 |
Исследование зеркальной параболической антенны
|
|
|
|
1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1 Приобрести навыки работы с программой MathCAD.
1.2 Создать модель зеркальной параболической антенны в среде программы MathCAD.
1.3 Исследовать направленные свойства модели зеркальной параболической антенны в среде программы MathCAD.
1.4 Оптимизировать параметры модели зеркальной параболическойантенны в среде программы MathCAD.
1.5 Построить зависимость коэффициента направленного действия от радиуса раскрыва зеркала параболической антенны в среде программы MathCAD.
2 ЛИТЕРАТУРА
2.1 В.П. Чернышов, Д.И. Шейман, Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства. Учебник для техникумов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Радио и связь, 1989. С. 158 –164.
3 ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ
3.1 Изучить по [2.1] основные принципы построения, конструкцию, технические характеристики зеркальной параболической антенны.
3.2 Подготовиться к допуску к лабораторной работе. Для этого решить задачу. Построить схему конструкции зеркальной параболической антенны для исходных данных таблицы 4.1. Номер варианта соответствует последней цифре номера студенческого билета. Зарисовать схему размещения конструктивных элементов зеркальной параболической антенны, указав параметры R0 – радиус раскрыва, λ – длина волны. Показать на схеме подключение фидера, согласующего устройства, угол раскрыва и фокусное расстояние. В качестве облучателя применить симметричный вибратор. Написать назначение каждого конструктивного узла. Написать формулы для расчета диаграммы направленности. Рассчитать диаграмму направленности. Привести диаграмму сложения поля в облучателе. Составить программу математической модели зеркальной параболической антенны в среде программы MathCAD по формулам [2.1] c. 96 – 103.
|
|
|
Таблица 4.1 – Исходные данные для исследования модели зеркальной параболическойантенны
| Вариант № | 10(0) | |||||||||
| Радиус раскрыва R,м | 0,75 | 0,5 | 0.3 | 0,5 | 0,45 | 0,15 | 1,5 | 0.55 | 0.8 | |
| Длина волны λ,м | 0,3 | 0,2 | 0,15 | 0,4 | 0,25 | 0,45 | 0,05 | 0,6 | 0,19 | 0,29 |
3.3 Подготовить ответы на вопросы для самопроверки.
4 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
4.1 В каких диапазонах волн и частот находит применение зеркальных параболических антенн?
4.2 Какова область использования зеркальных параболических антенн?
4.3 Для чего предназначен облучатель в составе зеркальной параболической антенны? Какие требования предъявляются к нему?
4.4 Каким преимуществом обладает зеркальная параболическая антенна по сравнению с директорной?
4.5 Перечислите основные элементы конструкции параболической антенны.
4.6 Поясните с помощью диаграммы, как складываются поля у облучателя.
4.7 Что представляет собой параболическое зеркало?
4.8 Как расширить полосу пропускания зеркальных параболических антенн?
4.9 Что называют раскрывом зеркала параболической антенны?
4.10 Как выглядит диаграмма направленности параболической антенны?
4.11 Что называется углом раскрыва зеркала параболической антенны?
4.12 Что такое фокусное расстояние параболической антенны?
4.13 Где принято располагать облучатель параболической антенны?
4.14 Чем достигается расширение рабочего диапазона частот параболической антенны?
4.15 В чем суть закона геометрической оптики, который можно использовать для анализа работы параболической антенны?
5 АППАРАТНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
5.1 Рабочая станция локальной сети.
5.2 Графический манипулятор мышь.
5.3 Программное обеспечение MathCAD.
6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
6.1 Ответить на вопросы программированного допуска и показать выполнение домашнего задания п.3.2.
6.2 Получить инструктаж по технике безопасности.
|
|
|
ВНИМАНИЕ! Аккуратно обращайтесь с персональным компьютером и его периферийными устройствами. Соблюдайте правила эргономики. Проверьте наличие заземления устройств.
6.3 Приобрести навыки работы с программой MathCAD, для этого
6.3.1 Включить персональный компьютер и наблюдать выход в операционную среду Windows. Нажать левую клавишу мыши на изображении «Мой компьютер», а затем проделать программный путь D:/Будько, распаковать файл MathCAD и получить стандартное окно программы.
6.3.2 Подводить стрелку курсора к изображениям стандартного окна программы MathCAD. Читать появляющиеся надписи и принимать их к сведению.
