МО РФ
РГРТА
Кафедра РУС
КУРСОВАЯ РАБОТА ПО КУРСУ АНТЕННЫ
ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
Выполнил:
Студент гр.916
Принял:
Рязань
Содержание
Введение
1. Излучатель антенной решетки
2.1 Общая характеристика излучателя
2.2 Способ питания излучателя
2.3 Диаграмма направленностиизлучателя
3 Расчет антенной решетки
3.1 Геометрия решетки
3.2 Множитель решетки
3.3 Диаграмма направленности решетки
3.4 Расчет амплитудного распределения
3.5 Расчет сканирования
Заключение
Список литературы
Введение
Антенно-фидерноеустройство, обеспечивающее излучение и прием радиоволн,— неотъемлемая частьлюбой радиотехнической системы. Требования к техническим характеристикам антеннвытекают из назначения радиосистемы, условий размещения, режима работы,допустимых затрат и т. д.
Антенны СВЧ широкоприменяют в различных областях радиоэлектроники — связи, телевидении,радиолокации, радиоуправлении, а также в системах инструментальной посадкилетательных аппаратов, радиоэлектронного противодействия, радио взрывателей,радио телеметрии и др. Успешное развитие радиоастрономии и освоение космоса вомногом связаны с достижениями антенной техники СВЧ. В последние годы намечаютсяновые области использования СВЧ антенной техники, например для передачи СВЧэнергии на большие расстояния.
Широкое распространениеполучили остронаправленные сканирующие антенны. Сканирование позволяетосуществлять обзор пространства, сопровождение движущихся объектов иопределение их угловых координат. Замена слабонаправленных или ненаправленныхантенн, например связных, остронаправленными сканирующими позволяет не толькополучать энергетический выигрыш в радиотехнической системе за счет увеличениякоэффициента усиления антенн, но и в ряде случаев ослаблять взаимные влиянияодновременно работающих различных систем, т. е. обеспечивать ихэлектромагнитную совместимость (ЭМС). При этом могут быть улучшеныпомехозащищенность, скрытность действия и другие характеристики системы. Примеханическом сканировании, выполняемом поворотом всей антенны, максимальная скоростьдвижения луча в пространстве ограничена и при современных скоростях летательныхаппаратов оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость вразработке новых типов антенн.
Применение ФАР дляпостроения сканирующих остронаправленных антенн позволяет реализовать высокуюскорость обзора пространства и способствует увеличению объема информации ораспределении источников излучения или отражения электромагнитных волн (ЭМВ) вокружающем пространстве.
Характерной особенностьюсовременных антенн является их многообразие (непрерывно появляются новые типы).В соответствии с решаемыми радиотехнической системой задачами антенны СВЧ,работающие в дециметровом, сантиметровом или миллиметровом диапазонах волн,имеют принципиально различные характеристики и отличаются конструкцией,технологией изготовления, эксплуатацией и т. д.
1. Излучатель антеннойрешетки
1.1 Общая характеристика излучателя
Вибраторные излучателишироко используются как элементы ФАР в метровом, дециметровом и сантиметровомдиапазонах волн. Широкое применение вибраторных ФАР обусловлено рядом ихдостоинств: относительно малой массой, устойчивостью к атмосферным внешнимвоздействиям, возможностями складывания и быстрого разворачивания в мобильныхрадиотехнических системах, получения произвольной поляризации и управленияполяризационной характеристикой излученного поля управления ДН отдельныхизлучателей благодаря включению управляемых нагрузок. Вибраторные излучателикак элементы ФАР при соответствующем выборе конструкции позволяют обеспечитьработу в широкой полосе частот или многочастотный режим в совмещенныхвибраторных ФАР. Последние обеспечивают электрическое сканирование лучом вдостаточно широком секторе углов до ±45… 50° от нормали.
Вибраторные излучателиприменяются также в качестве облучателей зеркальных антенн и каксамостоятельные слабонаправленные антенны.
На рис 1 показаны наиболее широкоиспользуемые типы симметричных вибраторных излучателей. На рис..1, а изображентонкий цилиндрический вибратор диаметром 2а«l, где l-длина волны, возбуждаемой от коаксиальной линии. Для защиты от внешнихметеоусловий узел возбуждения такого вибратора может закрыватьсягерметизирующим кожухом (рис 1 ж) Через коаксиальный разъем 6 вибратор связан сфидерным трактом. Для симметрирования возбуждения плеч вибратора 1 и 2 служитчетвертьволновая щель 4. Для получения однонаправленного излучения используетсяэкран 5. Тонкий вибратор имеет небольшую рабочую полосу частот (2Df/f0@4…6%) и обладает сравнительно малойэлектрической прочностью (в сантиметровом диапазоне допустимая мощность непревышает 10 кВт). Рабочая полоса частот может быть расширена (до 10...15%)подбором длины 2lи герметизирующего кожуха 3 (2lи@0,2l).
