Конструирование вибраторной антенной решетки

Содержание

Введение

1. Излучатель антенной решетки

Общая характеристика излучателя

Расчет диаграммы направленности вибратора

Выбор конструкции вибратора и схемы питания

2. Антенная решетка системы излучателей

Расчет диаграммы направленности

Геометрия антенной решетки

Расчет параметров решетки при заданном максимальном секторе сканирования

Заключение

Список литературы

Введение

Антенные решетки - наиболее эффективные и перспективные антенные системы, позволяющие осуществлять быстрый обзор пространства, многофункциональный режим работы, комплексирование радиосредств, адаптацию к конкретной радио обстановки, предварительную обработку сверхвысокочастотных сигналов, обеспечение электромагнитной совместимости и т.д. Антенная решетка, обеспечивающая излучение и прием радиоволн, - неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Требования к техническим характеристикам антенн вытекают из назначения радиосистемы, условий размещения, режима работы, допустимых затрат и т.д. Реализуемость необходимых направленных свойств, помехозащищенности, частотных, энергетических и других характеристик антенн во многом зависит от рабочего диапазона волн.

Решетки обладают рядом интересных и полезных свойств. Кроме возможности получения узкой DH и большого КНД, решетки дают возможность, например, изменять положение DH в пространстве без изменения положения самой решетки и отдельных ее частей.

Антенны СВЧ широко применяют в различных областях радиоэлектроники - связи, телевидении, радиолокации, радиоуправлении, а также в системах инструментальной посадки летательных аппаратов, радиоэлектронного противодействия, радио взрывателей, радио телеметрии и др. Успешное развитие радиоастрономии и освоение космоса во многом связаны с достижениями антенной техники СВЧ. В последние годы намечаются новые области использования СВЧ антенной техники, например для передачи СВЧ энергии на большие расстояния.

Применение ФАР для построения сканирующих остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению объема информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн (ЭМВ) в окружающем пространстве.

Характерной особенностью современных 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 антенной решетки Общая характеристика излучателя

В качестве излучателей антенной решетки используются вибраторы, открытые концы волноводов, диэлектрические стержни, спирали, щели и др.Вибраторные излучатели в АР обычно располагают над плоской проводящей поверхностью, играющей роль экрана и предотвращающей обратное излучение. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что на характеристики вибраторного излучателя в составе АР сильнее всего влияют два фактора: их размещение в решетке и положение относительно проводящего экрана. Уменьшение шага решетки позволяет не только подавить высшие дифракционные максимумы, но и улучшить их согласование в широком секторе углов сканирования. Изменение высоты вибраторного излучателя над экраном приводит к улучшению согласования в крайних положениях луча при сканировании в плоскостях Е и Н.

Направленные свойства любой антенны характеризуются ДН и КНД. Диаграмма направленности вибратора зависит от его длины и является поверхностью вращения, ось которой совпадает с осью вибратора. На КНД вибратора влияют два основных фактора: ширина главного лепестка ДН и уровень боковых лепестков.

Очень важным параметром любой антенны является входное сопротивление. В общем случае это комплексная величина. Входное сопротивление симметричного вибратора находим по формуле:

Zвх = Rвх + iXвх;

где Rвх - активная составляющая входного сопротивления,

iXвх - реактивная составляющая входного сопротивления. Величина активной и реактивной составляющих входного сопротивления зависит от длины и волнового сопротивления вибратора. Максимумы Rвх наблюдаются при L/λ, кратных 0.5.Поэтому при длине вибратора, кратной 0,25λ наблюдается последовательный, а при L = n *λ /2 - параллельный резонанс. Чем быстрее меняется Zвх при изменении частоты колебаний, тем хуже диапазонные свойства вибратора, которые зависят от его толщины. Чем толще вибратор, тем медленнее изменяется Zвх при изменении частоты. Добротность одного и того же вибратора на параллельном резонансе примерно в восемь раз больше, чем на последовательном. Кроме того добротность зависит от волнового сопротивления вибратора: чем больше волновое сопротивление, тем больше добротность. Волновое сопротивление вибратора, в свою очередь, зависит от толщины вибратора: чем толще вибратор.тем меньше волновое сопротивление. Таким образом, при увеличении толщины вибратора уменьшается его добротность и, следовательно, улучшаются его диапазонные свойства.

Наиболее широко используемыми типами симметричных вибраторных излучателей являются:

1) Тонкий цилиндрический вибратор диаметром 2а << λ, где - длина волны, возбуждаемой от коаксиальной линии. Тонкий вибратор имеет небольшую рабочую полосу частот, которая может быть расширена подбором длины 2L герметизирующего кожуха 3 (2L =λ/5).

2) Широкополосный вибратор. В широкополосных вибраторах для соединения коаксиального питающего фидера с воздушной полосковой линией длиной λ/4 использован экспоненциальный переход. Эти вибраторы обладают повышенной электрической прочностью.

