Lý thuyết anten - Phần 2 - Chương 1

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

189
lượt xem 47
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

THIẾT KẾ ANTEN CASSEGRAIN CHO CÁC TRẠM VỆ TINH MẶT ĐẤT Lời nói đầu: Ngày nay,do sự phát triển của kỹ thuật máy tính nói chung và các phần mềm tính toán nói riêng việc phân tích và thiết kế anten đã trở nên dễ dàng hơn. Tuy nhiên, đối với các loại anten có hệ số khếch đại cao như anten parabol (loại 1 chão phát xạ),antencassegrain (2 chảo phát xạ, trong đó chảo phụ là một hình hyperbol tròn xoay),hay các loại anten mãng thì việc tính toán các tham số anten và bước sóng phát xạ thường đòi...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Lý thuyết anten - Phần 2 - Chương 1

PHAÀN II NOÄI DUNG http://www.ebook.edu.vn
CHÖÔNG I:TOÅNG HÔÏP PHÖÔNG PHAÙP PHAÂN TÍCH VAØ THIEÁT KEÁ ANTEN CASSEGRAIN CHO CAÙC TRAÏM VEÄ TINH MAËT ÑAÁT Lôøi noùi ñaàu: Ngaøy nay,do söï phaùt trieån cuûa kyõ thuaät maùy tính noùi chung vaø caùc phaàn meàm tính toaùn noùi rieâng vieäc phaân tích vaø thieát keá anten ñaõ trôû neân deã daøng hôn. Tuy nhieân, ñoái vôùi caùc loaïi anten coù heä soá kheách ñaïi cao nhö anten parabol (loaïi 1 chaõo phaùt xaï),antencassegrain (2 chaûo phaùt xaï, trong ñoù chaûo phuï laø moät hình hyperbol troøn xoay),hay caùc loaïi anten maõng thì vieäc tính toaùn caùc tham soá anten vaø böôùc soùng phaùt xaï thöôøng ñoøi hoûi phaûi coù caùc quaù trình bieán ñoåi toaùn hoïc tæ mó vaø phöùc taïp. Ñieàu naøy ñoàng nghóa vôùi vieäc phaûi söû duïng caùc maùy tính chuyeân duïng coù toác ñoä cao ñeå thöïc hieän caùc thuaät toaùn phöùc taïp noùi treân. Trong baøi baùo naøy caùc taùc giaû muoán trình baøi moät phöông phaùp môùi söû duïng caùc thuaät toaùn xaáp xó ñeå ñôn giaûn hoùa caùc pheùp tính vaø toái giaõm thôøi gian tính toaùn cuûa maùy tính. Phöông phaùp trình baøi trong baøi baùo naøy ñaõ ñöôïc chöùng minh veà ñoä chính xaùc cuûa keát quaû vaø thöû nghieäm thaønh coâng ôû caùc maùy tính caù nhaân thoâng thöôøng. Do söï phoå bieán cuûa anten cassegrain ôû caùc traïm veä tinh maët ñaát, baøi baùo naøy xin ñöôïc ñeà caäp rieâng ñeán loaïi anten naøy. Cô sôû lyù thieát cuûa anten cassegrain. Anten cassegrain ñöôïc thieát keá vaø phaùt trieån töø oáng kính vieãn voïngdo nhaø baùc hoïc Cassegrain phaùt minh. Moät anten Cassegrain bao goàm caùc thaønh phaàn chính sau: Chaûo phaùt xaï chính:laø moät hình parabol troøn xoay. - Chaûo phaùt xaï phuï:laø moät hình hyperbol troøn xoay. - Loa phaùt xaï: thoâng thöôøng laø loaïi loa phaùt xaï hình troøn coù thaønh xeõ - raõnh, ñöôïc veõ nhö hình sau: Loa phaùt xaï troøn coù xeû raõnh ñöôïc söû duïng roäng raõi ôû caùc heä thoáng veä tinh, rada.