Методические указания к фар. Линейная фар проходного типа с квазиоптическим возбуждением

• Название: Линейная фар проходного типа с квазиоптическим возбуждением
• Анкор: Методические указания к фар
• Дата: 24.03.2023
• Размер: 498.5 Kb.
• Имя файла: FAR2.doc
• Тип: Методическое пособие; #1012794

Московский Государственный Технический Университет

им.Н.Э.Баумана

Методическое пособие

по выполнению курсового проекта по предмету:

«Антенны и устройства СВЧ»

на тему:

«Линейная ФАР проходного типа с квазиоптическим возбуждением»

Москва 2001 год

Содержание.

1. 
   Введение………….……………………………………3 стр.
   

2. Общие соотношения…………………………………3 стр.

3. 
   Таблица №1……………………………………………9 стр.
   
4. 
   Построение электрических характеристик
   

антенной решетки……………………….…………..10 стр.

3. 
   Приложение №1 (пример оформления записки
   

к проекту)……………………………………………..14 стр.

3. 
   Приложение №2 (пример выполнения графической
   

части проекта)……………………………………31 стр.

Введение
В настоящее время широкое распространение получили остронаправленные сканирующие антенны СВЧ. Сканирование позволяет осуществлять обзор окружающего пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. Замена слабонаправленных или ненаправленных антенн остронаправленными сканирующими антеннами позволяет получить не только энергетический выигрыш в системе благодаря возрастанию коэффициента усиления антенны, но и в ряде случаев ослабить взаимное влияние одновременно работающих различных радиотехнических систем, т.е обеспечить электромагнитную совместимость этих систем.

Применение фазированных антенных решеток (ФАР) для создания сканирующих остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению получаемой информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн в окружающем пространстве.

В ФАР, выполненных по проходной схеме, в режиме передачи специальный облучатель направляет излучаемую мощность на собирающую антенную решетку приемных элементов. Принятая мощность проходит через систему фазовращателей и после фазирования излучается в нужном направлении другой решеткой излучающих элементов. В режиме приема происходит обратное. Между приемными элементами и фазовращателями иногда включают дополнительные отрезки линий, уравнивающие электрическую длину пути сигналов до различных элементов излучающей решетки. По принципу действия проходная ФАР эквивалентна линзе с принудительным ходом лучей и с электрически управляемым фазовым распределением возбуждения в раскрыве.
Общие соотношения.
По своей структуре ФАР проходного типа состоит из следующих составных частей:

1. 
   Возбуждающее устройство. Служит для возбуждения волн в приемном полотне антенной решетки.
   
2. 
   Распределительное устройство. Служит для распределения волн между приемными элементами.
   
3. 
   Приемные элементы. Служат для приема колебаний в распределительной системе и для дальнейшей передачи колебаний на систему фазовращателей.
   
4. 
   Фазовращатели. Служат для управления фазовым сдвигом волны и, соответственно, для управления углом отклонения луча диаграммы направленности (ДН).
   
5. 
   Излучатели. Служат для передачи электромагнитных колебаний во внешнее пространство после придания фазового сдвига в каждом элементе распределительной системы.
   

Задание на курсовой проект содержит следующие основные параметры:

1.Рабочая длина волны.

2.Ширина ДН в плоскости сканирования.

3.Ширина ДН в ортогональной плоскости.

4.Сектор сканирования.

Эти параметры являются основными при проектировании ФАР. Также могут быть заданы УБЛ (уровень боковых лепестков) для вертикальной и горизонтальной плоскостей, поляризация волны.

Если эти параметры не присутствуют в ТЗ (техническое задание), то следует задаться ими в дальнейшем.

Начинать проектирование ФАР следует с определения периода решетки, зная угол сканирования, из следующего соотношения:

,

где :

d-период решетки ; -угол сканирования ; -длина волны.

Это требование обусловлено тем, что в зоне видимости антенной решетки должен находиться только один максимум (его еще называют главным) как при не повернутой ДН, так и при отклонении луча на угол сканирования.

Зная ширину ДН в плоскости сканирования, можно найти длину раскрыва в этой плоскости. Но прежде, как было сказано выше, нужно задаться амплитудным распределением в раскрыве антенной решетки (Таблица №1), задаться поляризацией и выбрать тип излучателей, которые и будут формировать ДН в плоскости сканирования и ортогональной плоскости.

