МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО ИПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯРАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯКафедра радиоуправления и связиКУРСОВАЯРАБОТА
по дисциплине «Антенны и устройстваСВЧ»
по теме:«Построение линейнойрешетки вибраторных антенн»Рязань 2004
Оглавление
1. Теоретическая часть
2. Расчет параметров одного излучателя
3. Расчет параметров антенной решетки
4. Описание элементов ДОС
Список используемой литературы
1. Теоретическая часть
Неотъемлемыми составнымичастями современных радиотехнических средств являются антенные системы иобслуживающие их тракты СВЧ. Назначение передающей антенны состоит впреобразовании направляемых электромагнитных волн, распространяющихся отпередатчика по линиям передачи тракта, в расходящиеся электромагнитные волнысвободного пространства. Приемная антенна, напротив, преобразует падающие нанеё свободные пространственные волны в направляемые по линиям передачи волны,поступающие в приёмный тракт.
К антеннам современныхрадиосистем предъявляется много требований, среди которых решающее значениеимеют два. Первое требование – направленность действия, т.е. распределениеэлектромагнитной мощности в пространстве (или реакция на приходящееэлектромагнитное поле при радиоприёме) по определённому закону. В одних случаяхжелательно обеспечить равномерность действия антенны по всем направлениям, вдругих требуется концентрировать излучение или осуществлять радиоприём впределах достаточно узкого сектора – так называемого луча. Для формированияузкого луча размеры антенны должны во много раз превышать рабочую длину волнырадиосистемы. Второе требование – излучение или радиоприём должнысопровождаться минимальными потерями электромагнитной мощности на нагревпроводников и диэлектриков антенны, т.е. антенна должна иметь высокий КПД.Проблема достижения высокого КПД особенно остро проявляется при созданииантенн, размеры которых малы в сравнении с длинной волны.
Электрическим вибраторомназывают излучатель электромагнитных волн в виде тонкого проводника длины 2a и диаметра d, возбуждаемого в точках разрыва генераторов ВЧ. Вибраторышироко применяются как в качестве самостоятельных антенн, так ив виде элементовсложных антенных систем.
/>
2a – длина вибратора
t – величина зазора
d – толщина вибратора
Под воздействием ЭДСгенератора в вибраторе возникают продольные электрические токи, которыераспределяются по его поверхности таким образом, что создаваемое имиэлектромагнитное поле удовлетворяет уравнениям Максвелла, граничным условиям наповерхности проводника и условию излучения на бесконечности. Вследствие осевойсимметрии электрические токи на боковой поверхности проводника вибратора имеюттолько продольные составляющие, а на торцевых поверхностях – радиальныесоставляющие. На цилиндрической поверхности радиуса d/2, затягивающей зазор вибратора, наряду с фиктивнымипродольными электрическими токами существуют также фиктивные азимутальныемагнитные поверхностные токи, эквивалентно заменяющие внутреннюю область зазоравместе с возбуждающим генератором.
С развитием различныхрадиотехнических систем и усложнением решаемых ими тактико-технических задачвозрастают требования к антенным характеристикам, и в ряде случаев онистановятся противоречивыми и совсем неразрешимыми при попытке разработать новыеантенны по аналогии с существующими ранее и находящимися в эксплуатации.Например, стремление увеличить дальность действия и точность определенияугловых координат в радиолокации приводит к требованию увеличениянаправленности антенн, что вызывает увеличение их размеров и масс. Увеличение скоростейполета летательных аппаратов приводит к необходимости увеличения скоростидвижению луча в пространстве. Совместить требования увеличения направленности искорости движения луча в антеннах с механическим сканированием непредставляется возможным из-за инерционности их конструкции. Подобноепротиворечия возникают и при попытках обеспечить одновременно высокуюнаправленность и требуемые частотные, энергетические и пеленгационныехарактеристики. Эти обстоятельства заставляют отказываться от антенн традиционноготипа для данного класса радиосистем и переходить к антенным решетках.
Применение сложных антеннв виде решеток, состоящих из систем слабонаправленных или направленныхизлучателей, значительно расширяет возможности реализации требуемых характеристик.
Система излучателей сэлектрически управляемым фазовым распределением – фазированная антенная решетка– осуществляет электрическое сканирование луча в пространстве со скоростью,которая может быть на несколько порядков выше скорости механически сканирующихантенн. Время установки в заданную точку пространства луча ФАР практическиопределяется быстродействием электрического фазовращателя или временемперестройки частоты при частотном сканировании и не связано с массой и сразмерами антенны.
Вибраторные излучатели вФАР обычно располагаются над плоской проводящей поверхностью, играющей рольэкрана и предотвращающей обратное излучение. Теоретические и экспериментальныеисследования показывают, что наиболее существенно на характеристикивибраторного излучателя в составе антенной решетки влияют два фактора:размещение излучателей в решетке и положение их относительно проводящегоэкрана. Уменьшение шага решетки приводит не только к подавлению высшихдифракционных максимумов, но и позволяет улучшить согласование в широкомсекторе углов сканировании. Изменение высоты вибраторного излучателя надэкраном приводит к улучшению согласования в крайних положениях луча присканировании в E- и H-плоскостях. Параметром, который взначительно меньшей степени влияет на согласование в секторе сканирования,является длина вибратора, если начальное согласование осуществляется внаправлении нормали к плоскости расположения излучателей.