6.3.3 Ознакомиться с содержанием функциональных надписей File, Edit, View, Insert, Format, Tools, Symbolics, Window, Help, нажав левую клавишу манипулятора мышь на одну из указанных выше надписей и перемещая манипулятор влево или вправо по надписям.
6.3.4 Нажать левую клавишу манипулятора мышь поочередно на изображениях Calculator Toolbar, Graph Toolbar, Evaluation Toolbar, Greek Symbol Toolbar. Наблюдать появление дополнительных окон Калькулятор, Графики, Операции и Греческие символы.
6.4 Создать модель зеркальной параболической антенны в среде программы MathCAD, для этого
6.4.1 Нажать левую клавишу мыши в том месте рабочего окна куда планируется поместить первое выражение математической модели зеркальной параболической антенны. Наблюдать появление крестика.
6.4.2 Нажать левую клавишу мыши на изображении буквы ϕ, расположенной в окне греческого алфавита. Наблюдать появление буквы.
6.4.3 Нажать левую клавишу мыши на изображении двоеточия и равно (Definition:) в окне Evaluation. Это функция присвоения. Наблюдать появление символа:=.
6.4.4 Перейти на английский алфавит EN. Ввести с помощью клавиатуры первое число диапазона расчета 90. Затем нажать клавишу запятой, затем следующее 95. Затем нажать точку с запятой в английском языке. Наблюдать появление двух последовательно расположенных точек... Затем ввести с помощью клавиатуры конечное число диапазона расчета – 270.
6.4.5 Проделать п.6.4.1 – 6.4.4 для других формул и ввести математическую программную модель зеркальной параболической антенны для своего варианта (таблица 4.1). Номер варианта соответствует последней цифре номера студенческого билета. Для введения дроби использовать Division или /. Для введения тригонометрических функций использовать окно Calculator или Insert. Листинг программы может быть представлен следующим образом:
|
|
|
ϕ:=90,95..270
R:=0.75
λ:=l.5
|
Рисунок 3.1 – Листинг программы, моделирующей зеркальнyю параболическую антенну
6.4.6 Нажать левую клавишу мыши в том месте рабочего окна куда планируется поместить таблицу расчета диаграммы направленности. Затем ввести F(ϕ) и нажать клавишу =. Наблюдать таблицу. Данные записать в отчет. Сделать выводы. Если таблица не появляется, значит, в листинге допущена ошибка. Исправить ее. Записать в отчет, в чем заключалась ошибка программы.
6.5 Исследовать направленные свойства модели зеркальной параболической антенны в среде программы MathCAD, для этого
6.5.1 Нажать левую клавишу мыши в окне Graf надпись X-Y Plot. Наблюдать появление изображения осей графика. Установить наименование осей Y – F(ϕ), а X – ϕ. Наблюдать появление изображения графика диаграммы направленности в декартовой системе координат. Установить такие пределы наблюдения по осям, чтобы график занимал всю площадь.
6.5.2 Найти максимальное значение функции изображенной на графике. Рассчитать произведение максимального значения функции на 0.707. Провести прямую на уровне 0.707 параллельную оси X. Опустить перпендикуляры на ось X. Рассчитать с помощью масштаба значения ϕмин и ϕмакс. Найти разницу ϕмакс - ϕмин. Это и будет ширина диаграммы направленности 2ϴ, рассчитанная в прямоугольной системе координат. Расчет можно пояснить рисунком 4.2. Рисунок для вашего варианта зарисовать в отчет.
6.5.3 Получить график диаграммы направленности в полярной системе координат. Для этого нажать левую клавишу мыши в окне Graf надпись Polar Plot и наблюдать появление графика в полярной системе координат. Установить в нижней части окна обозначение оси 
, а в левой F(ϕ). Наблюдать график диаграммы направленности в полярной системе координат. Установить параметры наблюдения так, чтобы максимум диаграммы направленности совпал с максимумом окружности полярной системы.
|
|
|
Рисунок 4.2 – Диаграмма направленности зеркальной параболической в декартовой системе координат
6.5.3 Рассчитать ширину диаграммы направленности в полярной системе координат. Для этого проделать п.6.5.2 с учетом, что пересечение графика диаграммы направленности будет осуществляться по окружности, отстоящей от центра на расстоянии произведения 0.707 F(ϕ). Найти разницу ϕмакс - ϕмин. Это и будет ширина диаграммы направленности 2ϴ, рассчитанная в полярной системе координат. Расчет можно пояснить рисунком 4.3. Рисунок для вашего варианта зарисовать в отчет. Сравнить результаты определения ширины диаграммы направленности 2ϴ в декартовой системе координат и в полярной.