Например, зададимся горизонтальной поляризацией, выберем в качестве излучателей - рупоры (рупоры будут H-секториальные из-за выбранной поляризации). В качестве излучателей ФАР также могут быть взяты диэлектрические стержни, спиральные антенны и многие другие антенны. Основное требование к излучателям ФАР, чтобы они были слабонаправленные и обеспечивали высокий КУ (коэффициент усиления) во всем секторе сканирования.

Задавшись типом излучателей и амплитудным распределением (Таблица №1) в раскрыве ФАР в плоскости сканирования, можно найти длину раскрыва ФАР и тем самым определить число элементарных излучателей (в примере – H-секториальные рупоры). Длина раскрыва, для случая равномерного распределения вдоль узкой стенки рупора, будет определяться из соотношения:
,
где : -ширина ДН в плоскости сканирования выраженная в градусах,

k_a –коэффициент равный 0,88 для равномерного амплитудного распределения или 1,2 для распределения близкого к .

Определив L, можно определить число излучателей в раскрыве решетки :

Значение N следует округлить до целого числа в большую сторону и затем уточнить длину раскрыва.

Далее необходимо определить все размеры излучателей и из справочника подобрать для данной частоты колебаний стандартный волновод (для данного примера). Так же следует определить ширину вертикальной стенки в раскрыве рупора. Ширина этой стенки и будет определять ширину ДН в ортогональной плоскости. Определяют ее исходя из выбранного амплитудного распределения вдоль данной стенки, что определяется поляризацией пля в рупоре (например, если поляризация горизонтальная то амплитуда изменяется в соответствии с законом ).

,
где - ширина ДН в ортогональной плоскости.
Далее необходимо построить ДН единичного излучателя в ортогональной плоскости и в плоскости сканирования. Примерный их вид для нашего случая такой:





в ортогональной плоскости:

в плоскости сканирования:



По этим первой ДН можно определить ширину ДН антенной решетки в ортогональной плоскости, УБЛ в ортогональной плоскости.
В качестве приемных элементов в решетке можно взять открытые концы волноводов (в данном примере). И тогда для согласования волны в распределительной системе с волной в приемных элементах, можно воспользоваться диэлектрическими вставками. Диэлектрическую проницаемость этой вставки необходимо выбирать так, чтобы в волноводе не возникало высших типов волн, т.е. чтобы длина волны в диэлектрике не превысила критической длины волны для данного волновода.

Выражение для критической длины волны типа H₁₀:


Выражение для критической длины волны типа H₂₀:


Выражение для длины волны типа H₁₀ в диэлектрике:



Выражение для длины волны типа H₂₀ в диэлектрике:


Задавшись приемными элементами и излучающими элементами, необходимо выбрать вид фазовращателей. От выбора вида фазовращателей зависит очень многое, в частности: КПД всей антенной решетки, КНД решетки, а следовательно и КУ. КПД решетки зачастую определяется только потерями, вносимыми фазовращателями.

В данном примере фазовращатели выбираются дискретные двухмодовые проходного типа. Выбирается дискрет регулировки фазы равный /16.

Т.к. решетка выполняется по проходной технологии, то для уменьшения потерь рассеяния и для увеличения КНД решетки всю антенну помещают в рупор, который и является распределительной системой. Необходимо задаться расстоянием от раскрыва приемной части антенны до фазового центра данного рупора (f). Его значение выбирается из интервала (L/2;L). Значение f будет определять амплитудное распределение в раскрыве антенной решетки вдоль длины раскрыва. Это распределение не будет равномерным из-за разности расстояний до точек раскрыва в середине антенной решетки и по краям. И оно будет близко к 1/r(n), где r(n)- расстояние до n-го элемента решетки.

Примерный вид амплитудного распределения:




Из амплитудного распределения можно сказать, что оно является спадающим к краям раскрыва антенной решетки. Из этих соображений выбирается коэффициент использования поверхности (КИП) (Таблица №1), который будет определять КНД решетки. Для данного амплитудного распределения можно принять КИП равным 0.97.
КНД решетки определяется следующим соотношением:

,

где - коэффициент, учитывающий дискретность регулировки фазы

с - коэффициент, зависящий от дисперсии амплитудных и фазовых ошибок


- суммарная дисперсия амплитудных и фазовых ошибок. Принимается из интервала (0.2;0.3).
S - площадь раскрыва антенной решетки
g
- коэффициент использования поверхности

Примерный вид зависимости КНД от угла поворота луча в пределах сектора сканирования:


Таблица №1.

