Содержание
Введение
1. Излучатель антенной решетки
Общая характеристика излучателя
Расчет диаграммы направленности вибратора
Выбор конструкции вибратора и схемы питания
2. Антенная решетка системы излучателей
Расчет диаграммы направленности
Геометрия антенной решетки
Расчет параметров решетки при заданном максимальном секторесканирования
Заключение
Список литературы
Введение
Антенные решетки — наиболее эффективные и перспективные антенныесистемы, позволяющие осуществлять быстрый обзор пространства, многофункциональныйрежим работы, комплексирование радиосредств, адаптацию к конкретной радио обстановки,предварительную обработку сверхвысокочастотных сигналов, обеспечение электромагнитнойсовместимости и т.д. Антенная решетка, обеспечивающая излучение и прием радиоволн,- неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Требования к техническим характеристикамантенн вытекают из назначения радиосистемы, условий размещения, режима работы, допустимыхзатрат и т.д. Реализуемость необходимых направленных свойств, помехозащищенности,частотных, энергетических и других характеристик антенн во многом зависит от рабочегодиапазона волн.
Решетки обладают рядом интересных и полезных свойств. Кроме возможностиполучения узкой DH и большого КНД, решетки дают возможность, например, изменятьположение DH в пространстве без изменения положения самой решетки и отдельных еечастей.
Антенны СВЧ широко применяют в различных областях радиоэлектроники- связи, телевидении, радиолокации, радиоуправлении, а также в системах инструментальнойпосадки летательных аппаратов, радиоэлектронного противодействия, радио взрывателей,радио телеметрии и др. Успешное развитие радиоастрономии и освоение космоса во многомсвязаны с достижениями антенной техники СВЧ. В последние годы намечаются новые областииспользования СВЧ антенной техники, например для передачи СВЧ энергии на большиерасстояния.
Применение ФАР для построения сканирующих остронаправленных антеннпозволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличениюобъема информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитныхволн (ЭМВ) в окружающем пространстве.
Характерной особенностью современных антенн является их многообразие(непрерывно появляются новые типы). В соответствии с решаемыми радиотехническойсистемой задачами антенны СВЧ, работающие в дециметровом, сантиметровом или миллиметровомдиапазонах волн, имеют принципиально различные характеристики и отличаются конструкцией,технологией изготовления, эксплуатацией и т.д.
1. Излучатель антенной решеткиОбщая характеристика излучателя
В качестве излучателей антенной решетки используются вибраторы,открытые концы волноводов, диэлектрические стержни, спирали, щели и др.Вибраторныеизлучатели в АР обычно располагают над плоской проводящей поверхностью, играющейроль экрана и предотвращающей обратное излучение. Теоретические и экспериментальныеисследования показывают, что на характеристики вибраторного излучателя в составеАР сильнее всего влияют два фактора: их размещение в решетке и положение относительнопроводящего экрана. Уменьшение шага решетки позволяет не только подавить высшиедифракционные максимумы, но и улучшить их согласование в широком секторе углов сканирования.Изменение высоты вибраторного излучателя над экраном приводит к улучшению согласованияв крайних положениях луча при сканировании в плоскостях Е и Н.
Направленные свойства любой антенны характеризуются ДН и КНД.Диаграмма направленности вибратора зависит от его длины и является поверхностьювращения, ось которой совпадает с осью вибратора. На КНД вибратора влияют два основныхфактора: ширина главного лепестка ДН и уровень боковых лепестков.
Очень важным параметром любой антенны является входное сопротивление.В общем случае это комплексная величина. Входное сопротивление симметричного вибраторанаходим по формуле:
Zвх = Rвх + iXвх;
где Rвх — активная составляющая входного сопротивления,
iXвх — реактивная составляющая входногосопротивления. Величина активной и реактивной составляющих входного сопротивлениязависит от длины и волнового сопротивления вибратора. Максимумы Rвх наблюдаютсяпри L/λ, кратных 0.5.Поэтому придлине вибратора, кратной 0,25λ наблюдаетсяпоследовательный, а при L = n *λ /2 — параллельный резонанс. Чем быстрее меняется Zвх при изменениичастоты колебаний, тем хуже диапазонные свойства вибратора, которые зависят от еготолщины. Чем толще вибратор, тем медленнее изменяется Zвх при изменении частоты.Добротность одного и того же вибратора на параллельном резонансе примерно в восемьраз больше, чем на последовательном. Кроме того добротность зависит от волновогосопротивления вибратора: чем больше волновое сопротивление, тем больше добротность.Волновое сопротивление вибратора, в свою очередь, зависит от толщины вибратора:чем толще вибратор.тем меньше волновое сопротивление. Таким образом, при увеличениитолщины вибратора уменьшается его добротность и, следовательно, улучшаются его диапазонныесвойства.
Наиболее широко используемыми типами симметричных вибраторныхизлучателей являются:
1) Тонкий цилиндрический вибратор диаметром 2а
2) Широкополосный вибратор. В широкополосных вибраторах для соединениякоаксиального питающего фидера с воздушной полосковой линией длиной λ/4 использован экспоненциальный переход. Эти вибраторы обладаютповышенной электрической прочностью.
3) Изогнутый вибратор. Он имеет более широкую ДН в Е — плоскости,что позволяет получить большой сектор сканирования АР. В качестве направленных вибраторныхизлучателей в АР с ограниченным сектором сканирования используются антенны типаволновой канал.
4) Электрические (Н — образные) вибраторы. Для настройки их врезонанс используются поперечные плечи. Такие вибраторы имеют уменьшенную поверхностьрассеяния, и их использование целесообразно при построении совмещенных в одной апертуреразночастотных вибраторных АР, так как взаимные искажения ДН получаются при этомминимальными.
