС Г.А. Воинцев.

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве методических указаний.

©Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2013 г.

2

1 Цель и содержание проекта

Целью курсового проекта является расчет основных электрических характеристик и направленных свойств антенн, входящих в состав спутниковых систем радиосвязи, телевидения, радиорелейных линий и т.п.

Курсовой проект состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части, содержащей конструктивные чертежи и графики различных расчетных величин: диаграмм направленности, амплитудных распределений полей. Пояснительная записка включает в себя:

1)задание на курсовой проект;

2)технические требования на проектируемую антенну и ее элементы;

3)общую характеристику схемы построения проектируемой антенны

исравнение ее с антеннами других типов;

4)расчет основных характеристик антенны и фидерного тракта;

5)заключение, содержащее выводы о соответствии полученных характеристик данным технического задания;

6)список используемой литературы.

2 Требования к содержанию проекта

Расчетно-пояснительная записка должна быть представлена на рецензирование в рукописном или печатном виде, выполненная в соответствии с требованиями на техническое проектирование и в установленные сроки.

Все расчетные величины должны выражаться в единицах СИ, а обозначения величин соответствовать общепринятым в учебной и технической литературе.

Диаграммы направленности антенн необходимо строить в нормированном виде. Интервал между расчетными точками следует выбирать индивидуально с учетом особенностей диаграммы направленности антенны. Все диаграммы направленности строятся в декартовых координатах.

Кроме главного лепестка диаграммы направленности должно быть рассчитано не более двух боковых лепестков.

В заключение расчетно-пояснительной записки должна быть указана ширина главного лепестка по половинной мощности в градусах и уровень первого бокового лепестка в децибелах (дБ).

На основании расчета необходимо представить эскиз антенны с указанием основных размеров в формате А4.

3

3 Антенно-фидерные устройства радиосвязи

всантиметровом диапазоне радиоволн

3.1Общие положения

На космических линиях связи при работе с высокоорбитальными спутниками используется диапазон сверхвысоких частот (сантиметровых радиоволн). В этом диапазоне в качестве передающих и приемных антенн применяются апертурные антенны (антенны поверхностного типа). Это однозеркальные и двухзеркальные параболические антенны, рупорнопараболические антенны и антенны-линзы. На линиях дальней космической связи применяют главным образом антенные решетки, элементом которых могут быть как однозеркальные, так и двухзеркальные параболические антенны.

На радиорелейных линиях связи применяются однозеркальные и двухзеркальные параболические антенны, рупорно-параболические и перископические антенны.

3.2Облучатели апертурных антенн

Вкачестве облучателей апертурных антенн используются простейшие слабонаправленные антенны, обладающие однонаправленным излучением в сторону зеркала. Обычно это рупорные антенны, волноводно-щелевые излучатели, открытые концы прямоугольного и круглого волноводов. Фазовый центр облучателя совмещается с фокусом зеркала.

Открытый конец прямоугольного волновода

Волновод прямоугольного сечения, как правило, работает на основной волне Н10. Для этого размеры его поперечного сечения выбираются из условий:

При расчете диаграммы направленности предполагается, что поле в раскрыве волновода соответствует невозмущенной структуре этой волны, т.е. отсутствуют затекающие на наружную поверхность волновода токи и отсутствует отраженная обратно внутрь волновода волна, а раскрыв представляет собой синфазную поверхность.

В этом случае нормированная диаграмма направленности определяется произведением двух сомножителей, один из которых описывает диаграмму направленности элемента Гюйгенса, а второй является множителем системы элементов Гюйгенса (множителем решетки). Таким образом,

Fобл ( , ) = F1( , ) F2( , ).

4

Здесь а и в – размеры широкой и узкой стенок волновода соответственно, а углы и отсчитываются от нормали к поверхности раскрыва.

Открытый конец круглого волновода

В волноводе круглого сечения основной волной является, как известно, волна Н11. При расчете диаграммы направленности облучателя предполагается, что в раскрыве сохраняется структура поля этой волны. В плоскости Е формула для диаграммы направленности имеет вид:

где: R – радиус волновода или круглой излучающей поверхности,

J1(х), J1(х) – функция Бесселя первого рода первого порядка и ее первая производная,

н11 1,84корень функции Бесселя J1(х).

Значения этих функций приведены в приложении 1 в виде графиков.

Пирамидальный рупорный

При расчете диаграммы направленности рупорного облучателя исходят из предположения, что поле в раскрыве рупора имеет такую же структуру, какую и в питающем волноводе. Например, если в прямоугольном волноводе возбуждается основной тип волны Н10, то в раскрыве рупора, как и в волноводе в плоскости Е амплитуда напряженности электрического поля не зависит от координаты у, а в плоскости Н изменяется по закону косинуса, если начало

5

координат находится посредине широкой стенки волновода а. При этом также предполагается, что раскрыв рупора представляет собой синфазную поверхность. При указанных условиях диаграммы направленности рупора в плоскостях Е и Н выражаются формулами (3.1) и (3.2), где а и в – размеры раскрыва рупора Lh и Le (рис. 3.1). Длина пирамидального рупорного облучателя обычно выбирается равной диагонали его раскрыва и может корректироваться для получения требуемого коэффициента бегущей волны (КБВ) в питающем волноводе, а отношение Lh/Le=1.5. Размеры раскрыва подбираются таким образом, чтобы при известных радиусе раскрыва зеркала и фокусном расстоянии получить распределение амплитуды поля в раскрыве, обеспечивающее требуемый коэффициент усиления параболической антенны.

Рис. 3.1. Рупорный облучатель

Конический рупор

В коническом рупорном облучателе c круглым раскрывом так же, как и в питающем круглом волноводе, существует основной тип волны Н11. Требования к размеру раскрыва конического рупора аналогичны требованиям для пирамидального рупора. Длина конического рупора также выбирается из условия требуемого КБВ в питающем фидере.