Конфигурация поверхности	Амплитудное распределение			УБЛ, дБ	КИП g
Прямоугольная	I( x` )=Io=Const			-13.2	1
Прямоугольная				-17.1	0.97
Прямоугольная				-20.6	0.883
Прямоугольная				-23.5	0.81
Прямоугольная				-32.0	0.667
Круглая				-17.6	1
Круглая				-24.6	0.75
Круглая				-30.6	0.56
Круглая					0.36

x`-текущая координата прямоугольного раскрыва,

Io-амплитуда тока в прямоугольном раскрыве,

а-ширина стенки прямоугольного раскрыва,

D-диаметр круглого раскрыва,

-текущая координата в круглом раскрыве
Построение электрических характеристик антенной решетки.

В расчетно-пояснительной записке должны быть представлены следующие графики:

1. 
   ДН в плоскости сканирования при не отклоненном луче.
   
2. 
   Фазовая ДН при не отклоненном луче.
   
3. 
   ДН в плоскости сканирования при отклонении луча на угол сканирования.
   
4. 
   Фазовая ДН при отклонении луча на угол сканирования.
   
5. 
   ДН в плоскости сканирования при отклонении луча на промежуточный угол.
   
6. 
   Фазовая ДН при отклонении луча на промежуточный угол.
   
7. 
   Законы изменения фазы на фазовращателях также в трех случаях.
   

Чтобы построить все выше перечисленные графики, необходимо рассчитать фазу, выставляемую в фазовращателях. Необходимо сделать значение фазы не больше чем и учесть дискретность регулировки фазы в фазовращателях.

Формула для идеального фазирования имеет вид:
,
где: k-волновое число, n-текущий номер излучателя, d-период решетки, -текущий угол отклонения луча,
,

Первое слагаемое в выражении для случая идеального фазирования учитывает исходное фазовое распределение, создаваемое возбудителем; второе слагаемое учитывает разность электрических длин до элементов при отклонении луча.

Фаза волны в фазовращателе может меняться в пределах от 0 до и чтобы это обстоятельство учесть можно воспользоваться выражением:
,
где E-целая часть числа в скобках.

Учет дискретности регулировки фазы на фазовращателях учитывается следующим соотношением:
,

где: -шаг регулировки фазы на фазовращателях, -фаза с учетом вычета четного числа оборотов, E-целая часть числа в скобках
Таким образом ДН антенной решетки с учетом дискретности регулировки фазы и дискретности расположения излучателей в раскрыве решетки будет иметь вид:
,
где: i-мнимая единица, -ДН единичного излучателя (например - рупора)
Фазовая диаграмма направленности - это аргумент выражения для .

Амплитудная диаграмма направленности – это модуль

Закон изменения фазы на фазовращателях – это зависимость от номера фазовращателя, т.е. от n.
Литература.

1. 
   Антенны и устройства СВЧ Под ред. Д.И. Воскресенского.  М.: Радио и связь, 1999.
   
2. 
   Антенны и устройства СВЧ (проектирование ФАР) Под ред. Д.И. Воскресенского.  М.: Радио и связь, 1994.
   
3. 
   Антенны и устройства СВЧ(проектирование антенных решеток): Учебн. пособие для вузов. Д. И. Воскресенский, Р. А. Грановская, Н. С. Давыдова и др. / Под ред. Д. И. Воскресенского .- М.: Радио и связь, 1981, 432 с., ил.
   
4. 
   Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов. Сазонов Д. М.- М.: Высш. шк., 1988.-432 с.:ил.
   
5. 
   Расчет и конструирование ферритовых фазовращателей фазированных антенных решеток: Учебное пособие / Н. А. Бей, Г. О. Казанчев, В. Л. Хандамиров и др.: Под ред. Н. А. Бей. - М.: Изд-во МГТУ , 1990. - 52 с., ил.