Расчет ФАР на диэлектрических излучателях. курсовая расчет диэлектр фар. Техническое задание Разработать систему диэлектрических излучателей для фазированной антенной решётки, работающей в диапазоне частот f (340,5) ггц, сканирующей в секторе 2

• Название: Техническое задание Разработать систему диэлектрических излучателей для фазированной антенной решётки, работающей в диапазоне частот f (340,5) ггц, сканирующей в секторе 2
• Анкор: Расчет ФАР на диэлектрических излучателях
• Дата: 29.06.2022
• Размер: 0.53 Mb.
• Имя файла: курсовая расчет диэлектр фар.docx
• Тип: Техническое задание; #619735

Техническое задание

Разработать систему диэлектрических излучателей для фазированной антенной решётки, работающей в диапазоне частот f = (34±0,5) ГГц, сканирующей в секторе 2Ɵ₀=±45º в однолучевом режим, с уровнем боковых лепестков диаграммы направленности меньше или равно -22,5 дБ. Ширина луча 2θ_0.5=1,5º.

Вводимые обозначения и сокращения

АР – антенная решетка

ДН – диаграмма направленности

КНД – коэффициент направленного действия

КУ – коэффициент усиления

СВЧ – сверх высокая частота

ОФАР – отражательная фазированная антенная решетка

ФАР – фазированная антенная решетка

Введение

В антенной технике наряду с одиночными антеннами, такими как вибраторные, щелевые, рупорные, зеркальные, линзовые и другие, широко используются сложные антенные системы, состоящие из совокупности антенн, возбуждаемых от одного или нескольких когерентных источников. Такие антенные системы называются антенными решетками, а образующие их антенны — излучателями или элементами антенных решеток.

При построении антенной решетки могут преследоваться и достигаться различные цели. Во-первых, с помощью антенной решетки слабонаправленных излучателей можно сформировать более узкую, чем у одиночных излучателей диаграмму направленности.

Во-вторых, подбирая определённым образом амплитуды и фазы токов или полей возбуждения отдельных излучателей, можно с помощью антенной решетки сформировать диаграмму направленности специальной формы.

Наконец, в-третьих, при использовании антенной решетки оказывается возможным управление положением луча антенны в пространстве с высокой скорость. Это достигается благодаря применению быстродействующих фазовращателей с электронным управлением, таких как ферритовые и полупроводниковые.

Антенные решетки, в которых используются системы фазовращателей, называют фазированными антенными решетками — ФАР.

Классификацию антенных решеток проводят в зависимости от расположения излучателей в пространстве, размещения их в решетке, шага решетки, способа возбуждения и сканирования, а также типа применяемого излучателя. Различают линейные, криволинейные, плоские, цилиндрические, конические и сферические ФАР.

Среди известных схем возбуждения апертурных антенн и многоэлементных фазированных антенных решеток предпочтение отдается системам с пространственным возбуждением в силу простоты их практической реализации. При создании ФАР с пространственным возбуждением возможны две реализации схем построения: проходная и отражательная.

Часть 1. Антенная решетка

1. Выбор схемы построения решетки.

Активные фазированные антенные решетки – это антенны, в которых излучаемая мощность генерируется многими приемо-передающими модулями небольшой мощности, расположенными непосредственно в антенне.

Активные антенны обычно представляют собой фазированные антенные решетки, в которых, вместо одного мощного генератора или усилителя мощности, каждый излучающий элемент имеет свой небольшой усилитель непосредственно в антенне. Такая схема имеет преимущество, состоящее в том, что фазовращатели в этом случае работают с сигналами небольшой мощности.

Пассивные фазированные антенные решетки подразделяются на:



Волноводное возбуждение – наиболее применяемый способ питания антенн с пассивными фазированными решетками. Для волноводного возбуждения необходимы волноводные тракты, волноводные линии (коаксиальные волноводы) или полосковые линии для канализации мощности.

Метод пространственного (оптического, «эфирного») возбуждения применяется намного реже. В этом случае элементы антенной решетки возбуждаются падающей на них волной от первичного рупорного облучателя. Мощность передатчика принимается элементами антенной решетки, преобразуется по фазе в каждом из них и вновь излучается.