Ñoù laø do ñaàu phaùt xaï loaïi naøy taïo neân möùc ñoái xöùng cao cuûa buùp soùng phaùt xaï trong maët phaúng ñoàng phaân cöïc. Hôn nöõa, möùc phaùt xaï thaáp trong maët phaúng coù phaân cöïc vuoâng goùc cuõng laøm cho ñaàu phaùt xaï troøn coù thaønh xeû raõnh trôû thaønh moät söï löïa choïn lyù töôûng cho caùc heä thoáng phaân cöïc keùp. Ñoái vôùi caùc heä thoáng baùm veä tinh, vieäc tính toaùn vaø löïa choïn ñöôïc ñaàu phaùt xaï anten thích hôïp ñeå ñoàng thôøi coù theå toái öu hoùa ñöôïc buùp soùng phaùt xaï toång (sum pattern) vaø caùc buùp soùng hieäu (difference pattern) laø heát söùc quan troïng. http://www.ebook.edu.vn
Caáu hình cuûa moät anten Cassegrain ñieån hình ñöôïc moâ taû nhö hình veõ . Trong ñoù phuoung trình hình hoïccuûa chaûo phaùt xaï chínhñuôïc bieãu dieãn nhö sau : Zm(Xm,Ym)= (X2 m+Y2 m )/4Fm – Fm (1) Vôùi ñieàu kieän (Xm2+Ym2)
Trong quaù trình phaân tích thieát keá anten Cassegrain , ngöôøi thieát keá caàn phaûi tính ñeán 2 tröôøng hôïp : Khoâng tính ñeán ñieàu kieän che chaén toát thieåu - Tính ñeán ñieàu kieän che chaén toái thieåu . - Tröôøng hôïp thöù nhaát coù öu ñieåm ñôn giaûn, tuy nhieân khoâng mang laïi hieäu suaát anten cao . Vì vaäy phöông phaùp naøy ít ñöôïc söû duïng trong thöïc teá . Ñoái vôùi caùc öùng duïng ñoøi hoûi phaûi söû duïng caùc anten coù heä soá kheách ñaïi vaø hieäu suaát cao nhö caùc traïm vi-bahay caùc traïm veä tinh maët ñaát vieäc söû duïng ñieàu kieän che chaén toái thieåu vaøo tính toaùn vaø thieát keá anten cassegrain laø 1 ñieàu kieän baét buoäc. Ñieàu kieän che chaén toái thieåu ñaõ ñöôïc Hannan ñeà caäp ñeán ñaàu tieântrong baøi baùo [5]. Theo Hannan ñieàu kieän che chaén thoái thieåu ñöôïc thoûa maõn khi dieän tích bò ñaàu phaùt xaï che khuaát leân chaûophaùt xaï chính ñuùng baèng ñieàu kieän che khuaát bôûi chaûo phaùt xaï phuï. Ñieàu kieän naøy ñöôïc moâ taû ôû hình veõ 2 vaø coù theå ñöôïc bieåu dieãn bôûi bieåu thöùc sau: Fm/2f=Ds/Df Khi bieát ñöôïc tham soá cuûa loaphaùt xaï (Df,buùp soùng phaùt xaï ), thoâng thöôøng neáu khoâng söû duïng ñieàu kieän che chaén toái thieåu ngöôøi thieát keá caàn bieát tröôùc ít nhaát 4 tham soá. Söû duïng ñieàu kieän che chaén toái thieåu coù theå giaûm ñöôïc 1 tham soá. Taäp hôïp ñaày ñuû caùc tham soá caàn thieát ñeå coù theå hoaøn thaønh baøi toaùn thieát keá ñaõ ñöôïc Granet trình baøi ñaày ñuû Trong taøi