ФАР. Линейная фазированная
![]()
|
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 ![]() ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() 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 ![]() ![]() 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 ![]() ![]() 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
Модуль суммарного коэффициента отражения ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() Вероятности ![]() ![]() ![]() 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 ![]() Примем мощность на входе ![]() ![]() 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 ![]() ![]() ![]() 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 ![]() ![]() где ![]() Подставив в (3.21) численные значения получим: ![]() Допустимая (рабочая) мощность: ![]() ![]() Наибольшая вероятность пробоя у питающего волновода. Поскольку ![]() 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.
|