В целях упрощения расчетов и самой конструкции решетки остановимся на ФАР с пространственным возбуждением.

Пространственное (оптическое) возбуждение (Рис.1.1) может рассматриваться как нечто среднее между параллельным возбуждением и последовательным возбуждением с центральным питанием. При очень большом фокусном расстоянии пространственное возбуждение приближается к параллельному возбуждению. При очень коротком фокусном расстоянии пространственное возбуждение приближается к последовательному возбуждению с центральным питанием, поскольку в таком случае расстояния от облучателя до отдельных излучающих элементов решетки существенно отличаются. В решетках излучающего типа облучатель (первичный излучатель) размещается позади решетки, которая в данном случае играет роль линзы. Таким образом, облучатель не создает затенения полотна антенной решетки. Но сама конструкция накладывает свои требования к креплению излучателей — обе стороны линзы должны быть открыты, а значит прокладка систем управления фазой может быть только между креплений излучателей. В миллиметровом диапазоне шаг ячейки решетки становится крайне мал, что усложняет проектирование и прокладку проводов.

Рис. 1.1 Схема построения проходной ФАР

При пространственном возбуждении отражательного типа пространство позади антенны может использоваться для размещения модулей аппаратуры (например, модулей управления фазовращателями и источников питания). Однако при таком типе возбуждения излучатель размещается перед полотном антенной решетки, что приводит к возникновению нежелательных эффектов. Он затеняет антенную решетку именно на основном направлении ее диаграммы и, кроме того, вновь принимает переизлученную решеткой энергию. Это приводит к возникновению стоячей волны в системе питания антенны!

Этого избежать нельзя, излучатель должен находиться где-то по центру антенной решетки, поскольку в ином случае вследствие разных длин путей распространения будут возникать разные фазовые набеги волны, падающей на разные излучающие элементы.

Рис. 1.2. Схема построения отражательной ФАР

Так как в работе длинны волн миллиметрового диапазона, то выбор системы ФАР отражательного типа будет самым оптимальным. Данное решение позволит задействовать все свободное пространство за системой излучателей и упростит конструкцию.

2. Расчет размеров и характеристик антенной решетки

Размеры и форма антенной решетки выбираются из заданной ширины главного лепестка формируемой ДН по уровню половинной мощности и требуемого уровня боковых лепестков.

ФАР должна сканировать лучом шириной 2𝜃_0.5 = 1,5° с уровнем боковых лепестков не выше -22,5 дБ. Найдем диапазон длин волн, на котором будет работать система



Далее будем использовать среднее значение 𝜆 = 8,82 мм.

Схему размещения излучателей в антенной решетке выберем типа треугольник. Так как данная схема построения более выгона по количеству излучателей, по сравнению с другими.



Рис.1.3. Гексагональная сетка расположения излучателей

В этом случае шаг решетки выбирается из условия







Для сектора сканирования луча 2𝜃₀ = ±45° это значение не должно превышать 𝑑Δ = 0,676𝜆 ≈ 5,97 мм.

Вследствие выбора гексагональной сетки при предварительном расчете

полотно решетки заменяется на эквивалентный круглый раскрыв диаметром 2R.

Воспользуемся таблицей на Рис.1.4. и Рис.1.5. для определения множителя диаграммы направленности и амплитудного распределения антенной решетки.



Рис. 1.4. Характеристики антенны при круглом амплитудном распределении



Рис.1.5. Множитель АР для круглого амплитудного распределения

Для расчетов используем характеристики, соответствующие уровню боковых лепестков минус 24,2 дБ. Тогда амплитудное распределение поля в раскрыве, создаваемое облучателем в виде конического рупора, будет описываться функцией



где Δ=0,1 — характеризует поля на краю раскрыва.

– относительная координата раскрыва, 0 ≤ ξ ≤ 1

Выбранное амплитудное распределение в раскрыве соответствует множителю решетки, рассчитываемому по формуле



Где Λ_i(u) – лямбда-функция i-го порядка, связанная с функцией Бесселя.





где J_n(i,u(θ)) ­­– корень функции Бесселя i-го порядка.

u = kRsin(θ),

где θ – осью антенны и направлением, в которое отклонился луч.