5) Печатные вибраторные излучатели. Они обладают высокой технологичностью,компактностью, конструктивной жесткостью и перспективны для АР, устанавливаемыена подвижных объектах.
6) Коротко замкнутые вибраторы, или диполи. Широко применяютсяв последнее время при создании частотно — и поляризационно-селективных пространственныхструктур или фильтров. Они используются для обеспечения ЭМС близко расположенныхантенн, уменьшения уровня боковых лепестков, построения многофункциональных антенни облегчения рефлекторов зеркальных антенн, уменьшения эффективной площади рассеянияантенн и т.д.
Способы питания вибратора.
Вибраторные АР чаще строятся по параллельной схеме питания. Вкачестве фидерных используются коаксиальные или полосковые линии.
Для симметрирования и согласования вибраторных излучателей АРс фидерными линиями применяются симметрирующие и согласующие устройства. Наиболеешироко используемыми типами симметрирующих устройств являются четвертьволновая щель(при жестком коаксиальном фидере) и U — колено (в случае гибких коаксиальных и полосковыхлиний).Реже используется волноводная линия для возбуждения вибраторов АР при последовательнойсхеме питания. Применяются так же АР вибраторные АР с оптическим питанием: отражательные,состоящие из облучателя и приемопередающих вибраторных элементов, нагруженных отражательнымифазовращателями, и проходные.
Расчет диаграммы направленности вибратора
/>
Диаграмма направленности одиночного вибратора в общем виде:
Fh (q): =1
Где k=2p/l-волновое число, L-длинна плеча вибратора.
/>
Диаграмма направленности вибратора расположенного над идеальнымбесконечным проводящим экраном в общем виде:
/>
Где h-высота над экраном. ля согласования вибратора с нагрузкойвыбираем длину плеча: L=0.25*l. Выбираемвысоту над экраном: h=0.25*l.
Тогда диаграмма направленности вибратора расположенного над идеальнымбесконечным проводящим экраном имеет вид:
/>/>
/>
/>
ДН вибратора в E-плоскости.
ДН вибратора в H-плоскости.
Выбор конструкции вибратора и схемы питания
В качестве излучателя будем использовать тонкий цилиндрическийвибратор диаметром 2а
2. Антенная решетка системы излучателейРасчет диаграммы направленности
Полагая решетку состоящей из одинаковых излучателей, можно представитьее характеристику направленности F (q,j) ввиде произведения характеристики направленности изолированного излучателя F (q,j) на множитель решетки F(q,j):F (q,j) =F (q,j) *F (q,j),
/>
где Фn =k (xnqcosjгл+ynqsinjгл) sinqгл — пространственный фазовый сдвиг для направления наблюдения(q,j).
где α — угол сканирования луча; ∆φ1 — угол поворотапервого кольца; ∆φ2 — угол поворота второго кольца; ∆φ3 — угол поворота третьего кольца; I1, I2,I3 — амплитуды токов.
Графики ДН в Е и Н плоскостях при равно-амплитудном распределениитоков приведены на рисунке 2
ДН решетки со спадающим к краям распределением тока.
Уровень боковых лепестков задан — 18дБ.
Для уменьшения уровня боковых лепестков нужно ввести спадающеек краям решетки распределение токов излучателей: I1= 1;I2=1; I3=0,6
Геометрия антенной решетки
При размещении излучателей на кольцах решетки возможно синфазноесложение полей отдельных излучателей не только в направлении главного максимумаДН, но и в других направлениях, которым соответствует пространственный фазовый сдвиг,компенсирующий сдвиг фазы между излучателями за счет возбуждения. В этом случаепомимо главного максимума существует еще и дифракционные максимумы высших порядков,пространственная ориентация которых зависит от расстояния между излучателями. Приуменьшении этого расстояния число дифракционных максимумов, находящихся в областидействительных углов, уменьшается.
Для нормальной работы решетки необходимо, чтобы в области действительныхуглов находился лишь один главный максимум, а дифракционные отсутствовали. Такимобразом радиусы колец решетки удовлетворяющие заданному уровню УБЛ при обеспечениинеобходимого угла сканирования равны соответственно:
R1 = 0.6*l, R2 = 1.2*l, R3 = 1.9* l.Расчет параметров решетки при заданном максимальномсекторе сканирования
Коэффициент усиления фазированной антенной решетки приближенноравен произведению КНД на КПД:
При qск.е=30°: G= ή*D0*cosqск= 179*cos30*0.95=147, где D0=4pSn/l2,ή = 0,95, При qск.h=25°: G = ή*D0*cosqск= 179*cos25*0.95=154
Ширина диаграммы направленности на уровне 0.5 по мощности:
При qск=25°: Dqh0.5=18°, Dqe0.5= 15 °
Заключение
В данной курсовой работе была сконструирована вибраторная антеннаярешетка с концентрической схемой расположения излучателей обеспечивающая максимальныйугол сканирования qск = 25 и удовлетворяющаятехническому заданию. Все расчеты проводились в специальной программе «Mathcad».
Список литературы
1. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированныхантенных решеток. — М.: Радио и связь, 1994 г.
2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. — М.: Высшая школа, 1988.
3. Проблемы теории и техники антенн / Под редакцией Бахраха, Д.И. Воскресенского.- М.: Радио и связь, 1989 г.
4. Амитей Н., Галиндо В., Ву Ч. Теория и анализ ФАР / Пер с англ. -М.: Мир,1974 г.