КУРСОВАЯ РАБОТА
«Расчёт характеристик направленности
цилиндрической антенной решётки»
План
Введение
Расчёт диаграммы направленности цилиндрической антенной решётки
Анализ результатов расчетов
Используемая литература
Введение
Данная курсовая работа посвящена исследованию характеристик направленности цилиндрической антенной решётки.
Цилиндрическая антенная решётка- система излучателей, размещённых на цилиндрической поверхности. Частным случаем цилиндрических решёток являются кольцевые и дуговые антенные решётки, излучатели в которых размещены по окружности или дуге. Пространственная ориентация излучателей такова, что направление максимума диаграммы направленности каждого из них совпадает с направлением радиуса соответствующей антенной решётки в месте расположения излучателя.
Основными достоинствами выпуклых цилиндрических антенных решёток являются:
возможность широкоугольного сканирования (до 3600) лучом неизменных ширины и формы в азимутальной плоскости (в плоскости дуги) и угломестной плоскостях;
слабая по сравнению с плоскими и линейными антенными решётками взаимная связь излучателей из-за пространственного разворота их осей;
конструктивное удобство размещения выпуклых антенных решёток на ряде объектов, например в корпусе ракеты, обшивке самолета.
К их недостаткам относятся сложность системы возбуждения излучателей и некоторая избыточность их количества. Чаще всего излучатели выпуклых антенных решёток расположены на хорошо проводящей поверхности, из-за экранирующего действия которой в формировании остронаправленного излучениябудет участвовать лишь часть излучателей решётки, а именно те из них, которые расположены на освещенном участке антенной решётки.
На выпуклых антенных решётках можно сформировать несколько лучей и независимо сканировать ими, если создать соответствующее число отдельных излучателей. Однако такой режим работы антенны сложен в реализации, требует специальных устройств возбуждения излучателей.
Цилиндрические фазированные антенные решётки можно построить как из отдельных излучателей, так и из блоков, представляющих собой ряд либо линейных решёток, расположенных на образующей цилиндра, либо кольцевых решёток, размещенных одна над другой.
Известны два способа распределения энергии между излучателями цилиндрических антенных решёток: фидерный и пространственный. При фидерном возбуждении энергию к излучателям подводят с помощью отрезков линии передачи и делителей мощности. Фидерное возбуждение излучателей реализуется в последовательной, параллельной и смешанной схемах включениях излучателей, в каждой из которых по-разному могут включаться фазовращатели и коммутаторы. При пространственном возбуждении излучателей энергия к ним поступает т первичного облучателя, в поле излучения которого помещают вспомогательную решётку приёмных излучателей. К каждому приемному излучателю через управляемый фазовращатель подсоединен излучатель основной решётки. Угловой размер излучающего участка определяется шириной диаграммы направленности облучателя. При пространственном возбуждении амплитудное распределение на излучающем участке неравномерно и зависит от формы. Для широкоугольного сканирования лучом необходимо управлять положением диаграммы направленности облучателя, причём для полной реализации возможностей фазированной антенной решётки это необходимо делать электрическим способом.
Расчет диаграммы направленности цилиндрической
антенной решётки
У многих летательных аппаратов корпус или его средняя часть имеет форму кругового цилиндра. Это позволяет применять на них двухмерные цилиндрические решётки излучателей, расположенных у обшивки летательного аппарата. Расчет цилиндрической решётки можно произвести, если считать, что она представляет собой совпадающую с осью летательного аппарата прямолинейную антенную решётку, каждый элемент которой эквивалентен круговой или дуговой решетке излучателей. Вследствие этого диаграмма направленности цилиндрической решётки в экваториальной плоскости рассчитывается так же, как и для круговой (дуговой) решётки, а диаграмма направленности в меридиональной плоскости — так же как и для линейной решётки. Пространственная диаграмма направленности цилиндрической решётки при этом равна произведению диаграмм, определённых для двух главных плоскостей:
F(θ,φ)=F1(φ)F2(θ) (1)
Такое представление диаграммы направленности F(θ,φ) справедливо в том случае, когда все круговые решётки идентичны, иначе говоря, когда амплитудно-фазовое распределение токов на цилиндрической решётке есть функция, которая может быть представлена как произведение двух функций, одна из которых зависит только от азимутальной координаты θ, а другая –только от осевой координаты φ.
Схема координат для расчёта излучения цилиндрической антенной решётки с излучателями в узлах прямоугольной сетки:
/>
Рисунок 1.
/>/>
Рисунок 2.
Угол между излучателями равен:
, (2)
Где Z-общее количество излучателей в отдельной кольцевой решётке.
С учетом вышеизложенного, сначала рассмотрим диаграмму направленности кольцевой решётки, состоящей из Z=15 полуволновых излучателей, расположенных по дуге кольца на одинаковом друг от друга
расстоянии. При формировании луча в направлении плоскости кольца φ0принимают участие N-излучателей, находящихся в пределах эффективного угла раскрыва φ (рисунок 2), оптимальное значение для которого:
φ =(1100÷1600).
Исходные данные:
— рабочая длинна волны: λ= 10 (сантиметров);
— расстояние между излучателями: d=0,65×λ.
Для приближенного вычисления диаграммы направленности удобен метод эквивалентного линейного излучателя. Суть его заключается в том, что диаграмма направленности кольцевой антенны рассчитывается как диаграмма направленности синфазной линейной антенны, в которой амплитудное распределение соответствует проекции амплитудного распределения по кольцу в пределах излучающего участка на линейную антенну, длинной lэкв. (рисунок 3), расположенную перпендикулярно направлению формируемого луча. Множитель решётки вычисляется по выражению:
/>(3)
где: k=(2π/λ)-волновое число; />; φ-область действительных углов в плоскости кольца, изменяется в пределах от 0до +180; R— радиус кольца, по окружности которого расположены излучатели, измеряется в метрах, вычисляется по теореме косинусов, исходя из исходных данных:
/>(4)
/>/>/>/>/>
/>
/>
/>/>/>/>/>
/>
Рисунок 3.
Фазовое распределение на линейной антенне, состоящей из N излучателей отличается от синфазного на величину:
(5)
Поэтому множитель решётки принимает вид:--PAGE_BREAK--
(6)
Нормированное логарифмическое значение множителя:
(7)
Нормированное графическое изображение множителя решётки (при Z=15):
/>/>
Рисунок 4.
Диаграмма направленности данной кольцевой антенной решётки определяется по теореме умножения:
, (8)
где F(αn,φ)-диаграмма направленности одного излучателя в плоскости кольца; I(αn)-нормируемое на максимум амплитудное распределение в отдельной кольцевой решётке.
Если в качестве излучателей выбрать полуволновый вибратор, диаграмма направленности которого определяется выражением:
, (9)
и имеет вид
/>/>
Рисунок 5.
а также при использовании амплитудного распределения в пределах эффективного угла />φ раскрыва косинус на пьедестале, для уменьшения уровня боковых лепестков:
, (10)
нормированная диаграмма направленности кольцевой F1(φ) решётки при Z=15 имеет вид
/>
/>
Рисунок 6.
При увеличении количества излучателей до Z=75:
/>/>/>
Рисунок 7.
При Z=153:
/>
Рисунок 8.
Таблица сравнения характеристик
диаграмм направленностей в плоскости кольца
Z
R, м.
α, град.
A1БЛ, dB
ΦБЛ (0,5), град
ΦГМ(0,5), град
15
5,500
72,05
-0,9
24
30,5
75
0,259
14,30
-5,1
7
7,5
153
0,528
7,05
-9,4
5,5
6,9
A1БЛ — уровень первого бокового лепестка;
ΦБЛ-ширина первого бокового лепестка;
ΦГМ-ширина главного максимума.
Таким образом видно, что с увеличением количества излучателей ширина главного максимума уменьшается.
При перекоммутации излучателей можно производить последовательный поворот антенны на угол ∆ζ, при этом максимум диаграммы направленности перемещается из точки D1 в точку D2. Это приводит к неравномерности обзора пространства (рисунок 9).
/>
Рисунок 9.
Данный коэффициент можно определить по значению нормированной на максимум диаграммы направленности в точке J, которая соответствует пересечению двух последовательно формируемых диаграмм.
Изменением фазового распределения на излучающем участке можно осуществлять подсканирование лучом, т. е. его изменение в азимутальной плоскости.Однако из-за того, что излучающий участок при этом становится несимметричным относительно главного направления формируемого луча, эквивалентный излучатель и амплитудное распределение на нем также теряют симметрию, что приводит к расширению главного максимума, увеличению уровня боковых лепестков. Поэтому при оптимальном угле раскрыва φ используют угол подсканирования φn≤±100.
Диаграмма направленности цилиндрической антенной решётки в меридианной плоскости рассчитывается по формуле:
, (11)
Расстояние, которое выбирается между излучателями вдоль оси цилиндра />, выбирается из соотношения:
, (12)
тогда:
, (13)
где I(m)-нормированное амплитудное распределение вдоль оси цилиндра; L-количество излучателей, расположенных вдоль оси цилиндра.
Нормированные диаграммы направленностей при L=3 (рисунок 10) и L=9 (рисунок 11) и L=20 (рисунок 12), с амплитудном распределении косинус на пьедестале в направлении главного максимума в меридианной плоскости: где I(m)-нормированное амплитудное распределение вдоль оси цилиндра; L-количество излучателей, расположенных вдоль оси цилиндра:
/>/>/>/>
Рисунок 10.
/>/>
Рисунок 11.
/>/>/>
Рисунок 12.
Таблица сравнения
диаграмм направленности в меридианной плоскости
L
ΘГМ, град
Θ1БЛ, град.
А1БЛ, dB
3
72
-
-
9
61
14
-18,1
20
42
7
-11,3
Из графиков видно, что при увеличении количества излучателей вдоль оси цилиндра ширина диаграммы направленности главного максимума уменьшается. Как говорилось выше можно отклонять главный максимум электрическим способом путём изменения фазового распределения.
Анализ результатов расчётов
Исследования показали, что в плоскости, проходящей через направление луча и ось Z, диаграмма направленности кольцевой решётки слабонаправленная. Поэтому при формировании луча игольчатой формы диаграмма направленности цилиндрической антенной решётки в области главного максимума и первых боковых лепестков определяется в основном множителем линейки излучателей, в ортогональной же плоскости она полностью совпадает с диаграммой направленности кольцевой решётки. Путём осуществления сканирования и подсканирования возможно перемещение главного лепестка диаграммы направленности в области углов в азимутальной плоскости от 00до 3600. Также возможно его перемещение электрическим способом и в угломестной плоскости.
При достаточном количестве излучателей в цилиндрической антенной решётке возможно создание двух или нескольких сканирующих лучей.
Литература
Воскресенский Д.И., «Проектирование фазированных антенных решёток», Москва.: Радиотехника, 2003 г.
Резников Г. Б. «Антенны летательных аппаратов», 1967 г.