Построение линейной решетки вибраторных антенн

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ РЯЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра радиоуправления и связи

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Антенны и устройства СВЧ»

по теме: «Построение линейной решетки вибраторных антенн»

Рязань 2004

1. Теоретическая часть

2. Расчет параметров одного излучателя

3. Расчет параметров антенной решетки

4. Описание элементов ДОС

Список используемой литературы

1. Теоретическая часть

Неотъемлемыми составными частями современных радиотехнических средств являются антенные системы и обслуживающие их тракты СВЧ. Назначение передающей антенны состоит в преобразовании направляемых электромагнитных волн, распространяющихся от передатчика по линиям передачи тракта, в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства. Приемная антенна, напротив, преобразует падающие на неё свободные пространственные волны в направляемые по линиям передачи волны, поступающие в приёмный тракт.

К антеннам современных радиосистем предъявляется много требований, среди которых решающее значение имеют два. Первое требование — направленность действия, т. е. распределение электромагнитной мощности в пространстве (или реакция на приходящее электромагнитное поле при радиоприёме) по определённому закону. В одних случаях желательно обеспечить равномерность действия антенны по всем направлениям, в других требуется концентрировать излучение или осуществлять радиоприём в пределах достаточно узкого сектора — так называемого луча. Для формирования узкого луча размеры антенны должны во много раз превышать рабочую длину волны радиосистемы. Второе требование — излучение или радиоприём должны сопровождаться минимальными потерями электромагнитной мощности на нагрев проводников и диэлектриков антенны, т. е. антенна должна иметь высокий КПД. Проблема достижения высокого КПД особенно остро проявляется при создании антенн, размеры которых малы в сравнении с длинной волны.

Электрическим вибратором называют излучатель электромагнитных волн в виде тонкого проводника длины 2a и диаметра d, возбуждаемого в точках разрыва генераторов ВЧ. Вибраторы широко применяются как в качестве самостоятельных антенн, так ив виде элементов сложных антенных систем.

2a — длина вибратора

t — величина зазора

d — толщина вибратора

Под воздействием ЭДС генератора в вибраторе возникают продольные электрические токи, которые распределяются по его поверхности таким образом, что создаваемое ими электромагнитное поле удовлетворяет уравнениям Максвелла, граничным условиям на поверхности проводника и условию излучения на бесконечности. Вследствие осевой симметрии электрические токи на боковой поверхности проводника вибратора имеют только продольные составляющие, а на торцевых поверхностях — радиальные составляющие. На цилиндрической поверхности радиуса d/2, затягивающей зазор вибратора, наряду с фиктивными продольными электрическими токами существуют также фиктивные азимутальные магнитные поверхностные токи, эквивалентно заменяющие внутреннюю область зазора вместе с возбуждающим генератором.

С развитием различных радиотехнических систем и усложнением решаемых ими тактико-технических задач возрастают требования к антенным характеристикам, и в ряде случаев они становятся противоречивыми и совсем неразрешимыми при попытке разработать новые антенны по аналогии с существующими ранее и находящимися в эксплуатации. Например, стремление увеличить дальность действия и точность определения угловых координат в радиолокации приводит к требованию увеличения направленности антенн, что вызывает увеличение их размеров и масс. Увеличение скоростей полета летательных аппаратов приводит к необходимости увеличения скорости движению луча в пространстве. Совместить требования увеличения направленности и скорости движения луча в антеннах с механическим сканированием не представляется возможным из-за инерционности их конструкции. Подобное противоречия возникают и при попытках обеспечить одновременно высокую направленность и требуемые частотные, энергетические и пеленгационные характеристики. Эти обстоятельства заставляют отказываться от антенн традиционного типа для данного класса радиосистем и переходить к антенным решетках.

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

Система излучателей с электрически управляемым фазовым распределением — фазированная антенная решетка — осуществляет электрическое сканирование луча в пространстве со скоростью, которая может быть на несколько порядков выше скорости механически сканирующих антенн. Время установки в заданную точку пространства луча ФАР практически определяется быстродействием электрического фазовращателя или временем перестройки частоты при частотном сканировании и не связано с массой и с размерами антенны.

Вибраторные излучатели в ФАР обычно располагаются над плоской проводящей поверхностью, играющей роль экрана и предотвращающей обратное излучение. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что наиболее существенно на характеристики вибраторного излучателя в составе антенной решетки влияют два фактора: размещение излучателей в решетке и положение их относительно проводящего экрана. Уменьшение шага решетки приводит не только к подавлению высших дифракционных максимумов, но и позволяет улучшить согласование в широком секторе углов сканировании. Изменение высоты вибраторного излучателя над экраном приводит к улучшению согласования в крайних положениях луча при сканировании в Eи H-плоскостях. Параметром, который в значительно меньшей степени влияет на согласование в секторе сканирования, является длина вибратора, если начальное согласование осуществляется в направлении нормали к плоскости расположения излучателей.

