Проектирование фазированных антенных решеток

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные

Задание

1. Содержание задания.

Сконструировать фазированную антенную решетку с указанным числом сканируемых лучей, а также структурную схему управления распределения фаз вдоль распределения.

2. Исходные данные

Таблица №1

Антенная решетка из спиральных антенн
Рабочая частота, F	3 ГГц
Число лучей	2
Максимальная мощность, Pмакс	8 кВт
Ширина диаграммы направленности, и	6є
Число дискретов	7



Реферат

Курсовой проект

СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ, АНТЕННО-ФИДЕРНОЕ УСТРОЙСТВО, АДАПТИВНЫЕ ФАЗИРОВАННЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ

В курсовом проекте разработана фазированная антенная решетка из спиральных антенн с указанным числом сканируемых лучей. А также спроектирована структурная схема управления фазовращателя.



Введение

Фазированная антенная решётка (ФАР) антенная решетка с управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами (излучателями).

Управление фазами (фазирование) позволяет:

· формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН - луч);

· изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование - качание луча;

· управлять в определённых пределах формой ДН - изменять ширину луча, интенсивность боковых лепестков и т.п.

Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и ЭВМ обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т.д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов (иногда 104 и более), входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиоустройств.

Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.

В данной курсовой работе рассматривается линейная решетка, излучателями которой служат цилиндрическая спиральные антенны. Спиральная антенна относится к антеннам бегущей волны, поле излучения которых в направлении оси имеет вращающуюся (круговую) поляризацию. Такие антенны широко используются в радиолокации для получения более контрастного изображения цели на фоне помех, а также при работе с летательными и космическими аппаратами, положение антенн которых в пространстве не стабилизировано.

Однозаходная цилиндрическая спиральная антенна представляет собой проволочную спираль с постоянным шагом S, выполненную на цилиндрической поверхности радиуса R=a.



1. Расчет одиночного излучателя

В качестве одиночного излучателя берется цилиндрическая спиральная антенна.

Вычисляется рабочий диапазон:

,(1.1)

где с - скорость света;

f - рабочая частота:

Длина витка спирали принимается равной длине волны рабочего диапазона L = л.

Находим коэффициент полезного действия:

(1.2)

где l - длина антенной решетки, l = 6л, отсюда .

Коэффициент усиления принимается равной значению КПД.

(1.3)



Длина одиночного излучателя вычисляется из формулы:

,(1.4)

.

Оптимальный шаговый угол спирали равен б = 11°. Следующим пунктом рассчитываются шаг и радиус спирали.

(1.5)

(1.6)

Количество витков спирали вычисляем по следующей формуле:

(1.7)

В виду округления результата, проводится перерасчет длины одиночного излучателя:

Теперь рассчитывается эквивалентная фазовая скорость тока спирали:



(1.8)

Входное сопротивление Zвх = Rвх = 140 Ом.

Ширина диаграммы направленности и = 6є

Для определения формы диаграммы направленности используем следующую формулу:

(1.9)

где k - волновое число, (1.10)

о - коэффициент укорочения волны:

(1.11)



Рисунок 1-2 - Диаграммы направленности



2. Расчёт антенной решетки

Как уже отмечалось, антенные решётки позволяют сделать диаграмму остронаправленной, увеличить КНД антенны, обеспечить возможность обзора довольно широкого сектора пространства. Исходными данными для расчёта антенной решётки является сектор сканирования и длина волны.

АР является линейной, все излучатели одинаковы, следовательно, нужно рассчитать расстояние между излучателями, чтобы после можно было построить ДН множителя линейной эквидистантной решетки. Схематически решетка представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Наглядная схема антенной решетки

Антенная решетка должна обеспечивать электрическое качание луча, т.е. сканирование. Это возможно реализовать в случае несинфазного режима работы. В основу положено то свойство, что при изменении разности фаз токов соседних излучателей от 0 до , направление максимального излучения плавно поворачивается от нормали к плоскости решетки. В случае если решетка синфазная, то расстояние между элементами следует выбирать оптимальным, т.к. в случае если это расстояние окажется больше, т.к. начнут появляться дифракционные лепестки. Для несинфазной антенной решетки расстояние между элементами следует выбирать меньше оптимального, в противном случае при отклонении луча дифракционные лепестки множителя решетки будут входить в основной лепесток ДН излучателей, что приведет к росту боковых лепестков ДН решетки.

Поэтому следует расстояние между излучателями d принять равным л/2

(1.12)

Вся система должна быть спроектирована таким образом, чтобы потери в ней были минимальными. Для этого необходимо, чтобы ДН решетки были бы ортогональными на отрезке -р < ц₀ < р, соответствующем изменению угла и от -р/2 до +р/2. Этому требованию удовлетворяет расположение любой ДН таким образом, чтобы её направление главного максимума соответствовало нулевым направлениям всех остальных ДН. Любое другое расположение главных лепестков или увеличение их числа приводит к увеличению потерь в системе питания. Следовательно, направления главных максимумов должны располагаться по оси ц₀ на расстоянии 2р/N, а их число (т.е. число лучей) равно числу излучателей. По заданию у нас 2 луча. При построении ДН всей антенной решетки добавляется множитель решетки - Fp.

(1.13)

где N - количество излучателей,

(1.14)

ДН в плоскости Е (горизонтальной) имеет вид представленый на рисунке 4. Нормировка в децибелах для наглядного отображения уровня боковых лепестков.



Рисунок 4 - Диаграмма направленности АР

Для оценки ширины ДН воспользуемся графиком, показанный на рисунке 5.

Рисунок 5 - ДН без нормировки в плоскости Е

Из рисунков 4 и 5 явно видно, что оптимальные параметры ширины диаграммы направленности и уровня боковых лепестков обеспечиваются данной конструкцией.



Рисунок 6 - ДН антенной решетки в полярной системе координат

На рисунках 4-6 диаграмма направленности АР представлена в плоскости Е. Для плоскости H ДН будет иметь вид ДН одиночного излучателя (Рисунок 7-8).



Рисунок 7-8 - ДН антенной решетки в плоскости Н.



3. Расчет фазовращателя

3.1 Критерии выбора фазовращателя

Фазовращатели СВЧ предназначены для изменения фазы отраженной или проходящей волны на требуемую величину. Различают отражательные и проходные, ферритовые и полупроводниковые, аналоговые и дискретные. Будем использовать полупроводниковые ФВ, поскольку они имеют лучшее быстродействие и имеют возможность управления с помощью ЭВМ.

Применение полупроводниковых ФВ в ФАР определяет совокупность предъявляемых требований. Однако эти требования тесно связаны с параметрами самих ФВ, основными из которых являются: дискрет фазы, его стабильность, число диодов, рабочая полоса частот, время переключения, габаритные размеры, масса, потери, мощность, потребляемая по цепям управления. Современные полупроводниковые pin-диоды позволяют управлять в линиях передачи импульсной мощностью до 100 кВт и средней мощностью до 1 кВт.

Исходя из этих параметров выбирают тип ФВ (проходной или отражательный) и тип линии передачи (см. табл. 17.2). Дискрет определяет уровень боковых лепестков в ФАР и требуемую точность установки ДН, а число pin-диодов - потери, габаритные размеры и массу ФВ.

Из условий задания выбираем основную структуру фазовращателя: отражательный, полупроводниковый, дискретный. Используя таблицу 17.2 (см. Антенны и устройства СВЧ, Д.И. Воскресенский)

Принимая во внимание условия технического задания, а именно основную частоту 3 ГГц, а также тип излучателя (спиральная антенна) выбираем: отражательный полосковый на 1,55..5,2.



Таблица 1

Характеристики данного ФВ:

Частота: f = 1,55 - 5,2 ГГц

Разрядность: 2

Потери: 0,9 дБ

Число диодов: 3

3.2 Расчет параметров ФВ

Управляемый отражательный ФВ выполнен в виде отрезка линии передачи, в которую через расстояние равное половине дискрета, включены управляемые диоды.

Минимальный дискрет фазы зависит от разрядности следующим образом:

(4.1)

(4.2)



где p - разрядность ФВ.

Минимальное число диафрагм с диодами:

(4.3)

Рисунок 9 - Эквивалентная схема ОФВ

Средние потери обусловлены качеством диодов и могут быть оценены по формуле:

(4.4)

(4.5)

где К - параметр качества (300..1000 для сантиметрового диапазона);

r max и r min - максимальное и минимальное сопротивление диода при изменении управляющего тока.



Рисунок 10 - а) Коммутируемая резонансная диафрагма, б) Схема включения спаренных p-i-n-диодов



4. Схема питания антенной решетки

Самый распространенный способ создания антенных решеток, позволяющих производить сканирование -- это фазированные антенные решетки - ФАР. Существуют активные и пассивные ФАР. В активных ФАР каждый элемент решетки возбуждается от отдельного фазируемого генератора. В пассивных ФАР все излучатели возбуждаются от одного генератора, энергия которого с помощью распределительных фазируемых устройств разделяется между элементами решетки.

Выберем параллельную схему питания, так как она имеет следующие преимущества:

1. Такая схема позволяет использовать сравнительно маломощные фазовращатели.

2. Сигнал приходит на каждый элемент решетки с одинаковым ослаблением.

3. Отсутствует накопление фазовых ошибок вдоль раскрыва.

Рисунок 11 - Структурная схема питания АР

Направленный ответвитель распределяет энергию, поступающую от генератора, между излучателями в соответствии с выбранным законом распределения мощности (в нашем случае - "Косинус на пьедестале"), далее энергия поступает на фазовращатели, которые обеспечивают требуемый сдвиг фазы между соседними излучателями, затем, через прямоугольный волновод, энергия поступает непосредственно к элементам решетки спиральным антеннам.



5. Конструкция излучателя

В данной работе проектируется линейная ФАР с электрическим сканированием.

Независимо от схемы построения ФАР в ней можно выделить однородные блоки, состоящие из ряда элементов и устройств СВЧ. Эти блоки объедены распределительным фидером. Основным элементом модуля являются излучатель (или их группа), фазовращатель и элемент связи с распределительным фидером. К питающему волноводу направленный ответвитель с мостом и поглощающей нагрузкой крепятся с помощью пайки.

Элементом связи является направленный ответвитель. Он представляет собой два пересекающихся под прямым углом волновода, в общей широкой стенке которых на расстоянии от узкой стенки прорезано отверстие связи. Одно плечо направленного ответвителя образует отрезок распределительного фидера, а другое нагружено на мост и поглощающую нагрузку. Поглощающая нагрузка предусмотрена для компенсации переотражении возникающих в модуле.

Рисунок 12 - Общий вид цилиндрической спиральной антенны



Заключение

В данной курсовой работе спроектирована линейная антенная решетка цилиндрических спиральных антенн. Такая антенна, работающая в режиме осевого излучения, относится к классу антенн бегущих волн с вращающейся поляризацией. Конструктивно она состоит из проволочной спирали и плоского металлического экрана. Питание антенны производится коаксиальным фидером, наружный проводник которого присоединяется к экрану, а внутренний проводник к проводу спирали.

В зависимости от соотношения между длинной витка и длиной волны возможно 3 режима работы антенны: режим бокового излучения, осевого излучения, конического излучения. В данной работе реализован первый режим. Возможность существования таких режимов объясняется распространением волн различных типов (в зависимости от количества длин волн, укладывающихся вдоль одного витка спирали).

Как итог нашей работы мы имеем, что вдоль спирали распространяется волна с минимальным количеством длин волн, укладывающихся вдоль одного витка спирали. Амплитуда и фаза тока вдоль одного витка остаются практически неизменными, и спираль можно представить, как линейную синфазную антенную решетку, состоящую из элементарных рамок. Максимум излучения нашей системы направлен перпендикулярно оси спирали.

антенный решетка излучатель спиральный



Список литературы

1. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д.И. Воскресенского. - 2 - е изд., доп. и перераб. - М.: Радио и связь, 1994 г.

2. Антенно-фидерные устройства. Авторы: Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. - 2 - ое изд., доп. и перераб. - М.: «Советское радио», 1974г.

3. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981г.

4. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Изд-во МАИ, 1999 г

5. Справочник по элементам волноводной техники. Авторы: Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. - 2-ое изд., доп. и перераб. - М.: Советское радио, 1967 г

Размещено на Allbest.ru

...