Способ питания излучателя

1.2 Способ питания излучателя

Вибраторные ФАР чаще строятся по параллельной схеме питания. В качестве фидерных используются коаксиальные (в метровом и дециметровом диапазонах) или полосковые (в дециметровом и сантиметровом диапазонах) линии.

Для симметрирования и согласования вибраторных излучателей ФАР с фидерными линиями применяются симметрирующие и согласующие устройства. Наиболее широко используемыми типами симметрирующих устройств являются четвертьволновая щель (рис. 2, а) (при жестком коаксиальном фидере) и U-колено (рис. 4,6) (в случае гибких коаксиальных и полосковых линий). Реже используется волноводная линия для возбуждения вибраторов ФАР при последовательной схеме питания. Применяются также вибраторные ФАР с оптическим питанием: отражательные, состоящие из облучателя и приемопередающих вибраторных элементов, нагруженных отражательными фазовращателями, и проходные.

Однако вибраторные ФАР с оптической схемой питания имеют ряд недостатков, связанных с ограниченностью реализуемых законов амплитудного распределения по излучателям и большими потерями из-за наличия неуправляемого излучения. Для получения круговой поляризации используются турникетные или взаимно ортогональные вибраторные излучатели с квадратурным питанием.

В качестве делителей мощности в вибраторных ФАР с параллельным питанием используются кольцевые (на два канала)

…

Рис.3 Рис.4

Рис.2

Рис.2. Схематическое изображение симметрирующих устройств Рис.3. Топология полосковых развязанных делителей мощности Рис.4. К расчету характеристик вибраторных ФАР

и лучевые (на четыре канала) резистивные делители мощности (рис.3), а также неразвязанные делители мощности на два, реже на большее число каналов [0.8]. Согласование плеч 1, 2, 4, 5 лучевого делителя обеспечивается плавным изменением размеров линии 3, а для поглощения отраженной волны используется углеродистая пленка 6 (рис.3,б) или резистор R (рис.3, а). В неразвязанных делителях имеется значительная взаимосвязь каналов, в результате чего отраженная от излучателей энергия, возникающая из-за их рассогласования с фидерным трактом в процессе сканирования лучом, проходит на вход соседних излучателей и изменяет первоначальный закон их возбуждения, что в конечном итоге искажает ДН. Кроме того, часть отраженной энергии проходит на общий вход ФАР, приводя к ее рассогласованию. Схема с резистивными делителями мощности в значительной степени свободна от этих недостатков. Сочетание кольцевых и лучевых делителей мощности позволяет разделить энергию от общего входа ФАР с заданным законом деления на число, излучателей N=2^п3^т, где n и т—любые положительные целые числа. Кроме того, резистивные делители мощности сохраняют свои характеристики в значительной полосе частот (20... 50%).

1.3 Диаграмма направленности излучателя

Диаграмма направленности одиночного вибратора в общем виде:

Fh(q):=1

Где k=2p/l-волновое число, L-длинна плеча вибратора.

Диаграмма направленности вибратора расположенного над идеальным бесконечным проводящим экраном в общем виде:

Где h-высота над экраном.

Для согласования вибратора с нагрузкой выбираем длину плеча: L=0.25*l.

Выбираем высоту над экраном: h=0.25*l.

Тогда диаграмма направленности вибратора расположенного над идеальным бесконечным проводящим экраном имеет вид:

ДН вибратора в E-плоскости.
ДН вибратора в H-плоскости.

2. Расчет антенной решетки

2.1 Геометрия решетки

Наибольшее распространение получили линейные и плоские ФАР. Большинство плоских ФАР состоит из идентичных излучателей, расположенных в узлах плоской координатной сетки с двойной периодичностью. На рис. 5 показаны прямоугольная и треугольная (или гексагональная) сетки.

При элементарном рассмотрении предполагается, что ДН излучателя, находящегося в решетке, не отличается от ДН изолированного излучателя. Возбуждение излучателей при остронаправленном излучении обеспечивает синфазное сложение полей в заданном направлении и зависит от положения излучателя в решетке:

Ф(q_гл,j_гл)=-k(x_nqcosj_гл+y_nqsinj_гл)sinq_гл (2.1)

где k=2p/l— волновое число;

x_nq,y_nq — координаты излучателей;

q_гл,j_гл— углы сферической системы координат, определяющие направление главного максимума (луча) в пространстве (рис. 6).

Полагая решетку состоящей из одинаковых излучателей, можно представить ее характеристику направленности f(q,j) в виде произведения характеристики направленности изолированного излучателя F(q,j) на множитель решетки F_e(q,j):

f(q,j)=F(q,j)*F(q,j) (2.2)

Рис. 5. Рис. 6.Система координат

Схематическое изображение способов размещения излучателей

Где

F_e(q,j)=å_m,n=1A_mnexp[i(Ф_mn+Ф_mn^п)] ,

A_mn— амплитуда возбуждения элемента решетки; Ф(q_гл,j_гл)=k(x_nqcosj_гл+y_nqsinj_гл)sinq_гл — пространственный фазовый сдвиг для направления наблюдения (q,j).

При размещении излучателей в узлах координатной сетки с двойной периодичностью синфазное сложение полей отдельных излучателей решетки возможно не только в направлении главного максимума ДН, но и в других направлениях, которым соответствует пространственный фазовый сдвиг, компенсирующий сдвиг фазы между излучателями за счет возбуждения. В этом случае помимо главного максимума существуют еще и дифракционные максимумы высших порядков, пространственная ориентация которых зависит от расстояния между излучателями. При уменьшении этого расстояния число дифракционных максимумов, находящихся в области действительных углов, уменьшается. Для нормальной работы решетки необходимо, чтобы в области действительных углов находился лишь один главный максимум, а дифракционные отсутствовали.