Наиболее распространенными разновидностями ФАР являются эквидистантные линейные и плоские антенные решетки с бегущей волной тока.

В данной курсовой работе будет произведен расчет линейной эквидистантной решетки вибраторных антенн.

2. Расчет параметров одного излучателя

Определим геометрические размеры одиночного излучателя

и пусть

и пусть

Диаграмма направленности одиночного элемента

И в полярной системе координат

Расстояние от вибратора до экрана

Диаграмма направленности вибратора с учетом отражающего экрана

В полярной системе координат

3. Расчет параметров антенной решетки

Исходными данными для расчета являются:

— Сектор сканирования (максимальное отклонение главного лепестка от нормали, проведенной к плоскости решетки):

— Ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по мощности:

— Для антенных решеток при равноамплитудном распределении:

— Волновое число:

Максимальное значение шага решетки, определяется из условия возможности заданного отклонения главного лепестка от нормали (сканирования) при отсутствии побочных максимумов

м

Определяем число излучателей:

тогда длина решетки

Для упрощения системы питания число излучателей должно быть равным, возьмем N = 16, пересчитаем шаг решетки (при неименной длине решетки — N*d)

Множитель системы

Диаграмма направленности линейной решётки вибраторных антенн

В полярной системе координат

По техническому заданию ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по мощности в горизонтальной плоскости равна 6 градусам, проверим это:

Приведенные ранее диаграммы выполнены для угла сканирования равного -10⁰,

рассчитаем характеристики направленности еще для двух положений луча (-5⁰ и 0⁰)

пусть

И в полярной системе координат

пусть

4. Описание элементов ДОС

1. Конструктивная схема вибраторного излучателя

Для ликвидации заднего лепестка (и придания жесткости конструкции решетки) используется отражающий проводящий экран

1 — плечи вибратора

2 — симметрирующее устройство

3 — проводящий экран

4 — вход питающей линии

2. Коаксиально — полосковые переходы.

Для уменьшения нерегулярности в области сочленения внутренний диаметр внешнего проводника коаксиальной лиги должен быть близким расстоянию между внешними пластинами симметричной полосковой линии или удвоенной толщине основания несимметричной полосковой линии. Согласование перпендикулярного коаксиально-полоскового перехода осуществляют подбором диаметра соединительного штыря, проходящего через диэлектрическое основание, а также размеров коаксиальной диафрагмы на выходе из коаксиальной линии и коротко разомкнутого шлейфа из отрезка полоскового проводника.

3. Дискретный фазовращатель.

При создании ФАР используются дискретные фазирующие устройства, с помощью которых фаза возбуждения в каждом излучателе может быть изменена, а пределах от 0 до скачком на величину. Важнейшим преимуществом дискретных фазирующих устройств по сравнению с плавными (аналоговыми) является улучшенная стабильность. Это объясняется тем, что управляющие устройства, например pin-диоды или ферриты с прямоугольной петлёй гистерезиса, работают в переключательном режиме с использованием только двух крайних областей их характеристик: «открыто» и «закрыто». Другим преимуществом дискретных фазирующих устройств является удобство управления ими с помощью цифровых вычислительных машин. В этой связи L выбирается равным, и для кодирования любого фазового состояния требуется 4 двоичных разряда. Фазовращатель, работающий по такому принципу, называется бинарным.

Проходной бинарный фазовращатель содержит 4 каскада, каждый из которых может находится в одном из двух состояний, характеризуемых фазовыми сдвигами 0 или (p=1), (p=2), (p=3), (p=4). С помощью различных комбинаций состояний каскадов фазовращателя может быть реализован любой фазовый сдвиг в пределах от 0 до с дискретом .

4. Согласованный кольцевой делитель мощности на равные части.

Полосковые делители мощности являются линейными 6-полюсниками СВЧ. В делителе используется параллельное разветвление линий передачи на входе 1, два четвертьволновых трансформатора и поглотитель в виде сосредоточенного резистора с нормированным сопротивлением R=2. Такая схема может быть получена из гибридного кольца.

1. А. Л. Драбкин и В. Л. Зузенко «Антенно-фидерные устройства» Москва «Советское радио» Москва 1961 г.

2. Д. М. Сазонов «Антенны и устройства СВЧ» Москва «Высшая школа» 1988 г.

3. Д. И. Воскресенский «Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток» Москва «Радио и связь» 1982 г.

4. Д. И. Воскресенский «Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток» Москва «Радиотехника» 2003 г.

5. Е. В. Жгутов, А. В. Маторин, А. В. Рубцов «Устройства СВЧ и антенны» Рязань 2002 г.