Требования, предъявляемые к спутниковым антеннам. Общие сведения и принцип действия зеркальной антенны. Расчет пирамидального облучателя и диаграммы направленности. Определение коэффициента направленного действия. Геометрические размеры зеркала.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Введение

Космическая радиосвязь прочно заняла свое место в системах связи всего мира. Растет число спутников связи, работающих на различных космических орбитах, осваиваются новые диапазоны частот.

Системы спутниковой связи дают возможность пропустить огромный объем информации. С помощью только одного ретранслятора на ИЗС можно обеспечить передачу информации на расстоянии до 15000 км, а с помощью трех ИЗС возможна организация почти что глобальной системы связи.

Оптимальным местом для размещения ретранслятора является геостационарная орбита, удаленная от поверхности Земли на 36000 км, так как ИЗС при этом «зависают» и практически не меняют своего местоположения относительно неподвижной точки на Земле. Одним из преимуществ такой орбиты является отсутствие у антенны земной станции (ЗС) системы слежения за спутником.

Для обслуживания полярных и приполярных районов применяются эллиптические орбиты, низко и среднерасположенные круговые орбиты. Антенны земных станций для таких систем связи имеют систему слежения за спутником, что значительно увеличивает стоимость антенны ЗС, делает ее более сложной в обслуживании, снижает надежность работы всей системы связи.

В настоящие время наибольшие перспективы развития имеют спутниковые системы связи и телевидения, работающие через активный ретранслятор, находящиеся на искусственном спутнике Земли (ИСЗ), который может находится на эллиптической или геостационарной орбите.

Радиосвязь и телевизионное вещание через ИСЗ, находящегося на геостационарной орбите, позволяет осуществить индивидуальный прием на простые, дешевые антенны; так как у них отсутствует система слежения. Антенны имеют небольшие габариты и вес, и может быть установлена в любом доступном месте.

Данный курсовой проект предусматривает разработку структурной схемы такой антенны, электрические и конструктивный расчет элементов, расчет электрических характеристик.

1. Задание на курсовой проект

Искусственный спутник Земли, находящийся на стационарной орбите, предназначен для ретрансляции телевизионных сигналов на линии Земля - ИСЗ - Земля. Спроектировать передающую антенну, установленную на борту спутника. Технические параметры представлены в таблице 1.1.

Проектируемая антенна включает в себя:

- параболическое зеркало (отражатель);

- облучатель с элементами крепления;

- коаксиальный, либо волноводный питающий тракт.

В качестве олучателя используется рупорный облучатель.

Таблица 1.1 - технические параметры аппаратуры

Средняя рабочая частота, , ГГц	4
Коэффициент усиления приёмной антенны, , дБ	46
Мощность сигнала на входе наземного приёмника, , дБ Вт	110
Мощность бортового передатчика, , Вт	47
, %	22

Протяжённость радиолинии ИСЗ - Земля составляет 40000 км.

Фидерный тракт, подводящий сигналы СВЧ к облучателю, представляет собой прямоугольный волновод стандартного сечения (ПВ).

Диапазон работы передающего (приёмного устройства) и соответственно антенны () указан в таблице 1.1.

Допустимый КБВ в тракте питания облучателя составляет .

Потери в атмосфере Земли не учитывать.

2. Требования, предъявляемые к спутниковым антеннам

Передающая антенна, находящиеся на борту ИСЗ должна иметь малые габариты, вес, высокую механическую прочность, с тем что бы выдержать перегрузки при запуске ИСЗ, короткий фидерный тракт.