В широкополосных вибраторах (рис.1,6)для соединения коаксиального питающего фидера с воздушной полосковой линиейдлиной l/4 использован экспоненциальныйпереход. Эти вибраторы обладают также повышенной электрической прочностью.Изогнутый вибратор (рис. 1, б) имеет более широкую ДН в E-плоскости, чтопозволяет получить большой сектор сканирования ФАР. В качестве направленныхвибраторных излучателей в ФАР с ограниченным сектором сканирования используютсяантенны типа волновой канал (рис. .1, г).
Вибраторные излучатели оказалисьочень удобны и при миниатюризации антенн за счет комплексирования в однойапертуре нескольких разночастотных антенн. В электрически коротких (Н-образных)вибраторах (рис. 1,6) для настройки их в резонанс используются поперечныеплечи. Такие вибраторы имеют уменьшенную поверхность рассеяния, и ихиспользование целесообразно при построении совмещенных в одной апертуреразночастотных вибраторных ФАР, так как взаимные искажения ДН получаются приэтом минимальными.
/>Рис. 1. Симметричные вибраторы,используемые в качестве излучателей ФАР
Печатные вибраторныеизлучатели (рис..1, е) обладают высокой технологичностью, компактностью,конструктивной жесткостью и перспективны для ФАР, устанавливаемые на подвижныхобъектах.
Короткозамкнутыевибраторы, или диполи, широко применяются в последнее время при созданиичастотно- и поляризационно-селективных пространственных структур или фильтров.Они используются для обеспечения ЭМС близкорасположенных антенн, уменьшенияуровня боковых лепестков, построения многофункциональных антенн и облегченных рефлекторовзеркальных антенн, уменьшения эффективной площади рассеяния антенн и т. д.
1.2 Способ питанияизлучателя
Вибраторные ФАР чащестроятся по параллельной схеме питания. В качестве фидерных используютсякоаксиальные (в метровом и дециметровом диапазонах) или полосковые (вдециметровом и сантиметровом диапазонах) линии.
Для симметрирования исогласования вибраторных излучателей ФАР с фидерными линиями применяютсясимметрирующие и согласующие устройства. Наиболее широко используемыми типамисимметрирующих устройств являются четвертьволновая щель (рис. 2, а) (прижестком коаксиальном фидере) и U-колено (рис. 4,6) (в случае гибкихкоаксиальных и полосковых линий). Реже используется волноводная линия длявозбуждения вибраторов ФАР при последовательной схеме питания. Применяютсятакже вибраторные ФАР с оптическим питанием: отражательные, состоящие изоблучателя и приемопередающих вибраторных элементов, нагруженных отражательнымифазовращателями, и проходные.
Однако вибраторные ФАР с оптической схемой питания имеют ряднедостатков, связанных с ограниченностью реализуемых законов амплитудногораспределения по излучателям и большими потерями из-за наличия неуправляемогоизлучения. Для получения круговой поляризации используются турникетные иливзаимно ортогональные вибраторные излучатели с квадратурным питанием.
В качестве делителеймощности в вибраторных ФАР с параллельным питанием используются кольцевые (надва канала)
…/>
Рис.3 Рис.4
Рис.2
Рис.2.Схематическое изображение симметрирующих устройств Рис.3. Топология полосковыхразвязанных делителей мощности Рис.4. К расчету характеристик вибраторных ФАР
и лучевые (на четыреканала) резистивные делители мощности (рис.3), а также неразвязанные делителимощности на два, реже на большее число каналов [0.8]. Согласование плеч 1, 2,4, 5 лучевого делителя обеспечивается плавным изменением размеров линии 3, адля поглощения отраженной волны используется углеродистая пленка 6 (рис.3, б)или резистор R (рис.3, а). В неразвязанных делителях имеется значительнаявзаимосвязь каналов, в результате чего отраженная от излучателей энергия,возникающая из-за их рассогласования с фидерным трактом в процессе сканированиялучом, проходит на вход соседних излучателей и изменяет первоначальный закон ихвозбуждения, что в конечном итоге искажает ДН. Кроме того, часть отраженнойэнергии проходит на общий вход ФАР, приводя к ее рассогласованию. Схема срезистивными делителями мощности в значительной степени свободна от этих недостатков.Сочетание кольцевых и лучевых делителей мощности позволяет разделить энергию отобщего входа ФАР с заданным законом деления на число, излучателей N=2п3т,где n и т—любые положительные целые числа. Кроме того, резистивные делителимощности сохраняют свои характеристики в значительной полосе частот (20…50%).
