Курсовые по Устройствам СВЧ и антеннам 2 (Расч-поясн.зап)

Посмотреть архив целиком




МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)






ФАКУЛЬТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ






КАФЕДРА 406





РАСЧЁТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА


К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«АНТЕНЫ И УСТРОЙСТВА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ»





Проектировал:

студент группы 04-317 Тулунин Е.В.



Консультировал:

доцент Максимов В.М.








Москва – 2003.


  1. Введение


Антенны СВЧ широко применяют в различных областях радиоэлектроники: связи, телевидении, радиолокации, радиоуправлении, а также в системах инструментальной посадки летательных аппаратов, радиоэлектронного противодействия, радиовзрывателей, радиотелеметрии и др.

Широкое распространение получили остронаправленные сканирующие антенны. Сканирование позволяет осуществлять обзор пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. Замена слабонаправленных или ненаправленных антенн, например связных, остронаправленными сканирующими позволяет не только получать энергетический выигрыш в радиотехнической системе за счет увеличения коэффициента усиления антенн, но и в ряде случаев ослаблять взаимные влияния одновременно работающих различных систем, т. е. обеспечивать их электромагнитную совместимость (ЭМС). При этом могут быть улучшены помехозащищенность, скрытность действия и другие характеристики системы. При механическом сканировании, выполняемом поворотом всей антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при современных скоростях летательных аппаратов оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн.

Применение фазируемых антенных решеток (ФАР) для построения остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства, что способствует увеличению объема информации о распределение источников излучения или отражения электрических волн в окружающем пространстве.

Основные требования, предъявляемые к антенне, определяются объемом обрабатываемой информации и связаны дальностью действия, разрешающей способностью быстродействием, надежностью, помехозащищенностью и другими характеристиками радиотехнической системы.

Требования к направленности действия антенны определяют форму и ширину диаграммы направленности (ДН), допустимый уровень боковых лепестков (УБЛ), коэффициент направленного действия (КНД) и поляризационную характеристику антенны. Система излучателей с электрическим управляемым фазовым распределением – фазируемая антенная решетка – осуществляет электрическое сканирование луча в пространстве со скоростью, которая может быть на несколько порядков выше скорости механически сканируемых антенн. Реализация различных видов амплитудно-фазовых распределений в АР значительно проще, чем в других типах антенн, т.к. в возбуждающие излучатели устройства можно включать различные делители, направленные ответвители, фазовращатели и другие элементы, обеспечивающие требуемое распределение или управление.

Антенны бегущей волны, реализующие режим осевого из­лучения, являются антеннами поверхностных волн. Поверхно­стные волны возникают на границах раздела сред с различными электрическими параметрами, фазовая скорость в одной из которых меньше, чем в другой. Одной из таких сред в антен­ной технике обычно является воздух, а второй — среда, в ко­торой распространяются замедленные электромагнитные волны С). При этом амплитуда волны медленно затухает в про­дольном направлении и быстро убывает (по экспоненциально­му закону) при удалении от границы раздела сред по направ­лению нормали.

Рассмотрим стержневые антенны поверхностных волн, в которых волны «направляются» вдоль прямолинейного стержня 1 круглого или прямоугольного поперечного сечения длиной несколько и возбуждаются отрезком круглого или прямо­угольного металлического волновода 2 (рис.1). В свою оче­редь отрезки волноводов могут быть возбуждены несимметрич­ным вибратором 3, соединенным с внутренним проводником коаксиальной линии 4. В качестве рабочего типа волны в ди­электрическом стержне используется низшая гибридная замед­ленная электромагнитная волна НЕ11.


Рис.1. Диэлектрические стержневые антенны:

а — цилиндрическая, б — коническая



В диэлектрической антенне из цилиндрического стержня (см. рис. 1, a) на конце антенны возникают отраженные волны, увеличивающие уровень боковых лепестков. Для уменьшения отражений от конца и соответственно снижения уровня бокового излучения и реализации режима, близкого к режиму бегущей волны, применяются диэлектрические стержни конической формы (см. рис. 1, б).