Рисунок 4.3 - Диаграмма направленности зеркальной параболической в полярной системе координат
6.6 Оптимизировать параметры модели зеркальной параболической антенны в среде программы MathCAD, для этого
6.6.1 Изменять радиус раскрыва в программе, моделирующей направленные свойства зеркальной параболической антенны в 2, потом в 3, в 4, в 5 и 10 раз. Наблюдать изменения диаграмм направленности, нажимая на F(ϕ) в листинге. Сделать выводы.
6.6.2 Проделать п.6.6.1 для других заданных таблицей 4.1 параметров антенны. Наблюдать изменения диаграмм направленности. Сделать выводы.
6.6.3 Подобрать параметры программы, моделирующей направленные свойства зеркальной параболической антенны так, чтобы получилось максимальное значение F(ϕ) и минимальное ширины диаграммы направленности 2ϴ, выполняя п.6.6.1 – 6.6.2. Полученные данные, привести в отчете для самого лучшего варианта. Сделать выводы.
6.7 Построить зависимость коэффициента направленного действия от радиуса раскрыва зеркала параболической антенны в среде программы MathCAD, для этого
6.7.1 Проделать п.6.5 используя формулу для расчета коэффициента направленного действия. Записать и зарисовать в отчет листинг программы, таблицу расчета и график. Сделать вывод.
6.7 Показать результаты выполнения работы преподавателю.
6.8 Выключить персональный компьютер в правильной последовательности.
6.9 Составить отчет по работе.
6.10 Сделать выводы.
6.11 Ответить на контрольные вопросы.
7 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
7.1 Наименование и цели работы.
7.2 Аппаратное и программное обеспечение работы.
7.3 Решение задачи п.3.2, таблицы с параметрами для диаграмм направленности.
7.4 Рисунки антенны, диаграмм направленности и листинг программы.
7.5 Результаты наблюдений и анализа работы по п.6.3 – 6.6.
7.6 Запоминающее устройство для USB с файлом отчета, рисунков и результатами исследования.
7.7 Выводы по работе.
7.8 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).
|
|
|
8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
8.1 Как изменяются направленные свойства зеркальной параболической антенны с увеличением R?
8.2 Чем объяснить наличие заднего лепестка в диаграмме направленности зеркальной параболической антенны?
8.3 Как изменится диаграмма направленности зеркальной параболической антенны, если повредить зеркальную поверхность?
8.4 Как изменятся направленные свойства зеркальной параболической антенны, если поместить облучатель не в фокус?
8.5 Каким образом обеспечиваются диапазонные свойства зеркальной параболической антенны?
8.6 Каковы технические возможности программы MathCAD?
8.7 Поясните выполнение домашнего задания п.3.2?
8.8 Поясните схему конструкции зеркальной параболической антенны.
8.9 Чем отличаются принципы построения зеркальной параболической антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях?
8.10 Какое согласующее устройство необходимо использовать для подключения зеркальной параболической антенны к фидеру?
8.11 Приведите формулы для расчета диаграммы направленности зеркальной параболической антенны.
8.12 Приведите диаграмму сложения поля в облучателе.
8.13 Поясните особенности работы с программой MathCAD.
8.14 Как создать модель зеркальной параболической антенны в среде программы MathCAD?
8.16 В чем суть исследования направленных свойств модели зеркальной параболической антенны в среде программы MathCAD?
8.17 Как оптимизировать параметры модели зеркальной параболической антенны в среде программы MathCAD?
8.18 Как изменится диаграмма направленности зеркальной параболической антенны с увеличением длины волны возбуждения?
8.19 Какие слабонаправленные антенны могут использоваться в качестве облучателей зеркальных параболических антенн?
8.20 Почему в зеркальных параболических антеннах коэффициент использования поверхности 
=0.5…0.6.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ
Диаграмма направленности зеркальной параболической антенны может рассчитываться по формуле
где R – радиус раскрыва зеркала, м;
λ – длина рабочей волны, м;
ϕ – угол между направлением наблюдения и направлением главного излучения.
Коэффициент направленного действия зеркальной параболической антенны можно рассчитать по формуле
где S – площадь раскрыва антенны, м, S=¶R2;
– коэффициент использования поверхности; =0.5…0.6.
|
|
|