Наиболеераспространенными разновидностями ФАР являются эквидистантные линейные иплоские антенные решетки с бегущей волной тока.
В данной курсовой работебудет произведен расчет линейной эквидистантной решетки вибраторных антенн.
/>
2. Расчет параметроводного излучателя
Определим геометрическиеразмеры одиночного излучателя
/>
/> и /> пусть/>
/> и /> пусть/>
Диаграмма направленностиодиночного элемента
/>
/>
И в полярной системекоординат
/>
Расстояние от вибраторадо экрана />
Диаграмма направленностивибратора с учетом отражающего экрана
/>
/>
В полярной системекоординат
/>
3. Расчет параметровантенной решетки
Исходными данными длярасчета являются:
— Сектор сканирования(максимальное отклонение главного лепестка от нормали, проведенной к плоскостирешетки): />
— Ширина диаграммынаправленности на уровне 0,5 по мощности: />
— Для антенных решетокпри равноамплитудном распределении: />
— Волновое число: />
Максимальное значениешага решетки, определяется из условия возможности заданного отклонения главноголепестка от нормали(сканирования) при отсутствии побочных максимумов
/>м
Определяем числоизлучателей:
/>
тогда длина решетки />
Для упрощения системыпитания число излучателей должно быть равным />,возьмем N = 16, пересчитаем шаг решетки(принеименной длине решетки – N*d)
/>
Множитель системы
/>
/>
Диаграмма направленностилинейной решётки вибраторных антенн
/>
/>
В полярной системекоординат
/>
По техническому заданиюширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по мощности в горизонтальнойплоскости равна 6 градусам, проверим это:
/>
Приведенные ранеедиаграммы выполнены для угла сканирования равного -100,
рассчитаем характеристикинаправленности еще для двух положений луча(-50и 00)
пусть />
/>
/>
/>
И в полярной системекоординат
/>
пусть />
/>
/>
/>
/>
4. Описание элементов ДОС
1. Конструктивнаясхема вибраторного излучателя
Для ликвидации заднеголепестка(и придания жесткости конструкции решетки) используется отражающийпроводящий экран
/>
1 – плечи вибратора
2 — симметрирующееустройство
3 – проводящий экран
4 – вход питающей линии
2. Коаксиально –полосковые переходы.
Для уменьшениянерегулярности в области сочленения внутренний диаметр внешнего проводникакоаксиальной лиги должен быть близким расстоянию между внешними пластинамисимметричной полосковой линии или удвоенной толщине основания несимметричнойполосковой линии. Согласование перпендикулярного коаксиально-полосковогоперехода осуществляют подбором диаметра соединительного штыря, проходящегочерез диэлектрическое основание, а также размеров коаксиальной диафрагмы навыходе из коаксиальной линии и коротко разомкнутого шлейфа из отрезкаполоскового проводника.
/>
3. Дискретныйфазовращатель.
При создании ФАРиспользуются дискретные фазирующие устройства, с помощью которых фазавозбуждения в каждом излучателе может быть изменена а пределах от 0 до /> скачком на величину />. Важнейшим преимуществомдискретных фазирующих устройств по сравнению с плавными(аналоговыми) являетсяулучшенная стабильность. Это объясняется тем, что управляющие устройства,например pin-диоды или ферриты с прямоугольнойпетлёй гистерезиса, работают в переключательном режиме с использованием толькодвух крайних областей их характеристик: «открыто» и «закрыто». Другимпреимуществом дискретных фазирующих устройств является удобство управления имис помощью цифровых вычислительных машин. В этой связи L выбирается равным />, и для кодирования любого фазового состояния требуется4 двоичных разряда. Фазовращатель, работающий по такому принципу, называетсябинарным.
/>
Проходной бинарныйфазовращатель содержит 4 каскада, каждый из которых может находится в одном издвух состояний, характеризуемых фазовыми сдвигами 0 или />(p=1), />(p=2), />(p=3), />(p=4). С помощью различных комбинацийсостояний каскадов фазовращателя может быть реализован любой фазовый сдвиг впределах от 0 до /> с дискретом />.
4. Согласованныйкольцевой делитель мощности на равные части.
Полосковые делителимощности являются линейными 6-полюсниками СВЧ. В делителе используетсяпараллельное разветвление линий передачи на входе 1, два четвертьволновыхтрансформатора и поглотитель в виде сосредоточенного резистора с нормированнымсопротивлением R=2. Такая схемаможет быть получена из гибридного кольца.
/>
Список литературы
1. А.Л. Драбкин иВ.Л. Зузенко «Антенно-фидерные устройства» Москва «Советское радио» Москва1961г.
2. Д.М. Сазонов «Антенны и устройства СВЧ» Москва «Высшаяшкола» 1988г.
3. Д.И.Воскресенский «Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенныхрешеток» Москва «Радио и связь» 1982г.
4. Д.И.Воскресенский «Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенныхрешеток» Москва «Радиотехника» 2003г.
5. Е.В. Жгутов, А.В.Маторин, А.В. Рубцов «Устройства СВЧ и антенны» Рязань 2002г.