Линейная антенная решетка

• Введение
• 1. Проектирование излучателя
• 2. Параметры линейной антенной решетки
• 3. Расчет линии передачи и вращающегося сочленения
• 4. Расчет согласующего устройства
• 5. Расчет делителей мощности. Расчет КПД антенны
• 6. Электрическая схема конструкции
• 7. Описание конструкции
• Список литературы

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. 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.

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 помехозащищённость, 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.

Антенная решётка (АР) — сложная направленная антенна, состоящая из совокупности отдельных слабонаправленных антенн (излучающих элементов), расположенных в пространстве особым образом. Антенные решётки применяются для повышения усиления всей системы в сравнении с отдельным антенным элементом, а также получения возможности управления формой диаграммы направленности.

В качестве элементарных излучателей в АР могут использоваться различные антенны как малой, так и большой направленности. Например в простейших решётках в качестве элементарной антенны могут быть установлены симметричные и несимметричные вибраторы, волноводные щели, печатные излучатели и т. п. В радиоастрономии используются системы из нескольких больших зеркальных антенн с узкой диаграммой направленности сориентированных в одном направлении. Это позволяет увеличить в N раз коэффициент усиления системы и принимать сигнал из пространства на малых отношениях сигнал/шум.

Антенные элементы в АР могут быть расположены различным способом. Если фазовые центры излучателей расположены в одной оси, то решётка называется линейной, если в плоскости — плоской. Существуют и более сложные варианты размещений антенных элементов в пространстве. Зачастую такие системы называют конформными, потому что они повторяют форму поверхности, на которой размещены излучатели. На пример это может быть поверхность летательного аппарата, спутника земли, либо сложный рельеф местности. Наиболее распространены антенные решётки, излучающие элементы которых расположены в одной плоскости.

В данной курсовой работе необходимо спроектировать линейную антенную решетку из спиральных излучателей.

Анализ задания.

В процессе проектирования необходимо выбрать излучатели антенной решетки и рассчитать их параметры, определить геометрические размеры линейной антенной решетки, форму амплитудного распределения по раскрыву и составить схему питания, обеспечивающую выбранное распределение. Рассчитать диаграммы направленности антенной решетки в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Обеспечить согласование линии передачи с излучателями. Рассчитать коэффициент полезного действия антенны и определить коэффициент бегущей волны. Разработать конструкцию линейной антенной решетки.

линейная антенная решетка антенна

1. Проектирование излучателя

В качестве излучателя в проектируемой линейной антенной решетке используется спиральный излучатель. Спиральные антенны относятся к классу антенн бегущей волны. Они представляют собой металлическую спираль, питаемую коаксиальной линией. Существуют цилиндрические, конические и плоские спиральные антенны. [1]

Определим среднюю длину волны рабочего диапазона антенной решетки:

Так как ширина рабочего диапазона превышает 55% от средней длины волны, то берется коническая спираль. При этом расчет ведется через эквивалентную цилиндрическую спираль. С помощью заданных длин волн, рассчитаем длину первого и последнего витков спирали: L₁=0.75 л _min= 6.75 см. L_n=1.3 л_max= 35.1 см. Длина витка эквивалентной цилиндрической спирали принимается равной средней длине волны заданного рабочего диапазона: L= л_ср = 18 см. Длина антенны определяется по требуемой ширине ДН антенны по уровню 0,707 поля в вертикальной плоскости:

Так как необходимо обеспечить круговую поляризацию поля антенны, шаг спирали находится из условия:

S=0.22 л_ср=3.96 см.

Так как необходимо обеспечить правую поляризацию поля, то спираль должна закручиваться вправо. Число витков эквивалентной цилиндрической спирали находится из выражения:

Полученная величина корректируется до целого числа n=14.

Угол подъема витков :

=4.09⁰

С помощью этого угла, можно найти половину угла при вершине конуса конической спирали :

Количество витков реальной конической спирали определяется по формуле:

Радиусы первого и последнего витков конической спирали излучателя.

Осевая длина спирали:

Примем диаметр диска экрана равным л_max = 27 см. Диаметр провода спирали возьмем порядка 0.05 л_cр = 0.9 см.

Таким образом диаграмма направленности эквивалентной цилиндрической спиральной антенны рассчитывается по формуле:

Подставив значения, получаем:

Нормированная диаграмма направленности одиночного излучателя в вертикальной плоскости представлена на рисунке 1, где x — угол и.

Рисунок 1. Нормированная диаграмма направленности одиночного излучателя в вертикальной плоскости.

