Курсовые по Устройствам СВЧ и антеннам 2 (Потяшов)

Посмотреть архив целиком

2




Московский Авиационный Институт

(Технический университет).




















Курсовая работа


На тему: Линейная фазированная

антенная решетка с диэлектрическими излучателями.
















Выполнил



Проверил:









Москва 2001 г.

Содержание:


Введение………………………………………………………………………………………………3

1. Выбор типа фазовращателя. ……………………………………………………………………. 5

2. Электрическая схема .……………………………………………………………………………7

3. Расчетная часть…………………………………………………………………………………….8

3.1. Определение геометрических характеристик ФАР. 8

3.2. Расчет размеров единичного излучателя решетки и выбор волновода. 8

3.3. Расчет диаграммы направленности. 9

3.3.1 ДН единичного излучателя. 9

3.3.2. ДН множителя решетки. 10

3.3.3. ДН антенной решетки. 10

3.4. Расчет КНД антенны. 11

3.5. Расчет согласования антенны. 11

3.6. Определение относительной мощности распределения и коэффициентов связи. 12

3.7. Определение КПД антенны. 13

4.Описание конструкции…………………………………………………………………………..14

Литература………………………………………………………………………………………….15




















Введение.


Антенно - фидерное устройство, обеспечивающие излучение и прием радиоволн, является неотъемлемой частью любой радиосистемы. Условия размещения и работы антенны влияют на ее характеристики. Реализуемость требуемых направленных, частотных, энергетических характеристик во определяется рабочим диапазоном волн. В диапазоне СВЧ антенны обеспечивают остронаправленное излучение с шириной луча в единицы и доли градусов и коэффициент усиления, достигающий десятки и сотни тысяч.

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.

Применение сложных антенн в виде решеток, состоящих из систем слабонаправленных или направленных излучателей, расширяет возможности реализации требуемых характеристик.

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.

В данной курсовой работе рассчитана линейная ФАР с диэлектрическими излучателями.

  1. Выбор типа фазовращателя.


Фазовращатели (ФВ) наиболее широко применяются в ФАР РЛС. Современные ФАР состоят из нескольких тысяч или даже десятков тысяч элементов, каждый из которых содержит фазовращатель. Поэтому характеристики и стоимость РЛС в значительной степени зависят от параметров и стоимости фазовращателей.

В настоящее время в основном используются ферритовые и полупроводниковые ФВ. Фазовращатели на основе сегнетоэлектриков, электронных пучков и плазмы еще не столь совершенны и области их применения весьма ограниченны.

К ФВ, предназначенным для использования в многоэлементных ФАР, предъявляются многообразные и жесткие требования. Основными среди них являются: минимальное время переключения (изменение фазового состояния) при возможно меньшей мощности управляющего сигнала; достаточная точность установки фазового сдвига, необходимая для выполнения требований к ДН по КНД, уровню боковых лепестков, точности ориентации главного максимума; электрическая прочность, которая должна быть достаточной для пропускания требуемой импульсной мощности; поперечные габариты ФВ, которые, как правило, не должны превышать 0,5x0,5 0 с учетом возможности размещения их в полотнах с периодом не более (0,7-0,8) о; минимальные потери СВЧ энергии в волноводных элементах ФВ; система охлаждения, которая должна обеспечивать работу на заданной средней мощности. Снижение потерь СВЧ мощности и энергии, затрачиваемой на переключение фазы, обеспечивает решение одной из сложнейших проблем в конструировании передающих ФАР — отвод тепла от фазовращающих элементов и стабилизацию их температуры.

Основными недостатками электрически управляемых антенн с ферритовыми, полупроводниковыми, сегнетоэлектрическими фазовращателями являются нестабильность (особенно температурная) и неидентичность отражений от фазовращателей, сложность управляющих схем и высокие требования к стабильности источников питания фазовращателей.

Указанные недостатки в значительной степени устраняются при коммутационном методе управления ДН решетки.

Сущность коммутационного метода состоит в отказе от проходных фазовращателей с непрерывным изменением фазы и использовании коммутаторов коммутационных ФВ, на выходе которых фаза электромагнитных колебаний принимает определенные фиксированные значения. Управление лучом антенны сводится в этом случае к простейшим операциям включения и выключения излучателей или ветвей фидерной системы.

Недостатком коммутационных антенн является наличие фазовых ошибок, определяемых тем, что фазы возбуждения излучателей меняются скачком и могут принимать только определенные значения. Это влечет за собой снижение КНД антенны, увеличение уровня бокового излучения и скачкообразное перемещение луча.

Выбираем коммутационные ФВ, управляющим элементом которых является резонансная щель, которая коммутируется парой pin- диодов (рис. 1.1). Наличие диодов эквивалентно включению в центр щели емкости. Поэтому щель необходимо укоротить на 25% от резонансной длины щели без диодов.




Рис. 1.1.


Коммутируемые резонансные щели используются в ФВ отражательного типа. Он состоит из закороченного на одном конце волновода, в котором на определенном расстоянии друг от друга расположены поперечные перегородки с коммутируемыми щелями. Приходящая со стороны незакороченного конца волновода электромагнитная волна отражается от одной из перегородок с замкнутой, с помощью пары диодов, щелью. При этом диоды в других перегородках обесточены.



















































2. Электрическая схема.


В
ыбираем схему с последовательным распределением мощности и параллельным включением фазовращателей (рис. 2.1.). В такой схеме потери в антенне складываются из потерь в одном фазовращателе и мощности, рассеиваемой в нагрузке питающего фидера. Распределение мощности производится с помощью направленных ответвителей.


Рис. 2.1.

3. Расчетная часть

3.1. Определение геометрических характеристик ФАР.


По заданному закону распределения (косинус на пьедестале) из табл. 2.1 {1} находим:

  • ширина диаграммы направленности (ДН) на уровне половинной мощности заданна:

;

- УБЛ1= -17,6 дБ.

По исходным данным , находим длину решетки:

;

где - расстояние между излучателями в решетке;

- угол сканирования.

Преобразовав выражение (3.4) и подставив значения находим:

.

Примем .

Число излучателей N:


3.2. Расчет размеров единичного излучателя решетки и выбор волновода.

Для начала рассчитаем размеры волновода. Размеры волновода выбираются исходя из следующих условий:

,

;

где и - размеры широкой и узкой стенки волновода, соответственно.

Исходя из (3.6) и (3.7), находим:

Выбираем волновод размерами 3520 мм, толщина стенок 1 мм.

Далее проверяем условия размещения:

Число получились меньше рассчитанного в предыдущем пункте, следовательно все волноводы можно разместить на длину решетки.

Далее рассчитаем минимально допустимую длину волновода, чтобы высшие типы волн не искажали распределение поля основной волны в раскрыве волновода.


Выбираем материал стержня –полистирол (диэлектрическая проницаемость =2,5)

Минимальная диаметр стержня:

;

Максимальная диаметр стержня:

;

Средний диаметр стержня:

По рис. 17.3 {2} найдем коэф. замедления =1,2.

Оптимальная длинна стержня:

















3.3. Расчет диаграммы направленности.

3.3.1 ДН единичного излучателя.


ДН единичного излучателя:




3.3.2. ДН множителя решетки.

Для однорядной решетки с АФР косинус на пьедестале:

.

ДН множителя решетки представлена ниже:


3.3.3. ДН антенной решетки.

ДН решетки находятся по следующей формуле:


;

где - ДН одиночного излучателя;

- ДН множителя решетки.


На рисунке (3.4) представлена ДН решетки



3.4. Расчет КНД антенны.

КНД одиночного излучателя находится по следующей формуле:

.

Тогда КНД всей решетки:

.


3.5. Расчет согласования антенны.


Таблица

Элементы конструкции

КБВ

Коэффициент отражения

Фланец

0,98

0,01

Фазовращатель

0,93

0,036

Перход круглого сечения на прямоугольное

0,91

0,47

Направленный ответвитель

0,94

0,03






Модуль суммарного коэффициента отражения

;

где - модуль коэффициента отражения от -ой неоднородности;

-параметр, зависящий от вероятности величины .

Вероятности соответствует .

.

Тогда .

КБВ выше минимально допустимой величины, следовательно дополнительного согласования не требуется.


3.6. Определение относительной мощности распределения и коэффициентов связи.

Распределение по мощности для n- го излучателя:

.

;

где - отношение мощности, поглощаемой в нагрузке к мощности на входе антенны.

Примем мощность на входе