Рис.3.2. Конический рупор

Диаграммы направленности конического рупора рассчитываются по тем же формулам, что и для открытого конца круглого волновода (3.3, 3.4).

6

3.3 Однозеркальная параболическая антенна

Обычно расчет начинается с определения радиуса раскрыва параболического зеркала. При расчете геометрии земных антенн космической связи в задании на технический проект указывается рабочая частота f, мощность бортового передатчика P1, коэффициент усиления бортовой антенны G1, требуемая мощность на входе приемника P2, а также расстояние между пунктами связи r. При расчете антенн ретрансляторов радиорелейных линий обычно коэффициент усиления антенн задается техническими условиями на проектирование.

Радиус раскрыва зеркала определяется коэффициентом усиления антенны G2, необходимым для обеспечения на входе приемного устройства заданной мощности сигнала Р2.

Величина G2 находится из формулы:

где ф1, ф2 – коэффициенты полезного действия фидеров на передаче и приеме. В расчетах обе величины можно положить равными 0.8, F- множитель ослаблении волны в атмосфере Земли, который находится из соответствующих графиков [3], r – расстояние от спутника до места расположения земной станции.

Радиус раскрыва зеркала находится из условия:

где ( КИП) - коэффициент использования поверхности раскрыва, Sт – площадь облучателя, вызывающая теневой эффект.

В случае однозеркальных параболических антенн коэффициент использования поверхности раскрыва находится в пределах 0.5-0.6.

Фокусное расстояние зеркала определяется из формулы:

где 0 – угловая апертура зеркала.

7

Половина угловой апертуры обычно выбирается в пределах 600-750 и корректируется совместно с фокусным расстоянием и радиусом раскрыва до получения требуемого коэффициента усиления антенны. В случае облучателя в виде открытого конца волновода угловая апертура 0 может превысить 900.

Профиль зеркала в декартовых координатах рассчитывается по формуле параболы в декартовых координатах:

а в полярных координатах:

Расчет диаграммы направленности антенны

Диаграмма направленности антенны рассчитывается приближенными методами. Обычно расчет производится по известному закону распределения поля в раскрыве зеркала. Поле в раскрыве рассчитывается по формуле:

где Емакс – амплитуда поля у вершины зеркала.

Для большинства облучателей эта формула хорошо аппроксимируется выражением:

R

Тогда формула для диаграммы направленности параболической антенны имеет вид:

где - отношение амплитуды поля на краю зеркала к амплитуде поля у его вершины,

U = kRsin , J1(U), J2(U) – функции Бесселя первого рода первого и второго порядка соответственно,

- угол, отсчитываемый от фокальной оси антенны.

Часть отраженных от зеркала лучей, на пути которых расположен облучатель, перехватывается этим облучателем. В результате этого в тракте питания облучателя возникает отраженная волна. Данное явление называется реакцией зеркала на облучатель. Наиболее простым и эффективным способом устранения реакции зеркала на облучатель является установка

8

компенсирующей пластины у вершины зеркала (рис.3.3). Диаметр пластины d и ее расстояние от вершины зеркала t следует рассчитывать по следующим формулам:

где f – фокусное расстояние зеркала.

Рис.3.3. Устранение реакции зеркала на облучатель

3.4 Двухзеркальная пароболическая антенна

На космических линиях связи широкое распространение в качестве земных антенн получили двухзеркальные параболические антенны (рис.3.4). По сравнению с однозеркальной антенной двухзеркальная антенна имеет более низкую шумовую температуру и более высокий коэффициент усиления. Антенна содержит два зеркала с совмещенными фокусами - главное большое параболическое зеркало и малое гиперболическое зеркало. Облучатель антенны находится в фокусе второй (мнимой) ветви гиперболы.

Рис. 3.4. Двухзеркальная антенна

Особенностью двухзеркальной антенны является более высокий коэффициент использования поверхности большого зеркала по сравнению с однозеркальной антенной. Его значение может достигать величины порядка

9

0.7÷0,8. Чаще всего применяется двухзеркальная антенна, построенная по принципу оптического телескопа Кассегрена (рис.3.4).

Расчет антенны обычно начинается с определения радиуса большого зеркала по формуле (3.7). Для определения основных размеров антенны вводится понятие эквивалентного зеркала (рис.3.4). Таким образом, расчет двухзеркальной антенны сводится к расчету эквивалентной по электрическим характеристикам однозеркальной антенны. Ниже приводится сводка формул для расчета основных размеров антенны.

Диаметр малого зеркала Dм = (0,06…0,2)Dб и уточняется по формуле:

В качестве облучателя антенны, как правило, применяется пирамидальный или конический рупор.

3.5 Рупорно-параболическая антенна

Рупорно-параболическая антенна (РПА) получила широкое распространение в системах радиорелейных линий связи и в системах космической связи. Эти антенны имеют малый уровень бокового излучения и малую собственную шумовую температуру (5 ÷ 6) Кº.

РПА – это модификация параболической антенны. Она состоит из пирамидального или конического рупора, соединенного с несимметричным параболическим зеркалом (рис.3.5).

Соединение облучающего рупора с параболическим зеркалом в единую систему обеспечивает резкое ослабление приема сигналов с направления, противоположного основному. Мощность не теряется на пути от облучателя к зеркалу, так как металлические конструктивные элементы в раскрыве отсутствуют. Энергия рассеивается лишь на элементах защитной крышки, которая защищает антенну от атмосферных осадков.

Облучатель в РПА вынесен из области действия отраженных от параболоида лучей, что устраняет реакцию зеркала на облучатель и теневой эффект

10