ФАР. Линейная фазированная
 Скачать 0.93 Mb.
|
|
Московский Авиационный Институт (Технический университет). Курсовая работаНа тему: Линейная фазированная антенная решетка с диэлектрическими излучателями. ВыполнилПроверил: Москва 2001 г. Содержание: Введение. 3 1.Выбор типа фазовращателя. 7 3. Расчетная часть 10 3.1. Определение геометрических характеристик ФАР. 10 3.2. Расчет размеров единичного излучателя решетки и выбор волновода. 10 Выбираем материал стержня –полистирол (диэлектрическая проницаемость =2,5) 10 3.3. Расчет диаграммы направленности. 12 3.4. Расчет КНД антенны. 13 3.5. Расчет согласования антенны. 13 3.6. Определение относительной мощности распределения и коэффициентов связи. 14 3.7. Определение КПД антенны. 15 3.8. Расчет предельной и допустимой мощностей. 15 4.1. Направленный ответвитель. 16 Литература. 17 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.
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 часть3.1. Определение геометрических характеристик ФАР.По заданному закону распределения (косинус на пьедестале) из табл. 2.1 {1} находим:
 ; - 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:  |
.
; 
- ДН одиночного излучателя;
- ДН множителя решетки.
.
. | 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
, а 
(для получения наибольшего коэффициента усиления).Распределение имеет следующую форму:
.Коэффициенты связи определим по формуле:
Результаты вычисления представлены ниже:
3.7. Определение КПД антенны.
КПД решетки можно определить по следующей формуле:
; где
- излучаемая мощность;
- мощность на входе антенны;
- число излучателей в решетке.3.8. Расчет предельной и допустимой мощностей.
Предельной называют наибольшую мощность, которою можно передать в однородной линии передач без электрического пробоя.
Для прямоугольного волновода с волной
:
; (3.21)где
- предельная напряженность поля для воздуха при нормальном атмосферном давлении, нормальной ионизации и нормальной температуре.Подставив в (3.21) численные значения получим:
.Допустимая (рабочая) мощность:
; (3.22)
.Наибольшая вероятность пробоя у питающего волновода. Поскольку
, то наша конструкция проходит по мощности.Т. к. антенна устанавливается на борту корабля, то необходимо предусмотреть средства защиты от внешних воздействий. Эту защиту обеспечит радиопрозрачный обтекатель.
4. Описание конструкции
В качестве одиночного излучателя излучающего элемента выбираем конический стержень из полистирола. Управление положением луча остронаправленной антенной решетки осуществляется изменением фазовых соотношений между токами в излучающих элементах. Для этой цели используют систему ФВ, включенных в фидерную систему, возбуждающую излучатели. За счет направленных ответвителей извлеченная из питающего волновода энергия направляется в сторону фазовращателя , включенного в фидерную систему. Отраженная волна через волноводы возбуждает диэлектрический стержень. Для обеспечения надежного электрического контакта между соединяемыми устройствами используем притертые фланцы.
4.1. Направленный ответвитель.
Направленный ответвитель – это элемент излучающего модуля, от свойств которого существенно зависят характеристики самого модуля.
С
хема крестообразного направленного ответвителя показана на рисунке 4.1.
Рис 4.1.
Расстояние от стенок волноводов до центра отвевителя:
;Литература.
Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского. М: Радио и связь,1981.
Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского. М: Советское радио,1972.
Справочник по элементам волноводной техники. А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич. М.-Л. Госэнергоиздат, 1963.
Антенны и устройства СВЧ Д.М. Сазонов. М.: Высшая школа, 1988.