Одиночные стержневые антенны в зависимости от размеров имеют ширину ДН >15...250. Для получения более узких ДН и повышения КНД применяют антенные решетки стержневых антенн. Диаграмма направленности в этом случае при равномерном возбуждении решетки определяется перемножением ДН одиночного стержня и множителя решетки.

Диэлектрические стержневые антенны широкополосные и их полоса пропускания ограничивается диапазонными свойствами возбуждающего устройства. Преимуществом является простота конструкции и малые поперечные размеры. Недостатком является сравнительно малая пропускаемая мощность и малая направленность излучения[4.5].



2.Расчет излучающей части антенны.



2.1.Расчет геометрических размеров излучающей части антенны.

















Рис.1 Схема ФАР



Найдем размеры решетки Lx, Ly:

20,5 в =68,8* /Ly

20,5 в =40 =32мм

20,5 г =50,8* /Lx

20,5 г =3

20,5 г — ширина ДН в горизонтальной плоскости

20,5 в ширина ДН в вертикальной плоскости. [6, стр25]


Отсюда находим:

Ly=55мм

Lx=542мм

Определим размеры ячеек решетки:

aр=Lx=55 мм

bp= d-2t=20.5мм t=1мм

d= 1/1+sin25=22.5

d-шаг решетки

aр, bp-размеры раскрыва рупора


Определим количество излучателей.

N=(Lx+2t)/d

При вычслении округляем число излучателей до целого числа в сторону увеличения, в следствии чего получаем N=24


Уточняем d: d=Lx+2t/N=22.5

2.2. Расчет ДН антенны.


В нижеследующих выражениях:

x- отклонение луча от нормали (в соответствующей плоскости) в радианах;

ap- размер раскрыва рупора по горизонтали (мм);

- рабочая длина волны (мм);

k- волновое число;

bp- размер раскрыва рупора по вертикали (мм);

N- число излучателей в решетке;

d- шаг решетки (мм);





[1] – диаграмма одиночного излучателя в горизонтальной плоскости, при вертикальной поляризации.




[2] – диаграмма направленности одиночного излучателя в вертикальной плоскости, при вертикальной поляризации.



[3] – множитель решетки. Полагая решетку состоящей из одинаковых излучателей, можно представить ее характеристику направленности в виде произведения характеристики направленности изолированного излучателя[формула 1] на множитель решетки [формула 3].[6.26]





График 1. ДН изолированного излучателя в горизонтальной плоскости.




График 2. ДН изолированного излучателя в вертикальной плоскости.



График 3. ДН решетки (в горизонтальной плоскости) при нулевом отклонении луча от нормали



График 4. ДН решетки при отклонении луча от нормали на заданный угол сканирования.


3. Выбор размеров поперечного сечения волновода.




Размеры волновода выбираем исходя из следующих заданных условий:

0,6<а<0,9, b=a/2. а и b размеры широкой и узкой стенки волновода

соответственно

из формулы следует:19.2<а<28.8, b=16, =32мм [1.37]


Далее выбираем размеры волновода исходя из литературного источника

[5.114]. Выбираем волновод размерами 22мм х 10мм,толщина стенки =1 мм.


Необходимо уточнит, что выбор размера b ограничен величиной пробивного напряжения, то есть неограниченном уменьшении этого размера может наступить электрический пробой. Предельная мощность, пропускаемая волноводом с волной H10 определяется соотношением [1.37]:




Kсв= 1\ Кбв = 1.3



Емax =30кВт/см – напряженность электрического поля, при которой происходит пробой в воздухе, получим :


Рmax=500кВт.


Допустимая передаваемая мощность по волноводу определяется как :

Рдоп=(1\3 ~ 1\5)Рmax;

Рдоп=100кВт.



Вывод: заданная мощность (30кВт) меньше допустимой передаваемой, при размерах волновода, следовательно пробоя не будет.











4 Расчет тракта СВЧ линейной АР.


4.1. Выбор электрической схемы антенны.