3) Изогнутый вибратор. Он имеет более широкую ДН в Е - плоскости, что позволяет получить большой сектор сканирования АР. В качестве направленных вибраторных излучателей в АР с ограниченным сектором сканирования используются антенны типа волновой канал.

4) Электрические (Н - образные) вибраторы. Для настройки их в резонанс используются поперечные плечи. Такие вибраторы имеют уменьшенную поверхность рассеяния, и их использование целесообразно при построении совмещенных в одной апертуре разночастотных вибраторных АР, так как взаимные искажения ДН получаются при этом минимальными.

5) Печатные вибраторные излучатели. Они обладают высокой технологичностью, компактностью, конструктивной жесткостью и перспективны для АР, устанавливаемые на подвижных объектах.

6) Коротко замкнутые вибраторы, или диполи. Широко применяются в последнее время при создании частотно - и поляризационно-селективных пространственных структур или фильтров. Они используются для обеспечения ЭМС близко расположенных антенн, уменьшения уровня боковых лепестков, построения многофункциональных антенн и облегчения рефлекторов зеркальных антенн, уменьшения эффективной площади рассеяния антенн и т.д.

Способы питания вибратора.

Вибраторные АР чаще строятся по параллельной схеме питания. В качестве фидерных используются коаксиальные или полосковые линии.

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

Расчет диаграммы направленности вибратора

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. ля 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.

Выбор конструкции вибратора и схемы питания

В качестве излучателя будем использовать тонкий цилиндрический вибратор диаметром 2а << l, где l - длина волны, возбуждаемой от коаксиальной линии (см. чертеж №1). Для защиты от внешних метеоусловий узел возбуждения такого вибратора может закрываться герметизирующим кожухом. Через коаксиальный разъем 6 вибратор связан с фидерным трактом. Для симметрирования возбуждения плеч вибратора 1 и 2 служит четвертьволновая щель 4. Для получения однонаправленного излучения используется экран 5. Тонкий вибратор имеет небольшую рабочую полосу частот (2∆f/f = 4.6%), которая составляет 2∆f = 36 МГц. Она может быть расширена подбором длины 2L герметизирующего кожуха 3 (2L =λ/5). Также вибратор обладает электрической прочностью (в сантиметровом диапазоне допустимая мощность не превышает 10 кВт) удовлетворяющей техническому заданию. Мощность, приходящаяся на каждый излучатель: P_1max=P_e/ (nN) =56Вт, где N-количество излучателей, n - КИП, P_1доп=10кВт значит P_1max<<P_1доп. Длина вибратора 2L будет определяться по формуле: L = 0,25*l= 0,25*0,5 =0,125 (м)

2. Антенная решетка системы излучателей Расчет диаграммы направленности

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 (q,j): F (q,j) =F (q,j) *F (q,j),

где Фn =k (x_nqcosj_гл+y_nqsinj_гл) sinq_гл - пространственный фазовый сдвиг для направления наблюдения (q,j).

где α - угол сканирования луча; ∆φ1 - угол поворота первого кольца; ∆φ2 - угол поворота второго кольца; ∆φ3 - угол поворота третьего кольца; I1, I2, I3 - амплитуды токов.

Графики ДН в Е и Н плоскостях при равно-амплитудном распределении токов приведены на рисунке 2

ДН решетки со спадающим к краям распределением тока.

Уровень боковых лепестков задан - 18дБ.

Для уменьшения уровня боковых лепестков нужно ввести спадающее к краям решетки распределение токов излучателей: I1= 1; I2=1; I3=0,6

Геометрия антенной решетки

При размещении излучателей на кольцах решетки возможно синфазное сложение полей отдельных излучателей 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 существует 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. Таким образом радиусы колец решетки удовлетворяющие заданному уровню УБЛ при обеспечении необходимого угла сканирования равны соответственно:

R1 = 0.6*l, R2 = 1.2*l, R3 = 1.9* l.

Расчет параметров решетки при заданном максимальном секторе сканирования

Коэффициент усиления фазированной антенной решетки приближенно равен произведению КНД на КПД:

При qск.е=30°: G = ή*D₀*cosq_ск= 179*cos30*0.95=147, где D0=4pSn/l², ή = 0,95, При qск.h=25°: G = ή*D₀*cosq_ск = 179*cos25*0.95=154

Ширина диаграммы направленности на уровне 0.5 по мощности:

При qск=25°: Dq_h0.5=18°, Dq_e0.5= 15 °

Заключение

В данной курсовой работе была сконструирована вибраторная антенная решетка с концентрической схемой расположения излучателей обеспечивающая максимальный угол сканирования qск = 25 и удовлетворяющая техническому заданию. Все расчеты проводились в специальной программе "Mathcad".

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.