1.3 Диаграмманаправленности излучателя/> />
Диаграмма направленности одиночного вибраторав общем виде:
/>
Fh(q):=1
Где k=2p/l-волновое число, L-длинна плеча вибратора./> />
Диаграмма направленности вибратора расположенного над идеальным бесконечнымпроводящим экраном в общем виде:
/>
Где h-высота над экраном.
Для согласованиявибратора с нагрузкой выбираем длину плеча: L=0.25*l.
Выбираем высоту надэкраном: 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.
2. Расчет антеннойрешетки
2.1 Геометрия решетки
Наибольшеераспространение получили линейные и плоские ФАР. Большинство плоских ФАРсостоит из идентичных излучателей, расположенных в узлах плоской координатнойсетки с двойной периодичностью. На рис. 5 показаны прямоугольная и треугольная(или гексагональная) сетки.
При элементарномрассмотрении предполагается, что ДН излучателя, находящегося в решетке, неотличается от ДН изолированного излучателя. Возбуждение излучателей при остронаправленномизлучении обеспечивает синфазное сложение полей в заданном направлении изависит от положения излучателя в решетке:
Ф(qгл,jгл)=-k(xnqcosjгл+ynqsinjгл)sinqгл (2.1)
где k=2p/l— волновое число;
xnq,ynq— координаты излучателей;
qгл,jгл— углы сферической системы координат, определяющие направление главногомаксимума (луча) в пространстве (рис. 6).
Полагая решетку состоящейиз одинаковых излучателей, можно представить ее характеристику направленностиf(q,j) в виде произведения характеристики направленностиизолированного излучателя F(q,j) на множитель решетки Fe(q,j):
f(q,j)=F(q,j)*F(q,j) (2.2)
/>/>/>/>/>/>/>/>/>
Рис. 5. Рис. 6.СистемакоординатСхематическоеизображение способов размещения излучателей
Где
Fe(q,j)=åm,n=1Amnexp[i(Фmn+Фmnп)],
Amn—амплитуда возбуждения элемента решетки; Ф(qгл,jгл)=k(xnqcosjгл+ynqsinjгл)sinqгл — пространственный фазовый сдвиг длянаправления наблюдения (q,j).
При размещенииизлучателей в узлах координатной сетки с двойной периодичностью синфазноесложение полей отдельных излучателей решетки возможно не только в направленииглавного максимума ДН, но и в других направлениях, которым соответствуетпространственный фазовый сдвиг, компенсирующий сдвиг фазы между излучателями засчет возбуждения. В этом случае помимо главного максимума существуют еще идифракционные максимумы высших порядков, пространственная ориентация которыхзависит от расстояния между излучателями. При уменьшении этого расстояния числодифракционных максимумов, находящихся в области действительных углов,уменьшается. Для нормальной работы решетки необходимо, чтобы в областидействительных углов находился лишь один главный максимум, а дифракционныеотсутствовали.
При использованиипрямоугольной сетки дифракционные максимумы высших порядков отсутствуют, еслирасстояние между излучателями в направлении координатных осей удовлетворяетследующим условиям:
dx/l£1/(1+sinqx max); dy/l£1/(1+sinqy max) (2.3)
где l—длина волны;
qx max, qy max—максимальные углы отклонения луча в плоскостях ZOX и ZOY (см. рис. 6).
Для треугольной сеткисоответствующее условие имеет вид
d/l£(2/Ö3)/(1+sinqmax) (2.4)
/>
Рис. 7. Диаграммынаправленности идеального 1 и реального 2 излучателей, а также лепесткимножителя решетки 3
где qmax—максимальное отклонение луча отнормали к решетке. Например, если qmax=45°, то дляпрямоугольной и треугольной сеток получаем dx=dy=0,58l и d=0,68l. Таким образом, использованиетреугольной сетки позволяет увеличить расстояние между излучателями и уменьшитьих число примерна на 13% по сравнению с числом элементов в решетке спрямоугольной сеткой.
Условия (2.3), (2.4) неучитывают направленных свойств излучателей решетки и определяют предельныерасстояния в решетке изотропных излучателей. При ограниченном секторесканирования использование направленных излучателей позволяет увеличитьрасстояние между ними по сравнению с определяемым по (2.3), (2.4) исоответственно уменьшить общее число излучателей.
Действительно, если ДНодного излучателя решетки равна нулю или близка к нему вне сектора сканирования(рис.7), то можно допустить существование дифракционных максимумов высшихпорядков в области действительных углов, увеличив расстояние между излучателямипо сравнению с (2.3), (2.4) и потребовав при этом, чтобы при всех перемещенияхлуча дифракционные максимумы не попадали в сектор сканирования. Посколькухарактеристика направленности решетки получается перемножением характеристикинаправленности излучателя и множителя решетки, то дифракционные максимумыокажутся подавленными, так как они умножатся на малые или нулевые значенияхарактеристики направленности излучателя.
При сканировании вконическом секторе углов q£qmax выигрышв числе излучателей по сравнению с решеткой изотропных элементов длятреугольной и прямоугольной сеток составит
Nизотр/N=(1+sinqmax)2/4sin2qmax.
Расчет множителя решетки.
Множитель решетки в общемвиде:
Где N–число излучателей,
Ф(qгл,jгл)=–(xnqcosjгл+ynqsinjгл)sinqгл
k=2p/l— волновое число; xnq,ynq — координатыизлучателей; qгл,jгл—
углы сферической системыкоординат, определяющие направление главного максимума (луча) в пространстве.
Для плоскойгексагональной решетки Nx=14 Ny=12 получим:
В H плоскости ДНопределяется:
В E плоскости ДНопределяется:/> />
Где kl=d/2–половина расстояния междуизлучателями,
hl=d*Ö3/2– расстояние между строками.
Решетка гексагональная,h>k,Þ h£(2/Ö3)/(1+sinqmax)@0.786, k£0.463
Подбором получилиh=0.688, k=0.397
Множитель решетки в Hплоскости.
Множитель решетки в Eплоскости.
ДН решетки сравноамплитудным распределением тока.
Диаграмма направленностирешетки равна произведению диаграммы направленности одиночного излучателя намножитель решетки: f(q,j)=F(q,j)*F(q,j).
/>
В H плоскости ДН решеткиопределяется:
В E плоскости ДН решеткиопределяется:
/>
/> />
. ДН решетки в H плоскости сравноамплитудным распределением тока.
/>
ДН решетки в E плоскости сравноамплитудным распределением тока.
ДН решетки со спадающим ккраям распределением тока.
Уровень боковых лепестковзадан –21дБ, а при равноамплитудном распределении тока уровень боковыхлепестков –17дБ ÞДля уменьшения уровня боковых лепестков нужно ввести спадающее к краямрешетки распределение токов излучателей:
Fe(q,j)=åm,n=1I(e)exp(iФmn)
Для уровня боковыхлепестков –21дБ, хорошо подходит косинусоидальное распределение тока:
I(e)=D+(1–D)cos(pe/2),
Где e=2x/L (x–координаты излучателей,L–длинна решетки)
Для УБЛ=–21дБ, D=0,15/> />
ДН решетки в H плоскости:/> />
ДН решетки в E плоскости:
/>
ДН решетки со спадающим к краямраспределением тока в H
плоскости.
ДН решетки со спадающим ккраям распределением тока в E плоскости.
Расчет сканирования.
Максимальный уголсканирования 26°.При этом угле сканирования ДН решетки имеет вид:
/>
В H плоскости:
В E плоскости:/> />
ДН решетки с углом сканирования34° в H плоскости.
ДН решетки с угломсканирования 28° вE плоскости
Заключение
В результатепроведенной работы получили следующие результаты:
Длина волны: l=с/f=3*108/1.2*109=0,25м
Размеры решетки: Lx=2klNx=2*0.397*0.25*10=1.98м
Ly=hlNy=0.688*0.25*14=2.41м
Коэффициент усиленияфазированной антенной решетки приближенно равен КНД равному
При qск=0: D0=4pSn/l2=4pLxLyn/l2,
для использованногоамплитудного распределения
n=0.9, D0=4*p*1.98*2.41*0.9/0.252=863
При qск=26°: D=D0*cosqск=886*cos26°=796
Ширина диаграммынаправленности на уровне 0.5 по мощности:
При qск=0: Dqh0.5=8°, Dqe0.5=10°
При qск=28°, Dqe0.5=8°
При Θск=34° Dqh0.5=7°
Мощность, приходящаяся накаждый излучатель:
P1max=Pe/(nNxNy)=1500/(0.9*10*14)=12 Вт, P1доп=10кВт значит P1max
Приведенные результатысоответствуют техническому заданию.
Список литературы
1. Воскресенский Д.И. Антенны и устройстваСВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток.–М.: Радио и связь, 1994 г.
2. Сазонов Д.М. Антенны и устройстваСВЧ.–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 ианализ ФАР / Пер с англ.–М.: Мир, 1974 г.