Электрические характеристики:

Достаточно высокий коэффициент усиления, низкий уровень боковых лепестков, с тем чтобы не создавать помех наземным службам, радиорелейным линиям связи и т.д. По этой же причине ограничивается мощность бортового передатчика. Ширина главного лепестка диаграммы направленности определяется размерами зоны обслуживания и составляет 1-2 градуса. Поляризация излучения может быть линейной или круговой. Приемная антенна располагается на крышах зданий, балконах, или на Земле. Условия приема жесткие, т.е. происходят на уровне помех, поэтому нужно применять все меры повышающие соотношение сигнал шум. Отсюда следуют требованиям к электрическим характеристикам приемных антенн:

- очень низкий уровень, особенно первых боковых лепестков, и низкий уровень дальнего и заднего боковых излучений. Это нужно потому, что все помехи принимаются боковыми и задними лепестками. Приемную антенну следует ставить в местах исключающих попадание на нее мешающих станций, работающих в этом диапазоне частот, а также других источников СВЧ излучения;

- коэффициент усиления приемной антенны не ограничивается и может достигать 45-50 дБ, однако очень узкий (доли градусов) главный лепесток не желателен; т.к. из-за вибрации антенн можно потерять ИСЗ.

Кроме того, коэффициент усиления приемной антенны определяется уровнем сигнала в месте приема. Если эта зона уверенного приема, то условия менее жесткие, т.к. уровень сигнала на входе приемника большой, и требуется не высокий коэффициент усиления. Габариты, вес антенны в этом случае будут не велики. Упрощается конструкция приемного устройства.

В зоне неуверенного приема сигнал на входе приемника очень слабый, поэтому антенна должна быть рассчитана оптимальным способом. Оптимизируется антенна по минимальному уровню ближних боковых лепестков, т.к. они определяют шумы и помехи в тракте приема.

3. Общие сведения и принцип действия зеркальной антенны

Зеркальными антеннами называют антенны, у которых поле в раскрыва формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала). Источником электромагнитной волны обычно служит какая-нибудь небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае облучателем зеркала или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны.

Зеркало обычно изготовляется из алюминиевых сплавов. Иногда для уменьшения парусности зеркало делается не сплошным, а решетчатым. Поверхности зеркала придается форма, обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболее распространенными являются зеркала в виде параболоида вращения, усеченного параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля. Облучатель помещается в фокусе параболоида или вдоль фокальной линии цилиндрического зеркала.

Рассмотрим принцип действия однозеркальной антенны. Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, возбуждает на ней токи, которые создают вторичное поле, обычно называемое полем отраженной волны. Для того чтобы на зеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу в направлении зеркала и не излучать в другую полусферу. Такие излучатели называют однонаправленными.

Принцип действия простейшей зеркальной антенны приведен на рисунке 3.1:

Рисунок 3.1 - Однозеркальная антенна

1 - зеркало, 2 - облучатель, 3 - сферический фронт волны облучателя, 4 - плоский фронт волны облучателя, 5 - диаграмма направленности облучателя, 6 - диаграмма направленности зеркала.

Точечный облучатель (например, маленький рупор), расположенный в фокусе параболоида, создает у поверхности зеркала сферическую волну. Зеркало преобразует ее в плоскую, т.е. расходящийся пучок лучей преобразуется в параллельный, чем и достигается формирование острой диаграммы направленности.

4. Расчёт параметров облучателя

Пирамидальный рупорный облучатель представляет собой излучатель в виде волновода, к отверстию которого прилегает рупор. Так как площадь раскрыва рупора больше площади отверстия волновода, то направленность излучателя намного возрастает. А постепенное расширение рупора при увеличении размера «а» приближается к 337 Ом. Кроме того, фазовая скорость в рупоре постепенно снижается до скорости волн в свободном пространстве, а это приводит к снижению коэффициента отражения, увеличению КБВ в тракте питания.



Рисунок 4.1.1 - Рупорный облучатель

Диаграмма направленности должна быть одинаковой в плоскости «Е» и «Н» и иметь главный лепесток трапециидальной формы с круглыми спадами уровня на краях. Для этого надо сделать раскрыв рупора прямоугольной формы с соотношениями сторон

(3.1)

Размер прямоугольного раскрыва:

(3.2)

длина волны

отсюда длина рупора

- угол раскрыва; , тогда

подставим значения в выражение (3.2):



Размер...