Ширина диаграммы направленности линейной антенной решетки в вертикальной плоскости определяется исключительно параметрами одиночного излучателя. Из рисунка видно, что ширина диаграммы направленности по уровню 0.707 поля составляет 27 градусов, что удовлетворяет заданию на проектирование.

2. Параметры линейной антенной решетки

Диаграмма направленности линейной антенной решетки в горизонтальной плоскости зависит от числа излучателей, расстояния между ними и формы амплитудного распределения поля по раскрыву. Для расчета антенную решетку заменяют непрерывным излучающим раскрывом. [2]

По заданному уровню боковых лепестков выбирается из таблицы 1 форма амплитудного распределения по раскрыву антенны и соответствующее ей выражение для множителя направленности в горизонтальной плоскости.

Таблица 1. Формы амплитудного распределения по раскрыву.

В таблице .

По заданию необходимо обеспечить уровень боковых лепестков не более — 21 дБ. Выберем амплитудное распределение, спадающее к краям до пьедестала с t = 0.2.

Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости должна составлять 12 градусов. Отсюда находим необходимый размер непрерывного излучающего раскрыва:

Для того, чтобы побочные максимумы диаграммы направленности не попадали в реальный спектр углов необходимо, чтобы шаг антенной решетки был меньше, чем. При этом радиус основания спирали составляет 5.7 см, поэтому шаг решетки выбирается в диапазоне от 11.4 см до 18 см. Примем шаг решетки d = 12 см.

Число излучателей получаем из выражения

Ширина раскрыва получается равной a = (N-1) d = 84 см.

Множитель направленности антенной решетки в горизонтальной плоскости представлен на рисунке 2 и определяется выражением:

Рисунок 2. Нормированный множитель направленности антенной решетки в горизонтальной плоскости.

Таким образом, диаграмма направленности антенной решетки в горизонтальной плоскости определяется произведением диаграммы направленности одиночного излучателя и множителя направленности антенной решетки:

Нормированная диаграмма направленности линейной антенной решетки в горизонтальной плоскости представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Нормированная диаграмма направленности линейной антенной решетки в горизонтальной плоскости.

Из рисунка видно, что ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости по уровню 0.707 поля составляет 12 градусов, а уровень боковых лепестков не превышает — 21дБ, что полностью удовлетворяет условиям задания.

Форма амплитудного распределения по раскрыву представлена на рисунке 4 и определяется выражением:

Рисунок 4. Форма амплитудного распределения по раскрыву антенны.

В таблице 2 и таблице 3 представлены распределения значений амплитуды тока по излучателям решетки и перенормированные значения соответственно.

Таблица 2.

Таблица 3

3. Расчет линии передачи и вращающегося сочленения

Линия передачи по заданию имеет сопротивление 75 Ом. Определим параметры коаксиального кабеля, обеспечивающего данное сопротивление. В качестве диэлектрика возьмем полиэтилен, имеющий е = 2.3 и tg.

Примем d = 1 мм. Тогда В = 6.65 мм.

Предельная мощность данной линии:

=95.77 кВт

Это превышает мощность в непрерывном режиме работы.

Вращающиеся сочленения предназначены для передачи высокочастотной энергии от неподвижного передатчика к антенне, вращающейся с заданной скоростью в горизонтальной или вертикальной плоскостях. Соответственно широкому применению в диапазоне сверхвысоких частот двух типов фидерных линий, вращающиеся сочленения делятся на коаксиальные и волноводные. [3]

Рисунок 5. Бесконечный полуволновый замкнутый дроссель коаксиального вращающегося сочленения.

Рисунок 6. Эквивалентная схема включения дросселей в линию

Чтобы выполнить дроссельное соединение диаметр внутреннего проводника коаксиала d должен быть не менее 6 мм. Диаметр наружного проводника коаксиала D выбирается из следующих условий: если требуется, чтобы коаксиальная линия пропускала максимальную мощность, то отношение D/d = 2,72; если требуется получить минимальные потери в линии, то D/d-= 3,6.

Волновое сопротивление основной коаксиальной линии вращающегося сочленения составляет 75 Ом. Для того чтобы получить минимальные потери в линии примем отношение D/d = 3.5 Диаметр внутреннего проводника коаксиала примем равным 6 мм. Тогда диаметр обмотки равен 21 мм. Найдем волновое сопротивление основной коаксиальной линии вращающегося сочленения:

Оно соответствует заданному сопротивлению всей фидерной линии, а значит применение согласующих устройств не требуется.