При использовании прямоугольной сетки дифракционные максимумы высших порядков отсутствуют, если расстояние между излучателями в направлении координатных осей удовлетворяет следующим условиям:

d_x/l£1/(1+sinq_{x max}); d_y/l£1/(1+sinq_{y max}) (2.3)

где l—длина волны;

q_{x max}, q_{y max}—максимальные углы отклонения луча в плоскостях ZOX и ZOY (см. рис. 6).

Для треугольной сетки соответствующее условие имеет вид

d/l£(2/Ö3)/(1+sinq_max) (2.4)

Рис. 7. Диаграммы направленности идеального 1 и реального 2 излучателей, а также лепестки множителя решетки 3

где q_max—максимальное отклонение луча от нормали к решетке. Например, если q_max=45°, то для прямоугольной и треугольной сеток получаем d_x=d_y=0,58l и d=0,68l. Таким образом, использование треугольной сетки позволяет увеличить расстояние между излучателями и уменьшить их число примерна на 13% по сравнению с числом элементов в решетке с прямоугольной сеткой.

Условия (2.3), (2.4) не учитывают направленных свойств излучателей решетки и определяют предельные расстояния в решетке изотропных излучателей. При ограниченном секторе сканирования использование направленных излучателей позволяет увеличить расстояние между ними по сравнению с определяемым по (2.3), (2.4) и соответственно уменьшить общее число излучателей.

Действительно, если ДН одного излучателя решетки равна нулю или близка к нему вне сектора сканирования (рис.7), то можно допустить существование дифракционных максимумов высших порядков в области действительных углов, увеличив расстояние между излучателями по сравнению с (2.3), (2.4) и потребовав при этом, чтобы при всех перемещениях луча дифракционные максимумы не попадали в сектор сканирования. Поскольку характеристика направленности решетки получается перемножением характеристики направленности излучателя и множителя решетки, то дифракционные максимумы окажутся подавленными, так как они умножатся на малые или нулевые значения характеристики направленности излучателя.

При сканировании в коническом секторе углов q£q_max выигрыш в числе излучателей по сравнению с решеткой изотропных элементов для треугольной и прямоугольной сеток составит

N_изотр/N=(1+sinq_max)²/4sin²q_max.

Расчет множителя решетки.

Множитель решетки в общем виде:

Где N–число излучателей,

Ф(q_гл,j_гл)=–(x_nqcosj_гл+y_nqsinj_гл)sinq_гл

k=2p/l— волновое число; x_nq,y_nq — координаты излучателей; q_гл,j_гл—

углы сферической системы координат, определяющие направление главного максимума (луча) в пространстве.

Для плоской гексагональной решетки N_x=14 N_y=12 получим:

В H плоскости ДН определяется:

В E плоскости ДН определяется:

Где kl=d/2–половина расстояния между излучателями,

hl=d*Ö3/2– расстояние между строками.

Решетка гексагональная, h>k,Þ h£(2/Ö3)/(1+sinq_max)@0.786, k£0.463

Подбором получили h=0.688, k=0.397

Множитель решетки в H плоскости.

Множитель решетки в E плоскости.

ДН решетки с равноамплитудным распределением тока.

Диаграмма направленности решетки равна произведению диаграммы направленности одиночного излучателя на множитель решетки: f(q,j)=F(q,j)*F(q,j).

В H плоскости ДН решетки определяется:

В E плоскости ДН решетки определяется:

. ДН решетки в H плоскости с равноамплитудным распределением тока.

ДН решетки в E плоскости с равноамплитудным распределением тока.

ДН решетки со спадающим к краям распределением тока.

Уровень боковых лепестков задан –21дБ, а при равноамплитудном распределении тока уровень боковых лепестков –17дБ ÞДля уменьшения уровня боковых лепестков нужно ввести спадающее к краям решетки распределение токов излучателей:

F_e(q,j)=å_m,n=1I(e)exp(iФ_mn)

Для уровня боковых лепестков –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 краям распределением тока в H

плоскости.

ДН решетки со спадающим к краям распределением тока в E плоскости.

Расчет сканирования.

Максимальный угол сканирования 26°. При этом угле сканирования ДН решетки имеет вид:

В H плоскости:

В E плоскости:

ДН решетки с углом сканирования 34° в H плоскости.

ДН решетки с углом сканирования 28° в E плоскости

Заключение

В результате проведенной работы получили следующие результаты:

Длина волны: l=с/f=3*10⁸/1.2*10⁹=0,25м

Размеры решетки: L_x=2klN_x=2*0.397*0.25*10=1.98м

L_y=hlN_y=0.688*0.25*14=2.41м

Коэффициент усиления фазированной антенной решетки приближенно равен КНД равному

При qск=0: D0=4pSn/l²=4pL_xL_yn/l²,

для использованного амплитудного распределения

n=0.9, D₀=4*p*1.98*2.41*0.9/0.25²=863

При qск=26°: D=D₀*cosq_ск=886*cos26°=796

Ширина диаграммы направленности на уровне 0.5 по мощности:

При qск=0: Dq_h0.5=8°, Dq_e0.5=10°

При qск=28°, Dq_e0.5=8°

При Θск=34° Dq_h0.5=7°

Мощность, приходящаяся на каждый излучатель:

P_1max=P_e/(nN_xN_y)=1500/(0.9*10*14)=12 Вт, P_1доп=10кВт значит P_1max<<P_1доп.

Приведенные результаты соответствуют техническому заданию.

Список литературы

1.  Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток.–М.: Радио и связь, 1994 г.

2.  Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.–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 и анализ ФАР / Пер с англ.–М.: Мир, 1974 г.