Разработка и расчет волноводной фазированной антенной решётки СВЧ диапазона

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский авиационный институт

(национальный исследовательский университет)

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Антенны, устройства СВЧ и ЭМС»

на тему: Разработка и расчёт волноводной фазированной антенной решётки СВЧ диапазона

Выполнил: студент 931 учебной группы А. Ю. Климов Проверил: И.И. Гвозд

Введение

Фазированная антенная решётка (ФАР) антенная решётка с управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование) позволяет: формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН — луч); изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование — качание луча (см., например, Сканирование в радиолокации); управлять в определённых пределах формой ДН — изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т. п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей). Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и ЭВМ обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т. д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов (иногда 104 и более), входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиоустройств. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.

1. Конструкция фазированной антенной решётки Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения. Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы, часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов, щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны. Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР. В ряде случаев, например когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР. Структурная схема ФАР приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Структурная схема передающей ФАР

Особенности построения ФАР: возбуждение излучателей ФАР производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (в т. н. квазиоптических ФАР), фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями иногда содержат сложные электрические устройства (т. н. диаграммообразующие схемы), обеспечивающие возбуждение всех излучателей от нескольких входов, что позволяет создать в пространстве соответствующие этим входам одновременно сканирующие лучи (в многолучевых ФАР). Квазиоптические ФАР в основном бывают двух типов: проходные (линзовые), в которых фазовращатели и основные излучатели возбуждаются (при помощи вспомогательных излучателей) волнами, распространяющимися от общего облучателя, и отражательные — основной и вспомогательные излучатели совмещены, а на выходах фазовращателей установлены отражатели. Иногда в ФАР для формирования ДН применяют фокусирующие устройства (зеркала, линзы).

Наибольшими возможностями управления характеристиками обладают активные ФАР, в которых к каждому излучателю или модулю подключен управляемый по фазе (иногда и по амплитуде) передатчик или приёмник. Управление фазой в активных ФАР может производиться в трактах промежуточной частоты либо в цепях возбуждения когерентных передатчиков, гетеродинов приёмников и т. п. Таким образом, в активных ФАР фазовращатели могут работать в диапазонах волн, отличных от частотного диапазона антенны; потери в фазовращателях в ряде случаев непосредственно не влияют на уровень основного сигнала. Передающие активные ФАР позволяют осуществить сложение в пространстве мощностей когерентных электромагнитных волн, генерируемых отдельными передатчиками. В приёмных активных ФАР совместная обработка сигналов, принятых отдельными элементами, позволяет получать более полную информацию об источниках излучения.

В результате непосредственного взаимодействия излучателей между собой характеристики ФАР (согласование излучателей с возбуждающими фидерами, КНД и др.) при качании луча изменяются. Для борьбы с вредными последствиями взаимного влияния излучателей в ФАР иногда применяют специальные методы компенсации взаимной связи между элементами.

Конструкция волноводной ФАР, которая рассмотрена в данной курсовой работе представлена на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 «Схема волноводной ФАР»

Рисунок 3 «ФАР волноводных излучателей»

2. Расчёт основных электрических параметров

2.1 Расчет КНД Размеры антенны определяются заданными КНД или шириной ДН, длиной волны и выбранным амплитудным распределением поля в раскрыве антенны.

Коэффициент направленного действия фазированной антенной решетки рассчитаем по формуле:

(1)

Отсюда следует:

2.2 Расчет КУА Коэффициент усиления антенны:

2.3 Расчет шумовой температуры Шумовая температура определяется многими факторами — размером антенны, углом возвышения (места), внешними источниками шумов и условиями распространения сигнала в атмосфере.

Поскольку шумовая температура антенны зависит от множества изменяющихся факторов, при отсутствии в документации изготовителя значений необходимых параметров лучше полагаться на их вычисление. Для расчета приближенного значения шумов антенны в условиях ясного неба можно воспользоваться выражением:

d? диаметр антенны;

EL? угол места антенны;

2.4 Расчет действующей длины антенны Ширина ДН по уровню половинной мощности при излучении вблизи нормали к оси решетки определяется по формуле:

(11)

L? длинна антенны Из предыдущей формулы выразим L:

Действующая длина антенной решетки определяется следующей формулой:

2.5 Расчет входного сопротивления антенны Входное сопротивление антенны характеризует ее импедансные свойства в точке питания (в месте подсоединения фидера) и равно отношению напряжения к току на входе фидера.

(12)

Из предыдущей формулы выразим Rвх:

2.6 ДН основного излучения Диаграмма направленности ФАР получена с помощью программы MATHCAD.

Рисунок 4. Диаграмма направленности ВФАР

3. Определение габаритных параметров решётки

1. Определим габаритные размеры решетки.

2Qг——-это—ширина—ДН—в—горизонтальной—плоскости,

2Qв——-это—ширина—ДН—в—вертикальной—плоскости.

2Qв—=68.8*l\Ly—2Qв—=4_

2Qг—=5_.8*l\Lx—2Qг—=3

2.—Находим—размеры—Ly—и—Lx—:

Lx=54,2—мм

Ly=55—мм

3.—Находим—размеры—ячеек—решетки—:

ар=—Ly—ар=54,2—мм

d=l\(1+sin6_o)=31—мм

bр=d-2t

t—=—12—мм

4.—Найдём—количество—излучателей—:

Nх—=—54,2*24/31=42,—Ny—=—55*24/31=43

N=—Nх—+—Ny—=—85.

Заключение

волноводная фазированная антенная решетка В данной курсовой работе была разработана и рассчитана волноводная фазированная антенная решетка (ВФАР). Для большинства текущих расчетов ВФАР использовался MATHCAD. Также в результате проделанной курсовой работы были рассчитаны основные электрические показатели ВФАР: входное сопротивление, действующая длина, шумовая температура, КНД, КПД, предельная пропускная мощность, сектор сканирования. Была построена ДН ВФАР.

1. Сазонов Д. М. и др., «Антенны и устройства СВЧ», М.: Высш. школа, 1988. — 432 с.

2. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование и расчёт ФАР/под ред. Д. И. Воскресенского. -М.: Радио и связь, 1981.