lieäu tham khaûo [6] . Trong baøi baùo naøy taùc giaû seõ trình baøi 1 tröôøng hôïp ñieån hình khi ngöôøi thieát keá bieát tröôùc ba tham soá sau : -Ñöôøng kính chaûo phaùt xaï chính Dm Tieâu cöï chính Fm - Goùc - Trong caùc tham soá noùi treân, ñöôøng kính chaûo phaùt xaï chính Dm ñöôïc tính toaùn töø yeâu caàu veà heä soá khueách ñaïi cuûa an ten thoâng qua quaù trình tính toaùn ñöôøng truyeàn.. Tieâu cöï chính Fm thöôøng ñöôïc bieát tröôùc töø yeâu caàu veà tyû soá F/D cuûa anten caàn thieát keá. Ñoái vôùi anten cassegrain tyû soá naøy thöôøng naèm trong khoaûng töø 0.35 ñeán 0,53 . Tham soá coøn laïi laø goùc ñöôïc choïn theo ñieàu kieän böùc xaï traøn (spillover condition ) sao cho ñoä suy giaõm böùc xaï taïi thaønh cuûa chaûo böùc xaï phuï vaøo khoaûng –10 dB tôùi –15dB . http://www.ebook.edu.vn
Rm Rs Rf Z 2f Fm hình : ñieàu kieän che chaén toái thieåu Ví duï , ñoái vôùi loaïi loa phaùt xaï coù thaønh seõ raõnh coù ñöôøng kính Df= 7.8 cm, goùc môû Υ =260 ñeå ñaït ñöôïc ñoä suy giaûm böùc xaï –15 dB taïi thaønh cuûa chaûo phat xaï phuï thì goùc υe=250. Taát caû caùc tham soá coøn laïi treân hình moät , sau ñoù coù theå ñöôïc tính toaùn theo caùc coâng thöùc sau [6] : 8Fm D m + Df tan(θe)( Fm − D 2 ) 16 2 f= m 64tan(θe) m D L m = Fm − 2f 2D mf Ls = ⎛θ ⎞ D m + 4Fm tan⎜ e ⎟ ⎜ 2⎟ ⎝⎠ FD Ds = m f 2 f a = Ls − f Sau khi tính toaùn xong, caùc tham soá caàn phaûi ñöôïc kieåm tra theo caùc ñieàu kieän sau : -Ñöôøng kính cuûa chaûo phaùt xaï phuï –phaûi thoûa maõn Ds >>5λ ñeå giaûm bôùt toån hao do taùn xaï vaø phaûi thoûa maõn Ds =0.1Dm ñeå taêng hieäu suaát che chaén . Khoaûng caùch Lm neân choïn sao cho khoâng gaây neân khoù khaên gì cho - vieäc laép ñaëc loa phaùt xaï Ví duï :Hình 3 moâ taû 1 anten Cassegrain coù ñöôøng kính Dm = 1.5 mñöôïc thieát keá cho 1 traïm veä tinh maët ñaát quó ñaïo thaáp laøm vieäc ôû baêng taàn Ka (20 GHz –40 GHz ) caùc tham soá tính toaùn ñöôïc lieät keâ ñaày ñuû ôû baûng 1 http://www.ebook.edu.vn
Baûng 1: Caùc tham soá hình hoïc cuûa anten cassegrain Tham soá Giaù trò Ñôn vò Ñöôøng kính chaûo phaùt xaï chính 1.5 M Dm Tieâu cöï chính Fm 0.55 M Ñöôøng kính chaûo phaùt xaï phuï Ds 0.1804 M Ñöôøng kính loa phaùt xaï Df 0.078 M Goùc môû loa phaùt xaï θ 26 Ñoä Vò trí ñaëc loa phaùt xaï Lm 0.3122 M Vò trí chaûo phaùt xaï phuï Ls 0.1813 M Khaûng caùch a 0.0062 M Khoaûng caùc f 0.1189 M Goùc θ e 24 Ñoä Ñoä leäch taâm e 1.905 3.210 Heä soá phoùng ñaïi M 4. Tính toaùn caùc tham soá ñieän cuûa anten cassegrain . 4.1 Hieäu suaát anten: Ñoái vôùi loaïi anten söû duïng 1 chaûo phaùt xaï , hieäu suaát anten phuï thuoäc chuû yeáu vaøo loa phaùt xaï ñöôïc duøng . http://www.ebook.edu.vn
Hình chieáu caïnh cuûa antena x (m) 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 Z (m) http://www.ebook.edu.vn
Maët caét chính dieän cuûa antena 0.8 0.6 0.4 0.2 x (m) 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 Y(m) Söï xuaát hieän cuûa moät chaûo phaùt xaï phuï trong caáu hình cuûa anten cassegrain ñaõ giuùp taêng hieäu suaát anten leân khoaûng 10% so vôùi anten parabol moät chaûo phaùt xaï .Hieäu suaát anten cuûa anten cassegrain thöôøng naèm trong khoaõng 60% ñeán 70% tuøy thuoäc vaøo yeâu caàu veà möùc buùp soùng phuï. Ñoái vôùi moät anten Cassegrain hieäu suaát anten ñöôïc tính toång quaùt töø coâng thöùc sau: η = η1η sηp ηBηEηx η1 : hieäu suaát böùc xaï anten η s :Hieäu suaát traøn böùc xaï (spillover ) :hieäu suaát sai pha (phase error) ηp ηx:Hieäu suaát traùi phaân cöïc (cross polarization ) ηB:Hieäu suaát che chaén http://www.ebook.edu.vn
ηE :hieäu suaát sai soá maët phaùt xaï (surface error) Vieäc tính toaùn chính xaùc caùc tham soá naøy ñoøi hoûi phaûi giaûi ñöôïc caùc haøm tích phaân phöùc taïp. Hôn nöõa , ñeå giaûi caùc tích phaân phöùc taïp naøy caàn phaûi tìm ñöôïc haøm toaùn hoïc cuûa buùp soùng phaùt xaï cuûa loa phaùt xaï. Vì vaäy, ñoái vôùi anten Cassegrain thì vieäc tính toaùn chính xaùc hieäu suaát anten vaãn coøn laø moät vaán ñeà khoù khaên. Tuy nhieân vieäc söû duïng phöông phaùp gaàn ñuùng seõ giuùp cho vieäc tìm ra hieäu suaát anten moät caùch nhanh nhaát. Thep phöông phaùp naøy thì hieäu suaát böùc xaï coù theå ñöôïc bieåu dieån döôùi daïng sau [2] : η = ηsd η dl trong ñoù ηsd laøø hieäu suaát taùn xaï cuûa chaûo phaùt xaï phuï, η dl Laø hieäu suaát xaï khi chöa tính ñeán aûnh höôûng cuûa taùn xaï töø chaûo taùn xaï phuï. Theo [2] ta coù bieåu thöùc sau: −0.6 ⎛D ⎞ 10log10 (ηs × ηsd ) ≈ −1.38⎜ s ⎟ (dB) ⎜λ⎟ ⎝ ⎠ --o.6 Neáu giaû söû laø haøm phaân boá böùc xaï laø ñeàu thì hieäu suaát böùc xaï coù tính ñeán aûnh höôûng cuûa che chaén do chaûo phaùt xaï phuï gaây ra η dl , coù theå bieåu dieån nhö coâng thöùc sau [2]: 2 ⎛ ⎞ 2 ⎛D ⎞ = η dl × η B = ⎜ 1 − ⎜ s ⎟ ⎟ η db ⎜D ⎟ ⎜ ⎟ ⎝m ⎠ ⎝ ⎠ Keát hôïp (14), (15) vaø ( 16) ta coù η1η sηB=ηilbη sηsd Hieäu suaát sai soá maët phaùt xaï (surface error) thöôøng ñöôïc tính baèng coâng thöùc sau ηE = exp(-4πε ⁄ λ)2 Trong ñoù ε: laø ñoä chính xaùc cuûa maët phaùt xaï, λ: böôùc soùng cuûa taàng soá coâng taùc. Caû 2 tham soá ñeàu ñöôïc tính baèng mm. Neáu ñöôïc thieát keá caån thaän thì thoâng thöôøng 2 tham soá coøn laïi laø ηx, ηp coù theå coi nhö baèng 1. Vì vaäy, keát quaû cuoái cuøng laø [1]: η1η sηBηE =ηilbη sηsdηE http://www.ebook.edu.vn