Для возбуждения излучателей ФАР используются делители мощности оптического типа и в виде закрытого тракта.

Схемы антенных решеток с делителями оптического типа бывают двух видов: проходные и отражательные. В первом случае энергия от облучателя падает на коллекторную решетку, проходит через высокочастотные цепи и фазовращатели, а затем переизлучается в требуемом направлении другой решеткой. Во втором коллекторная и переизлучающая решетки совмещены. Мощность, принятая от облучателя ,переизлучается в требуемом направлении.

Достоинством делителей оптического типа является простота при большом числе излучателей. В качестве облучателей можно применять облучатели соответствующих зеркальных антенн ,в том числе и моноимпульсных облучателей для создания суммарно-разностных ДН .Преимуществом решеток отражательного типа является их конструктивное и эксплуатационное удобство ,заключающееся в доступности излучающих элементов при настройке и замене с неизлучающей стороны решетки .В проходной решетке можно получить лучшие характеристики ,оптимизируя отдельно коллекторную и переизлучающую решетки.

К недостаткам решеток с оптическим спосбом возбуждения элементов следует отнести “переливание” энергии через края решетки ,подобно тому как это имеет место в зеркальных антеннах .Это приводит к уменьшению коэффициента использования поверхности и увеличению фона бокового излучения .

Делители в виде закрытого тракта выполняются по схемам последовательного и параллельного деления мощности .При последовательном делении мощности фазовращатели могут быть включены в боковые ответвления фидерного тракта ,идущие к излучателям .В этом случае в каждый из N фазовращателей проходит 1/N мощности, а потери мощности определяются потерями ,вносимыми одним фазовращателем. Недостатком данной схемы является различная электрическая длина пути от входа антенны до излучателей, что может привести к фазовым искажениям на краях частотного диапазона .Для устранения фазовых искажений в боковые ответвления необходимо включать компенсационные отрезки фидера .

При параллельной схеме деления мощности, которая также позволяет использовать маломощные фазовращатели, общие потери мощности определяются потерями в одном фазовращателе и имеется возможность выравнивания длин отдельных каналов для обеспечения широкополосности .

Недостатком параллельной схемы является сложность согласования при делении мощности на большое число каналов.

В качестве делителей мощности могут использоваться различные узлы: волноводные и коаксиальные тройники, волноводные мосты, направленные ответвители на связанных полосковых линиях, а также кольцевые резистивные делители мощности на полосковых линиях.

Примером фидерной системы, поглощающей отраженную волну и обеспечивающей развязку излучателей, является делитель мощности ,в котором в качестве элементов связи используются направленные ответвители. Волны ,отраженные от излучателей ,проходят на вход антенны или поглощаются в нагрузках направленных ответвителей, но не переизлучаются излучателями .

Анализируя написанное выше ,приходим к выводу, что для нашей ФАР подходит схема (рис.2) последовательного деления мощности в виде закрытого тракта в которой в качестве элементов связи используются направленные ответвители [3.42] .






рис.2








4.2.Расчет направленных ответвителей.



Расчёт коэффициентов связи:

nномер направленного ответвителя

Nкол-во излучателей

Lnдлинна щели

h - ширина щели


h=*0.0384

h=1.2288мм

Сn=1/[N-(n-1)]

Значения Ln и h определяется по графику [3. стр.244]






Рис.3 Направленный ответвитель.










n


Cn


Cn, дБ


ln,мм


1

0.042

-13,768

8,64

2

0.043

-13,665

3

0.045

-13,468

4

0.048

-13,188

5

0.05

-13,01

6

0.053

-12,757

8,96

7

0.056

-12,518

8

0.059

-12,291

9

0.063

-12,007

10

0.067

-11,739

11

0.071

-11,487

9,28

12

0.077

-11,135

13

0.083

-10,809

14

0.091

-10,41

15

0.1

-10

16

0.111

-9,547

10,56

17

0.125

-9,031

18

0.143

-8,447

19

0.167

-7,773

20

0.2

-6,99

21

0.25

-6,021

13,12

22

0.333

-4,776

23

0.5

-3,01

24

1

0













4.3. Расчет волноводного моста СВЧ.