На рисунке Рис.1.6. представлен график диаграммы направленности антенной решетки:



Рис1.6. Множитель ДН антенной решетки

Так же из таблицы на рисунке 1.4. найдем диаметр излучающего полотна:

Часть 2. Исследование излучателей

2.1 Выбор и расчет излучателя

Выбранная отражательная схема возбуждения антенной решетки позволяет выбрать диаметр излучателя приблизительно равный шагу антенной решетки 𝑑Δ. Количество излучателей N можно найти из соотношения площадей полотна решетки и одного излучателя



В качестве излучателя выберем диэлектрическую стержневую антенну. Она относится к классу антенн бегущей волны. Один стержень позволяет получить диаграмму направленности шириной 2𝜃_0,5𝑝 ≥ 20° - 25°.

В работе будем использовать коническую диэлектрическую стержневую антенну, направляющим элементом которой является диэлектрический стержень с поперечным сечением круглой формы, возбуждаемую открытым концом круглого волновода (Рис.2.1.).



Рис.2.1. Коническая диэлектрическая стержневая антенна

На рисунке представлены диэлектрический стержень 1 и открытый конец волновода 2-3.

У диэлектрической стержневой антенны направляющим элементом поверхностной волны является диэлектрический стержень, а ее возбудителем - либо электрический вибратор, представляющий собой конец внутреннего провода коаксиального кабеля, вводимый в стержень перпендикулярно к его оси, либо металлический волновод.

Обычно используются диэлектрические стержни в виде усеченного конуса, при этом улучшаются условия согласования антенны со свободным пространством и волноводом. К числу преимуществ диэлектрических стержневых антенн относится простота их конструкции, а к числу недостатков - малая мощность излучения и относительно невысокий КПД вследствие потерь в диэлектрике.

Для приблизительного расчета диаграммы направленности идеальной диэлектрической стержневой антенны используют формулы:



где N_E и N_H — нормирующие множители.





При использовании этих формул не учитывались излучение непосредственно от возбуждающего волновода, отражение волны от конца стержня. Использовалось равномерное амплитудное распределение вдоль оси Oz. Графики полученных диаграмм направленности идеальных излучателей представлены на Рис.2.2. и Рис.2.3.



Рис.2.2. ДН идеального излучателя в плоскости волны Е



Рис.2.3. ДН идеального излучателя в плоскости Н

Рассчитаем диэлектрическую стержневую антенну, соответствующую требуемой антенной решетке. Упрощенный вид излучателя представлен на Рис. 2.4.



Рис.2.4. Диэлектрический стержень

В качестве диэлектрического материала выбираем полистирол, для которого диэлектрическая проницаемость равна 𝜀 = 2,4-2,6. Возьмем 𝜀 = 2,54 из справочника для частоты 10 ГГц.

Определим максимальный и минимальный диаметры конического стержня.





Среднее значение, равное значению толщины стержня в середине (среднее значение) вычисляется как:



Данное значение будет использоваться для дальнейших расчетов, так как расчет цилиндрического стержня со значением средней толщины от конического, имеет незначительную погрешность.

Коэффициент замедления γ волны в материале стержня рассчитывается как отношение скорости света к фазовой скорости распространения волны в материале. Зная диаметр стержня, диэлектрическую проницаемость и длину волны, найдем по рисунку 2.5. коэффициент γ.



Рис.2.5. График изменения фазовой скорости волны от параметров диэлектрического стержня



Максимальный коэффициент направленного действия антенны достигается при длине стержня, равной:



Выражение для расчета диаграммы направленности имеет такой же вид, как и для линейной антенны бегущей волны с непрерывным распределением излучающих элементов. Характеристику направленности можно рассчитать по формуле:





где N_E и N_H — нормирующие множители ДН в направлении главного лепестка.

На рисунке Рис.2.6. и Рис.2.7. данные диаграммы представлены графически.



Рис.2.6. Диаграмма направленности излучателя в плоскости Е



Рис.2.7. Диаграмма направленности излучателя в плоскости Н

По теореме перемножений диаграмм направленностей найдем ДН антенной решетки, состоящей из рассчитанных излучателей с учетом амплитудного распределения поля:



Уровень боковых лепестков не должен превышать -22,5 дБ. Штриховая линия на графике отображает это значение, переведенное в разы по формуле: