Главная страница
Навигация по странице:

  • 2. Электрическая схема.

  • 3.8. Расчет предельной и допустимой мощностей.

  • 4. Описание конструкции

  • ФАР. Линейная фазированная


    Скачать 0.93 Mb.
    НазваниеЛинейная фазированная
    Дата28.06.2018
    Размер0.93 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаФАР.doc.doc
    ТипКурсовая
    #48012



    Московский Авиационный Институт

    (Технический университет).

    Курсовая работа



    На тему: Линейная фазированная

    антенная решетка с диэлектрическими излучателями.

    Выполнил



    Проверил:

    Москва 2001 г.

    Содержание:


    Введение. 3

    1.Выбор типа фазовращателя. 7

    3. Расчетная часть 10

    3.1. Определение геометрических характеристик ФАР. 10

    3.2. Расчет размеров единичного излучателя решетки и выбор волновода. 10

    Выбираем материал стержня –полистирол (диэлектрическая проницаемость =2,5) 10

    3.3. Расчет диаграммы направленности. 12

    3.4. Расчет КНД антенны. 13

    3.5. Расчет согласования антенны. 13

    3.6. Определение относительной мощности распределения и коэффициентов связи. 14

    3.7. Определение КПД антенны. 15

    3.8. Расчет предельной и допустимой мощностей. 15

    4.1. Направленный ответвитель. 16

    Литература. 17


    Введение.



    Антенно - фидерное устройство, обеспечивающие излучение и прием радиоволн, является неотъемлемой частью любой радиосистемы. Условия размещения и работы антенны влияют на ее характеристики. Реализуемость требуемых направленных, частотных, энергетических характеристик во определяется рабочим диапазоном волн. В диапазоне СВЧ антенны обеспечивают остронаправленное излучение с шириной луча в единицы и доли градусов и коэффициент усиления, достигающий десятки и сотни тысяч.

    Антенны СВЧ широко применяют в различных областях радиоэлектроники: связи, телевидении, радиолокации, радиоуправлении, а также в системах инструментальной посадки летательных аппаратов, радиоэлектронного противодействия, радиовзрывателей, радиотелеметрии и др.

    Широкое распространение получили остронаправленные сканирующие антенны. Сканирование позволяет осуществлять обзор пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. Замена слабонаправленных или ненаправленных антенн, например связных, остронаправленными сканирующими позволяет не только получать энергетический выигрыш в радиотехнической системе за счет увеличения коэффициента усиления антенн, но и в ряде случаев ослаблять взаимные влияния одновременно работающих различных систем, т. е. обеспечивать их электромагнитную совместимость (ЭМС). При этом могут быть улучшены помехозащищенность, скрытность действия и другие характеристики системы. При механическом сканировании, выполняемом поворотом всей антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при современных скоростях летательных аппаратов оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн.

    Применение фазируемых антенных решеток (ФАР) для построения остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства, что способствует увеличению объема информации о распределение источников излучения или отражения электрических волн в окружающем пространстве.

    Основные требования, предъявляемые к антенне, определяются объемом обрабатываемой информации и связаны дальностью действия, разрешающей способностью, быстродействием, надежностью, помехозащищенностью и другими характеристиками радиотехнической системы.

    Требования к направленности действия антенны определяют форму и ширину диаграммы направленности (ДН), допустимый уровень боковых лепестков (УБЛ), коэффициент направленного действия (КНД) и поляризационную характеристику антенны.

    Применение сложных антенн в виде решеток, состоящих из систем слабонаправленных или направленных излучателей, расширяет возможности реализации требуемых характеристик.

    Система излучателей с электрическим управляемым фазовым распределением – фазируемая антенная решетка – осуществляет электрическое сканирование луча в пространстве со скоростью, которая может быть на несколько порядков выше скорости механически сканируемых антенн. Реализация различных видов амплитудно-фазовых распределений в АР значительно проще, чем в других типах антенн, т.к. в возбуждающие излучатели устройства можно включать различные делители, направленные ответвители, фазовращатели и другие элементы, обеспечивающие требуемое распределение или управление.

    Антенны бегущей волны, реализующие режим осевого из­лучения, являются антеннами поверхностных волн. Поверхно­стные волны возникают на границах раздела сред с различными электрическими параметрами, фазовая скорость в одной из которых меньше, чем в другой. Одной из таких сред в антен­ной технике обычно является воздух, а второй — среда, в ко­торой распространяются замедленные электромагнитные волны С). При этом амплитуда волны медленно затухает в про­дольном направлении и быстро убывает (по экспоненциально­му закону) при удалении от границы раздела сред по направ­лению нормали.

    Рассмотрим стержневые антенны поверхностных волн, в которых волны «направляются» вдоль прямолинейного стержня 1 круглого или прямоугольного поперечного сечения длиной несколько  и возбуждаются отрезком круглого или прямо­угольного металлического волновода 2 (рис.1). В свою оче­редь отрезки волноводов могут быть возбуждены несимметрич­ным вибратором 3, соединенным с внутренним проводником коаксиальной линии 4. В качестве рабочего типа волны в ди­электрическом стержне используется низшая гибридная замед­ленная электромагнитная волна НЕ11.




    Рис.1. Диэлектрические стержневые антенны:

    а — цилиндрическая, б — коническая

    В диэлектрической антенне из цилиндрического стержня (см. рис. 1, a) на конце антенны возникают отраженные волны, увеличивающие уровень боковых лепестков. Для уменьшения отражений от конца и соответственно снижения уровня бокового излучения и реализации режима, близкого к режиму бегущей волны, применяются диэлектрические стержни конической формы (см. рис. 1, б).

    Одиночные стержневые антенны в зависимости от размеров имеют ширину ДН >15...250. Для получения более узких ДН и повышения КНД применяют антенные решетки стержневых антенн. Диаграмма направленности в этом случае при равномерном возбуждении решетки определяется перемножением ДН одиночного стержня и множителя решетки.

    Диэлектрические стержневые антенны широкополосные и их полоса пропускания ограничивается диапазонными свойствами возбуждающего устройства. Преимуществом является простота конструкции и малые поперечные размеры. Недостатком является сравнительно малая пропускаемая мощность и малая направленность излучения.

    В данной курсовой работе рассчитана линейная ФАР с диэлектрическими излучателями.


    1. Выбор типа фазовращателя.



    Фазовращатели (ФВ) наиболее широко применяются в ФАР РЛС. Современные ФАР состоят из нескольких тысяч или даже десятков тысяч элементов, каждый из которых содержит фазовращатель. Поэтому характеристики и стоимость РЛС в значительной степени зависят от параметров и стоимости фазовращателей.

    В настоящее время в основном используются ферритовые и полупроводниковые ФВ. Фазовращатели на основе сегнетоэлектриков, электронных пучков и плазмы еще не столь совершенны и области их применения весьма ограниченны.

    К ФВ, предназначенным для использования в многоэлементных ФАР, предъявляются многообразные и жесткие требования. Основными среди них являются: минимальное время переключения (изменение фазового состояния) при возможно меньшей мощности управляющего сигнала; достаточная точность установки фазового сдвига, необходимая для выполнения требований к ДН по КНД, уровню боковых лепестков, точности ориентации главного максимума; электрическая прочность, которая должна быть достаточной для пропускания требуемой импульсной мощности; поперечные габариты ФВ, которые, как правило, не должны превышать 0,5x0,5 0 с учетом возможности размещения их в полотнах с периодом не более (0,7-0,8) о; минимальные потери СВЧ энергии в волноводных элементах ФВ; система охлаждения, которая должна обеспечивать работу на заданной средней мощности. Снижение потерь СВЧ мощности и энергии, затрачиваемой на переключение фазы, обеспечивает решение одной из сложнейших проблем в конструировании передающих ФАР — отвод тепла от фазовращающих элементов и стабилизацию их температуры.

    Основными недостатками электрически управляемых антенн с ферритовыми, полупроводниковыми, сегнетоэлектрическими фазовращателями являются нестабильность (особенно температурная) и неидентичность отражений от фазовращателей, сложность управляющих схем и высокие требования к стабильности источников питания фазовращателей.

    Указанные недостатки в значительной степени устраняются при коммутационном методе управления ДН решетки.

    Сущность коммутационного метода состоит в отказе от проходных фазовращателей с непрерывным изменением фазы и использовании коммутаторов коммутационных ФВ, на выходе которых фаза электромагнитных колебаний принимает определенные фиксированные значения. Управление лучом антенны сводится в этом случае к простейшим операциям включения и выключения излучателей или ветвей фидерной системы.

    Недостатком коммутационных антенн является наличие фазовых ошибок, определяемых тем, что фазы возбуждения излучателей меняются скачком и могут принимать только определенные значения. Это влечет за собой снижение КНД антенны, увеличение уровня бокового излучения и скачкообразное перемещение луча.

    Выбираем коммутационные ФВ, управляющим элементом которых является резонансная щель, которая коммутируется парой pin- диодов (рис. 1.1). Наличие диодов эквивалентно включению в центр щели емкости. Поэтому щель необходимо укоротить на 25% от резонансной длины щели без диодов.


    Рис. 1.1.
    Коммутируемые резонансные щели используются в ФВ отражательного типа. Он состоит из закороченного на одном конце волновода, в котором на определенном расстоянии друг от друга расположены поперечные перегородки с коммутируемыми щелями. Приходящая со стороны незакороченного конца волновода электромагнитная волна отражается от одной из перегородок с замкнутой, с помощью пары диодов, щелью. При этом диоды в других перегородках обесточены.

    2. Электрическая схема.
    В
    ыбираем схему с последовательным распределением мощности и параллельным включением фазовращателей (рис. 2.1.). В такой схеме потери в антенне складываются из потерь в одном фазовращателе и мощности, рассеиваемой в нагрузке питающего фидера. Распределение мощности производится с помощью направленных ответвителей.
    Рис. 2.1.

    3. Расчетная часть

    3.1. Определение геометрических характеристик ФАР.



    По заданному закону распределения (косинус на пьедестале) из табл. 2.1 {1} находим:

    • ширина диаграммы направленности (ДН) на уровне половинной мощности заданна:

    ;

    - УБЛ1= -17,6 дБ.

    По исходным данным , находим длину решетки:



    ;

    где - расстояние между излучателями в решетке;

    - угол сканирования.

    Преобразовав выражение (3.4) и подставив значения находим:

    .

    Примем .

    Число излучателей N:



    3.2. Расчет размеров единичного излучателя решетки и выбор волновода.


    Для начала рассчитаем размеры волновода. Размеры волновода выбираются исходя из следующих условий:

    ,

    ;

    где и - размеры широкой и узкой стенки волновода, соответственно.

    Исходя из (3.6) и (3.7), находим:



    Выбираем волновод размерами 3520 мм, толщина стенок 1 мм.

    Далее проверяем условия размещения:



    Число получились меньше рассчитанного в предыдущем пункте, следовательно все волноводы можно разместить на длину решетки.

    Далее рассчитаем минимально допустимую длину волновода, чтобы высшие типы волн не искажали распределение поля основной волны в раскрыве волновода.



    Выбираем материал стержня –полистирол (диэлектрическая проницаемость =2,5)


    Минимальная диаметр стержня:

    ;

    Максимальная диаметр стержня:

    ;

    Средний диаметр стержня:



    По рис. 17.3 {2} найдем коэф. замедления =1,2.

    Оптимальная длинна стержня:



    3.3. Расчет диаграммы направленности.

    3.3.1 ДН единичного излучателя.



    ДН единичного излучателя:



    3.3.2. ДН множителя решетки.


    Для однорядной решетки с АФР косинус на пьедестале:

    .


    ДН множителя решетки представлена ниже:



    3.3.3. ДН антенной решетки.


    ДН решетки находятся по следующей формуле:
    ;

    где - ДН одиночного излучателя;

    - ДН множителя решетки.
    На рисунке (3.4) представлена ДН решетки

    3.4. Расчет КНД антенны.


    КНД одиночного излучателя находится по следующей формуле:

    .

    Тогда КНД всей решетки:

    .

    3.5. Расчет согласования антенны.



    Таблица

    Элементы конструкции

    КБВ

    Коэффициент отражения

    Фланец

    0,98

    0,01

    Фазовращатель

    0,93

    0,036

    Перход круглого сечения на прямоугольное

    0,91

    0,47

    Направленный ответвитель

    0,94

    0,03

    Модуль суммарного коэффициента отражения

    ;

    где - модуль коэффициента отражения от -ой неоднородности;

    -параметр, зависящий от вероятности величины .

    Вероятности соответствует .

    .

    Тогда .

    КБВ выше минимально допустимой величины, следовательно дополнительного согласования не требуется.

    3.6. Определение относительной мощности распределения и коэффициентов связи.


    Распределение по мощности для n- го излучателя:

    .

    ;

    где - отношение мощности, поглощаемой в нагрузке к мощности на входе антенны.

    Примем мощность на входе , а (для получения наибольшего коэффициента усиления).

    Распределение имеет следующую форму:

    .

    Коэффициенты связи определим по формуле:


    Результаты вычисления представлены ниже:



    3.7. Определение КПД антенны.


    КПД решетки можно определить по следующей формуле:

    ;

    где - излучаемая мощность;

    - мощность на входе антенны;

    - число излучателей в решетке.
    3.8. Расчет предельной и допустимой мощностей.

    Предельной называют наибольшую мощность, которою можно передать в однородной линии передач без электрического пробоя.

    Для прямоугольного волновода с волной :

    ; (3.21)

    где - предельная напряженность поля для воздуха при нормальном атмосферном давлении, нормальной ионизации и нормальной температуре.

    Подставив в (3.21) численные значения получим:

    .

    Допустимая (рабочая) мощность:

    ; (3.22)

    .

    Наибольшая вероятность пробоя у питающего волновода. Поскольку, то наша конструкция проходит по мощности.

    Т. к. антенна устанавливается на борту корабля, то необходимо предусмотреть средства защиты от внешних воздействий. Эту защиту обеспечит радиопрозрачный обтекатель.

    4. Описание конструкции

    В качестве одиночного излучателя излучающего элемента выбираем конический стержень из полистирола. Управление положением луча остронаправленной антенной решетки осуществляется изменением фазовых соотношений между токами в излучающих элементах. Для этой цели используют систему ФВ, включенных в фидерную систему, возбуждающую излучатели. За счет направленных ответвителей извлеченная из питающего волновода энергия направляется в сторону фазовращателя , включенного в фидерную систему. Отраженная волна через волноводы возбуждает диэлектрический стержень. Для обеспечения надежного электрического контакта между соединяемыми устройствами используем притертые фланцы.

    4.1. Направленный ответвитель.


    Направленный ответвитель – это элемент излучающего модуля, от свойств которого существенно зависят характеристики самого модуля.

    С
    хема крестообразного направленного ответвителя показана на рисунке 4.1.

    Рис 4.1.

    Расстояние от стенок волноводов до центра отвевителя:

    ;

    Литература.


    1. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского. М: Радио и связь,1981.

    2. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И. Воскресенского. М: Советское радио,1972.

    3. Справочник по элементам волноводной техники. А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич. М.-Л. Госэнергоиздат, 1963.

    4. Антенны и устройства СВЧ Д.М. Сазонов. М.: Высшая школа, 1988.




    написать администратору сайта