Федеральное агентство по образованию
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине: «Техническая электродинамика»
на тему: «Разработка конструкции параболической антенны »
Выполнил студент гр.
Проверил
Федеральное агентство по образованию
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования
Задание
Задание №
Тема: «Разработка конструкции параболической антенны »
Исходные данные:
Рабочая длина волны:
Коэффициент направленного действия: 
Максимальная излучаемая мощность: 
Условия эксплуатации наземные Дата выдачи задания_________
Срок сдачи проекта_________
Ф. И.О.__________________
Руководитель:
СОДЕРЖАНИЕ
Аннотация…………………………………………………………..…….….4
Введение……………………………………………………………..……….5
Анализ задания на работу………………………………………….……….6
Расчёт основных параметров антенны…………..………………..………14
Технология изготовления и сборки антенны……………………….…….18
Заключение…………………………………………………….……..…….21
Литература…………………………………………………….……..…….22
ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………………..23
АННОТАЦИЯ
В данной курсовой работе разработана конструкция параболической антенны, выбраны подходящие материалы, приведён расчёт геометрических размеров антенны и электрической прочности, построена диаграмма направленности.
Комплект конструкторской документации содержит сборочный чертёж, спецификацию, чертежи деталей антенны.
В технологической части приводится краткая технология изготовления деталей и сборки антенны.
Введение
Данная курсовая работа посвящена расчёту параболической антенны, которую применяют в различных диапазонах волн: от оптического до коротковолнового, особенно широко в сантиметровом и дециметровом диапазонах. Эти антенны отличаются конструктивной простотой, возможностью получения различных ДН, хорошими диапазонными свойствами и т. д.
Существуют различные типы зеркальных антенн: параболические зеркала (параболоид, усечённый параболоид и параболический цилиндр), сферические зеркала, плоские и угловые зеркала, зеркальные антенны специальной формы, двух - и многозеркальные антенны, зеркально-рупорные антенны.
Зеркальная параболическая антенна состоит из металлической поверхности, выполненной в виде параболоида вращения и небольшой слабонаправленной антенны – облучателя, установленной в фокусе параболоида и облучающей внутреннюю поверхность последнего. Параболическая поверхность образуется в результате вращения параболы с фокусом в точке F вокруг оси Z.
В данном курсовом проекте определение поля излучения параболической антенны производится апертурным методом, широко применяемым при проектировании зеркальных антенн. Технические параметры, заданные для проектирования антенны отвечают практическим требованиям к современным системам радиосвязи. Спроектированная, в соответствии с заданными параметрами антенна может применяться в земных станциях магистральной спутниковой связи (Орбита-2М, Электроника 4-60, Электроника 4-90 и т. д.), малых станциях для телефонии и передачи данных (VSАТ), системах спутникового телевизионного вещания (Eutelsat, Галс, Теlecom IIA, B, Tele-X, TVSat-2 и т. д.)
1 Анализ задания на работу
Прием сигналов спутникового телевидения осуществляется специальными приемными устройствами, составной частью которых является антенна. Для профессионального и любительского приемов передач с ИСЗ наиболее популярны параболические антенны, благодаря свойству параболоида вращения отражать падающие на его апертуру параллельные оси лучи в одну точку, называемую фокусом. Апертура — это часть плоскости, ограниченная кромкой параболоида вращения.
Параболоид вращения, который используется в качестве отражателя антенны, образуется вращением плоской параболы вокруг ее оси. Параболой называется геометрическое место точек, равноудаленных от заданной точки (фокуса) и заданной прямой (директрисы) (рис. 1). Точка F — фокус и линия АВ — директриса. Точка М с координатами х, у — одна из точек параболы. Расстояние между фокусом и директрисой называется параметром параболы и обозначается буквой р. Тогда координаты фокуса F следующие: (р/2, 0). Начало координат (точка 0) называется вершиной параболы.
По определению параболы отрезки MF и РМ равны. Согласно теореме Пифагора MF^2 =FK^2+ MK^2. В то же время FK = = х - р/2, КМ = у и РМ = х + р/2, тогда (х - р/2)^2 + у^2 = (х + р/2)^2.
Возводя в квадрат выражения в скобках и приводя подобные члены, окончательно получаем каноническое уравнение параболы:
у^2 = 2рх, или у = (2рх)^0.5. (Рис. 1)
По этой классической формуле сделаны миллионы антенн для приема сигналов спутникового телевидения. 
Рис 1. Рис 2.
Параллельные оси параболоида, лучи (радиоволны) от спутника, отраженные от апертуры к фокусу, проходят одинаковое (фокусное расстояние). Условно два луча (1 и 2) падают на площадь раскрыва параболоида в разных точках (рис. 2). Однако отраженные сигналы обоих лучей проходят к фокусу F одинаковое расстояние. Это означает, что расстояние A+B=C+D. Таким образом, все лучи, которые излучает передающая антенна спутника и на которую направлено зеркало параболоида, концентрируются синфазно в фокусе F.
Рис. 3
Выбор параметра параболы определяет глубину параболоида, т. е. расстояние между вершиной и фокусом. При одинаковом диаметре апертуры короткофокусные параболоиды обладают большой глубиной, что делает крайне неудобным установку облучателя в фокусе. Кроме того, в короткофокусных параболоидах расстояние от облучателя до вершины зеркала значительно меньше, чем до его краев, что приводит к неравномерности амплитуд у облучателя для волн, отразившихся от кромки параболоида и от зоны, близкой к вершине.
Длиннофокусные параболоиды имеют меньшую глубину, установка облучателя является более удобной и амплитудное распределение становится более равномерным. Так, при диаметре апертуры 1,2 м и параметре 200 мм глубина параболоида равна 900 мм, а при параметре 750 мм — всего 240 мм. Если параметр превышает радиус апертуры, фокус, в котором должен находиться облучатель, располагается вне объема, ограниченного параболоидом и апертурой. Оптимальным считается вариант, когда параметр несколько больше, чем радиус апертуры.
Спутниковая антенна — единственный усиливающий элемент приемной системы, который не вносит собственных шумов и не ухудшает сигнал, а следовательно, и изображение. Антенны с зеркалом в виде параболоида вращения делятся на два основных класса: симметричный параболический рефлектор и асимметричный (рис. 4, 5). Первый тип антенн принято называть прямофокусными, второй — офсетными.
Рис. 4
Рис. 5
Офсетная антенна является как бы вырезанным сегментом параболы. Фокус такого сегмента расположен ниже геометрического центра антенны. Это устраняет затенение полезной площади антенны облучателем и его опорами, что повышает ее коэффициент полезного использования при одинаковой площади зеркала с осесимметричной антенной. К тому же, облучатель установлен ниже центра тяжести антенны, тем самым увеличивая ее устойчивость при ветровых нагрузках.
Именно такая конструкция антенны наиболее распространенна в индивидуальном приеме спутникового телевидения, хотя в настоящее время используются и другие принципы построения наземных спутниковых антенн.
Офсетные антенны целесообразно использовать, если для устойчивого приема программ выбранного спутника необходим размер антенны до 1,5 м, так как с увеличением общей площади антенны эффект затенения зеркала становится менее значительным.
Офсетная антенна крепится почти вертикально. В зависимости от географической широты угол ее наклона немного меняется. Такое положение исключает собирание в чаше антенны атмосферных осадков, которые сильно влияют на качество приема.
Принцип работы (фокусировки) прямофокусной (осесимметричной) и офсетной (асимметричной) антенн показан на рис. 6.
Рис. 6
Для антенн особое значение имеют характеристики направленности. Благодаря возможности использовать антенны с высокой пространственной избирательностью осуществляется прием спутникового телевидения. Важнейшими характеристиками антенн являются коэффициент усиления и диаграмма направленности.
Коэффициент усиления параболической антенны зависит от диаметра параболоида: чем больше диаметр зеркала, тем выше коэффициент усиления.
Зависимость коэффициента усиления параболической антенны от диаметра приведена ниже.
Диаграмма направленности антенны (рис. 8) характеризует зависимость амплитуды напряженности электрического поля Е, создаваемого в некоторой точке, от направления на эту точку. При этом расстояние от антенны до данной точки остается постоянным. 
Рис. 8
Увеличение коэффициента усиления антенны влечет за собой сужение главного лепестка диаграммы направленности, а сужение его до величины менее 1° приводит к необходимости снабжать антенну системой слежения, так как геостационарные спутники совершают колебания вокруг своего стационарного положения на орбите. Увеличение ширины диаграммы направленности приводит к снижению коэффициента усиления, а значит, и к уменьшению мощности сигнала на входе приемника. Исходя из этого, оптимальной шириной главного лепестка диаграммы направленности является ширина в 1...2° при условии, что передающая антенна спутника удерживается на орбите с точностью ±0,1°.
Наличие боковых лепестков в диаграмме направленности также снижает коэффициент усиления антенны и повышает возможность приема помех. Во многом ширина и конфигурация диаграммы направленности зависят от формы и диаметра зеркала принимающей антенны.
Самой важной характеристикой параболической антенны является точность формы. Она должна с минимальными ошибками повторять форму параболоида вращения. Точность соблюдения формы определяет коэффициент усиления антенны и ее диаграмму направленности.
Качество материала также влияет на характеристики антенны. Для изготовления спутниковых антенн в основном используют сталь и дюралюминий.
Стальные антенны дешевле алюминиевых, но тяжелее и больше подвержены коррозии, поэтому для них особенно важна антикоррозийная обработка. Дело в том, что в отражении электромагнитного сигнала от поверхности участвует очень тонкий приповерхностный слой металла. В случае повреждения его ржавчиной значительно снижается эффективность антенны. Стальную антенну лучше сначала покрыть тонким защитным слоем какого-нибудь цветного металла (например, цинка), а затем покрасить.
С алюминиевыми антеннами этих проблем не возникает. Однако они несколько дороже. Промышленность выпускает и пластиковые антенны. Их зеркала с тонким металлическим покрытием подвержены искажениям формы за счет различных внешних воздействий: температуры, ветровых нагрузок и ряда других факторов. Существуют сетчатые антенны, устойчивые к ветровым нагрузкам. Они имеют хорошие весовые характеристики, но плохо зарекомендовали себя при приеме сигналов Ки-диапазона. Такие антенны целесообразно использовать для приема сигналов С-диапазона.
Параболическая антенна на первый взгляд кажется грубым куском металла, но тем не менее она требует аккуратного обращения при хранении, транспортировке и монтаже. Любые искажения формы антенны приводят к резкому снижению ее эффективности и ухудшению качества изображения на экране телевизора.
2 Расчёт основных параметров антенны
3 Технология изготовления и сборки антенны
Для параболических антенн в отличие от многих других типов антенн не существует принципиальных ограничений относительно величины усиления и направленности. Ограничения связаны только с возможностями создания и практической реализации механической конструкции соответствующего размера. При монтаже параболических антенн большого размера может возникать целый ряд проблем, связанных с их габаритами, большим собственным весом и возникновением больших ветровых нагрузок. По этой причине такие антенны очень сложно монтировать на крыше зданий.
Параболические антенны обычно устанавливаются на отдельно стоящих и прочных мачтах или опорах. В приемных пунктах в основном устанавливаются облегченные решетчатые мачты. Высокие направленные свойства параболических антенн связаны с тем, что при их установке, с одной стороны, выполняется очень точная ориентация на передающую станцию, а с другой стороны — исключаются всякие возможности колебательных перемещений. В настоящем разделе будут даны некоторые рекомендации по изготовлению высокоэффективных приемных пунктов. Однако для выполнения такого рода работ требуется высокая квалификация и соответствующий опыт в обработке металлов.
Основным критерием, характеризующим усиление и направленность параболической антенны, является отношение диаметра зеркала к длине волны.
Зависимость усиления от величины отношения. Эта зависимость построена в предположении, что кеэффициент использования поверхности имеет величину 65%.
При изготовлении обычно пользуются следующей методикой: сначала определяют необходимый диаметр антенны, а затем по известному отношению выбранного диаметра к длине волны находят характеристики антенны. При этом частоту необходимо пересчитать в длину волны. Зависимость, представленная на рисунке, позволяет по известному отношению определить усиление параболической антенны и ширину главного лепестка диаграммы направленности. Если требуется изготовить антенну с определенной величиной усиления, то поступают наоборот, т. е. из зависимости определяют соответствующее значение отношения D/K. Затем это значение умножают на длину волны и таким образом получают диаметр параболического зеркала. Диаметр зеркала и длина волны при этом должны выражаться в одинаковых единицах (например, в метрах).
Величина излучения таких антенн зависит от многих причин. В области углов заднего излучения, т. е. в области между направлениями, составляющими с осью зеркала 90° и 270°, типовые значения ПЗО в частотном поддиапазоне III равны примерно 25 дБ, а в поддиапазоне IV/V — 40 дБ (при D « 5 м!). При таких значениях ПЗО приходящие с этих направлений помехи эффективно подавляются.
При изготовлении параболической антенны для определения профиля образующей параболического зеркала надо исходить из уравнения параболы
Облучатель антенны размещается так, чтобы его фазовый центр находился в фокусе зеркала.
В дециметровом диапазоне волн облучателем параболического зеркала может служить антенна с соответствующей полосой частот, состоящая примерно из шести элементов. В поддиапазоне III достаточно двух или трех элементов. При этом директоры облучателя располагаются по направлению к центру зеркала. Облучающая антенна, должна быть установлена на несущей штанге строго симметрично. В качестве облучателя параболической антенны можно использовать также и логопериодические. вибраторные антенны. Ширина полосы пропускания параболической антенны определяется практически только шириной полосы облучателя. Поэтому здесь можно ограничиться рекомендациями только по выбору размеров для выполнения требований по усилению и направленности. Материал для прессования параболического отражателя берется дюралюминий толщиной 1 мм. Вибратор, втулка, контррефлектор, фидер, стержень вытачиваются на токарном станке по размерам, приведенным в чертежах.
При сборке антенны; необходимо установить облучающую антенну на таком расстоянии от центра зеркала, при котором обеспечивается максимальное усиление параболического зеркала. Это достигается совмещением фазового центра облучателя с фокусом. Фазовый центр облучателя находится в пределах длины облучающей системы. При изготовлении таких антенн надо обязательно принимать все меры к тому, чтобы максимально облегчить конструкцию антенны, для чего целесообразно применять облегченные профили и трубчатые элементы. Особое внимание надо уделить закреплению собранной антенны, причем сделать так, чтобы ее можно было поворачивать в горизонтальной и вертикальной плоскостях для правильной ориентации в пространстве.
В процессе изготовления параболического отражателя целесообразно контролировать степень точности выполнения профиля отражающей поверхности зеркала. Это можно делать с помощью специального шаблона, который изготавливается по тем же данным, по которым рассчитывалась отражающая поверхность зеркала.
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы была разработана конструкция параболической антенны со следующими параметрами:
- Рабочая длина волны: 
- Коэффициент усиления: 
- Максимальная излучаемая мощность: 
- Условия эксплуатации наземные
На основе проведённых расчётов была построена диаграмма направленности.
Литература
,, Козырев -фидерные устройства. –М.:Радио и связь,1989г. ,,Шумлянский и устройства СВЧ. –Киев.: Высшая школа,1990г. ,Гончаров и устройства СВЧ. Задание и методические указания к курсовой работе. Алма-Ата АЭИ,1987г.
ПРИЛОЖЕНИЯ