⎛ −0 6 ⎞ . ⎜ −1 38⎛ Ds ⎞ ⎟ .⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝λ ⎠ ⎜ ⎟ 10 2 ⎜ ⎟ 2⎞ ⎛ 2⎞ ⎛ ⎜ ⎟ ⎛D ⎞ ⎟ × exp⎜ − ⎛ 4επ ⎞ ⎟ × ⎜1 − ⎜ s 10⎝ ⎠ ⎟ η= ⎜ ⎟ ⎜D ⎟ ⎟ ⎜ ⎜ ⎝λ ⎠⎟ ⎝m ⎠ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ 4.2 Ñoäkhueách ñaïi anten: Ñoái vôùi anten Cassegrain ñoä khueách ñaïi cuûa anten ñöôïc tính theo coâng thöùc sau [6]: ( ) π 2 D 2 − Ds 2 m G=η 2 λ Trong ñoù η laø hieäu suaát anten tính töø coâng thöùc (19), caùc tham soá coøn laïi nhö ñaõ giaûi thích ôû treân Ví duï :tính toaùn caùc tham soá ñieän cho anten coù Dm=1.5 m trong ví duï ôû phaàn ba Giaû söû anten ñöôïc cheá taïo chính xaùcbeà maët phaùt xaï laø ε=0.7 mm ôû taàn soá 20GHz aùp duïng coâng thöùc (19) ⎛ −0 6 ⎞ . ⎜ −1 38⎛ 0.1804 ⎞ ⎟ .⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ 0.15 ⎠ ⎜ ⎟ 10 ⎜ ⎟ 2 ⎛ ⎞⎞ ⎛ ⎛ 4 × 0.7 × 3.14 ⎞2 ⎞ 2 ⎜ ⎟ ⎛ × ⎜1 − ⎜ 0.1804 ⎟ ⎟ × exp⎜ − ⎜ ⎟⎟ 10⎝ ⎠ η= ⎜ 1.5 ⎟ ⎟ ⎜ ⎜⎝ ⎠⎟ 15 ⎝ ⎠⎠ ⎝ ⎠ ⎝ η =93.10%97.13%70.92% = 64.13% Heä soá khueách ñaïi ñöôïc tính töø coâng thöùc (20) nhö sau: ( ) = 64.13% 3.14 (1.5 ) π 2 D 2 − Ds 2 2 2 − 0.18042 m G=η λ2 0.0152 = 47.95dB Moät ñieåm caàn chuù yù trong quaù trình tính hieäu suaát cuûa anten laø söï aûnh höôûng cuûa hieäu suaát sai soá maët phaùt xaï ñeán hieäu suaát chung cuûa anten . Thoâng thöôøng hieäu suaát sai soá maët phaùt xaï thöôøng laø yeáu toá quyeát ñònh lôùn nhaát ñeán söï http://www.ebook.edu.vn
suy giaûm cuûa hieäu suaát anten. Tuy nhieân, hieäu suaát sai soá beà maët laïi phuï thuoäc chuû yeáu vaøo ñoä chính xaùc cuûa beà maët phaùt xaï ε. Vì vaäy, vieäc ñaït ñöôïc hieäu suaát anten cao ñoàng nghóa vôùi vieäc cheá taïo beà maët chaûo phaùt xaï coù ñoä chính xaùc cao. Hình 4 mieâu taû quan heä giöûa hieäu suaát anten vaø ñoä chính xaùc beà maët cuûa anten ôû ví duï treân. Roõ raøng laø ñeå ñaït hieäu suaát 70% thì yeâu caàu caàn phaûi co ùε =0.6 mm , coøn ñeå ñaït ñöôïc hieäu suaát cao hôn ví duï 80% thì ε = 0.35 mm. 5 Keát luaän: Phöông phaùp toång hôïp duøng trong phaân tích vaø tính toaùn anten Cassegrain ñaõ ñöôïc trình baøi ôû treân. Phöông phaùp naøy raát ñôn giaûn vaø deå söû duïng thaäm chí ñoái vôùi caû caùc loaïi maùy tính caàm tay. Phöông phaùp vaø keát quaû tính toaùn ôû ví duï treân ñaõ ñöôïc aùp duïng thöïc teá vaøo vieäc thieát keá moät anten baùm cho veä tinh quæ ñaïo thaáp ôû baêng taàn Ka. http://www.ebook.edu.vn