Чтобы в линии распространялась только основная волна и не распространялись волны высших типов как Е, так и Н, необходимо выполнить условие:

Условие выполняется.

По заданному КБВ и с₀, можно определить волновое сопротивление дроссельных линий. Для этого надо по заданному КБВ сначала рассчитать величину реактивного сопротивления, представляющего сумму входных сопротивлений дросселей внешнего и внутреннего проводников.

Затем, пользуясь приведенными практическими соотношениями для выбора волновых сопротивлений дроссельных линий определим сопротивление r₂ из уравнения:

где l_? — средняя длина волны диапазона;

Dl=l-l_? — отклонение крайней длины волны диапазона от средней.

Максимальная мощность, которую может передать жесткая коаксиальная линия, рассчитывается по формуле

где E_доп = 20 10³ В/см — допустимая напряженность поля.

4. Расчет согласующего устройства

Так как волновое сопротивление коаксиальной линии передачи составляет 75 Ом, а волновое сопротивление спирального излучателя — 140 Ом, то необходимо применять согласующие устройства для согласования линии передачи со спиралью.

Согласование будем осуществлять с помощью ступенчатого трансформатора. Волновые сопротивления соседних ступенек не сильно отличаются друг от друга, а значит, практически, отсутствует переотражение волны от ступенек. [5]

Рабочий диапазон длин волн лежит в пределах от 9 см до 27 см. Длина ступеньки рассчитывается по формуле:

Для согласования используем Чебышевскую рабочую характеристику. Полином Чебышева определяется по выражению:

где .

Максимальный коэффициент отражения согласующего устройства определяется по формуле:

По заданному КБВ определяется допустимый коэффициент отражения:

Число ступенек n увеличивают до тех пор, пока не выполнится условие

При n=3

.

Определим сопротивления ступенек. Сопротивления изменяются равномерно с шагом

Ом

Сопротивление первой ступеньки:

Сопротивление второй ступеньки:

Сопротивление третьей ступеньки:

Схематично ступенчатый трансформатор представлен на рисунке 7

Рисунок 7. Ступенчатый трансформатор.

5. Расчет делителей мощности. Расчет КПД антенны

Важным параметром линии с потерями является ее коэффициент полезного действия (КПД). КПД определяется как отношение мощности, выделившейся в нагрузке, к мощности, подведенной к линии. [3]

Где — общая длина тракта, — суммарный коэффициент отражения в тракте, — погонное затухание, для выбранного коаксиального кабеля. В конструкции питающей линии присутствуют неоднородности, вызывающее отражение электромагнитной волны: вращающееся сочленение (0.03), согласующее устройство (0.002), ВЧ коаксиальное соединение (0.001). [4]

Суммарный коэффициент отражения:

.

КПД:

.

Коэффициент бегущей волны (КБВ):

Минимально допустимая величина КБВ в линии передачи 0,85, следовательно, данное значение полностью удовлетворяет поставленному условию.

6. Электрическая схема конструкции

Электрическая схема линейной антенной решетки представлена на рисунке 8.

7. Описание конструкции

Конструкция линейной антенной решетки из спиральных излучателей представляет собой металлический экран с размещенными на нем в линию коническими спиральными излучателями, установленный на поворотном столе и соединенный с ним коаксиальным кабелем с помощью вращающегося сочленения.

Материалом для изготовления экрана является алюминиевый сплав. Все компоненты антенны подвергаются антикоррозионной обработке методом гальванического цинкования, с дальнейшей покраской методом порошкового напыления в электростатическом поле.

В питающей линии применены стандартные узлы — коаксиальный кабель, делители мощности, согласующие ступенчатые трансформаторы и сочленения для унификации конструкции и упрощения ремонта.

1. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией профессора Воскресенского Д. И. — М.: Издательство «Советское радио», 1972 г.

2. Расчет и конструирование вращающихся сочленений. Пособие к курсовому проектированию под редакцией Мякишева Б. Я. МАИ, 1962 г.

3. Овчинникова Е. В. Антенны и устройства СВЧ [Конспект лекций, рукопись] / Е. В. Овчинникова, К. Д. Муллов \ Антенны и устройства СВЧ. — М.: МАИ, 2012.

4. Фельдштейн, Явич Справочник по элементам волноводной техники «Советское радио», 1967 г.

5. Антенны УКВ. Под редакцией Г. З. Айзенберга М.: Издательство «Связь», 1977 г.