рис.4


Мостами СВЧ называют направленные ответвители с переходным ослаблением (3дБ).

Волноводно-щелевой мост в H плоскости представляет собой два прямоугольных волновода, часть общей узкой стенки которых длиной l вырезается. В результате образуется широкий прямоугольный волновод с размерами поперечного сечения A*b. Размер А выбирается так, чтобы в волноводе распространяющимися были волны Н10 и Н20. Таким образом <А< 1.5[2.42]

длина моста рассчитывается по формулам:





А=2а+2t= 44+2=46мм ,что соответствует А=1.43 и это удовлетворяет условию выбора волновода.


Kzh10=0.13

Длина моста l=27мм.






4.4.Расчёт отражательго фазовращателя.


рис.5

Фазовращатели СВЧ предназначены для изменения фазы отраженной или проходящей волны на требуемую величину. Различают проходные и отражательные фазовращатели СВЧ (используемые в данной работе).

Дискретный отражательный фазовращатель строится на основе полупроводниковых выключателей[2.52].

Расстояние между диафрагмами l выбирается от требуемого дискрета фазы =/2:


Kz определяется из формулы в предыдущем пункте и равна 0.13

l=6.04 (мм).

рис.6


Рассчитаем размеры щелей в отражательном фазовращателе. В случае равномерного амплитудного распределения, когда излучаемая антенной мощность делится поровну между щелями, амплитуда напряжения в пучности равна:


Pподводимая к антенне мощность;

Nщчисло щелей=2N;

G - проводимость излучения щели;




R=73.1 Ом – сопротивление излучения;

Um=1159 B.


Ширина щели определяется из формулы :





d1=0.77 мм

Eпр=30 кВт/см – предельное значение напряженности поля, при которой наступает электрический пробой.

Длину щели можно найти воспользовавшись графиком [ 4, стр.120 ]:

x1=a\2=11мм , x1\=0.3437 ,

d\=2.41*10-2

l\=0.244 , отсюда следует длина щели l=0.244*32=7.8мм.







4.5.Выбор поглощающей нагрузки.


Нагрузка СВЧ на эквивалентной схеме представляются в виде двухполюсника, который характеризуется величиной коэффициента отражения. Матрица рассеяния нагрузки вырождается в число S11=. В трактах СВЧ находят применение согласованные и реактивные нагрузки. Идеальная согласованная нагрузка имеет ; характеристиками реальных согласованных нагрузок является зависимость от частоты и допустимая поглощаемая мощность. Часто нагрузку характеризуют величиной Ксв на входе. Требований к фазе отраженной волны не предъявляется. По величине допустимой поглощаемой мощности различают нагрузки на низкий (1 Вт) и высокий уровни мощности.

В данном проекте применяется согласованная, волноводная, клиновидная нагрузка, выполненная из ферроэпоксида. Качество нагрузки зависит от длинны l [ 2 ,cтр.34 ].











Рис.7





в=46.624


Длина нагрузки l=в\2=23.3 мм.






4.6.Расчет излучательного рупора.





b aр

a 1

3 2

h bр 2

RE

Рис.8


Рупорная антенна состоит из рупора(2),волновода(1) и возбуждающего устройства(3).

Eсекторальный рупор — это рупор, который расширяется

в плоскости вектора E, размеры волновода были рассчитаны ранее a=22мм b=10мм

Размеры раскрыва пирамидального или секториального рупора ap и bp выбирают по требуемой ширине ДН в соответствующей плоскости или по КНД. Размеры раскрыва рупора ap и bp были найдены в п.п. 2.1. данной записки.

В нашем случае рупор пирамидальный ap>a; bp>b. Поэтому длину рупора характеризуют два размера:

hрасстояния от раскрыва до горловины рупора, одинаковые в плоскостях E и H;

RE – расстояние от раскрыва до точки, в которой сходятся ребра рупора[4.152].




Re=36.6мм ;



Найдем длину рупора из формулы[4.155]: