Разработка диэлектрической стержневой ФАР

Загрузить архив:
Файл: ref-30998.zip (739kb [zip], Скачиваний: 207) скачать
Московский Авиационный Институт

Московский Авиационный Институт

Пояснительная записка

к курсовому проекту

на тему:

«Разработка диэлектрической стержневой ФАР»

Выполнил:

Vanish588

Проверил:

Степаненко В. И.

Москва 2010г.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Задание

3

2. Введение

4

3. Определение геометрических параметров антенной решетки

5

4. Расчет диаграммы направленности диэлектрической стержневой антенны

7

5. Расчет диаграммы направленности антенной решетки

10

6. Выбор и расчет схемы питания антенной решетки

13

7. Выбор фазовращателя

17

8. Особенности конструкции

19

9. Список литературы

20

10. Приложение

Исходные данные для расчёта

Тип решётки: Диэлектрическая стержневая ФАР бортовой РЛС.

Рабочая длина волны: =5 см.

Ширина ДН в обеих плоскостях <0x01 graphic
.>

УБЛ в обеих плоскостях: УБЛ = - 13 дБ.

<0x01 graphic
>

Сектор сканирования в обоих плоскостях: ±60<0x01 graphic
>

Введение

Для получения остронаправленного излучения широко применяются антенные решетки (АР), состоящие из совокупности отдельных, как правило, идентичных излучателей. В качестве элементов АР могут использоваться направленные и слабонаправленные излучатели (симметричные вибраторы, щели, открытые концы волноводов, рупора, диэлектрические стержни, спирали). Использование АР позволяет существенно повысить эффективность современных бортовых и наземных радиосистем за счет осуществления быстрого безинерционного обзора пространства путем сканирования луча АР электрическими методами (электрическое сканирование); увеличения коэффициента усиления (КУ) антенны; формирования диаграммы направленности (ДН) с требуемыми шириной и уровнем боковых лепестков путем создания соответствующего амплитудно - фазового распределения по раскрыву решетки; увеличения излучаемой мощности и снижения потерь в фидерном тракте за счет размещения в каналах излучателей решетки независимых генераторов или усилителей высокочастотной энергии; осуществления многофункциональной работы радиосистемы, т.е. совмещение в ней нескольких функций, например: поиска, обнаружения и сопровождения цели; увеличения помехозащищенности путем пространственной обработки сигналов (адаптивные АР) и т.д. При этом антенная решетка может служить первичным звеном обработки (в общем случае пространственно - временной) сигнала и в силу этого в значительной мере определяет основные характеристики всей системы. Для получения предельных характеристик радиосистем могут предъявляться повышенные требования к характеристикам направленности АР: величине КНД, уровню боковых лепестков, форме ДН и т.п. Решетки, обеспечивающие необходимые параметры этих характеристик называют оптимальными. Антенные решетки принято классифицировать в зависимости от расположения излучателей в пространстве, характеру их размещения в решетке, шага решетки, способа их возбуждения и сканирования, типа применяемого излучателя и т.д. В данном курсовом проекте будет проведен расчет параметров плоской антенной решетки с электрическим типом сканирования.

3. Определение геометрических параметров антенной решетки

<0x08 graphic
Одним из наиболее распространенных типов ФАР являются линейные и плоские решетки. Большинство плоских ФАР состоит из идентичных излучателей, расположенных в узлах плоской координатной сетки с двойной периодичностью. Наиболее употребительными являются прямоугольная и треугольная (или гексагональная) сетки. Выбираем прямоугольную сетку рис. 3.1. При элементарном рассмотрении предполагается, что ДН излучателя в решетке не отличается от ДН изолированного излучателя. Далее определим параметры прямоугольной сетки по заданному значению ширины главного лепестка диаграммы направленности, уровню боковых лепестков и сектору сканирования для каждой плоскости в отдельности.>

В плоскости Х:

Длина антенной решетки:

<0x01 graphic
, >

где k - коэффициент определяемый по уровню боковых лепестков (УБЛ), согласно (Л 4, стр. 24, табл. 2.1) для УБЛ < - 13 дБ, k = 51

- длина волны

<0x01 graphic
.- ширина основного лепестка ДН в плоскости Х >

Расстояние между излучателями решетки:

<0x01 graphic
>

Количество излучателей в решетке:

<0x01 graphic
>

Примем число элементов в решетке в плоскости Х равным 96, тогда пересчитаем длину решетки в этой плоскости:

<0x01 graphic
>

В плоскости Y:

Длина антенной решетки:

<0x01 graphic
>

где k - коэффициент определяемый по уровню боковых лепестков (УБЛ), согласно (Л 4, стр. 24, табл. 2.1) для УБЛ < - 13 дБ, k = 51

- длина волны

<0x01 graphic
.- ширина основного лепестка ДН в плоскости Y >

Расстояние между излучателями решетки:

<0x01 graphic
>

Количество излучателей в решетке:

<0x01 graphic
>

Примем число элементов в решетке в плоскости Y равным 96, тогда пересчитаем длину решетки в этой плоскости:

<0x01 graphic
>

Таким образом, в результате определения геометрических размеров решетки получаем плоскую решетку, с размерами 2,55 и 2,55 метра (96 излучателей по оси Х и по оси Y ) и расстоянием между излучателями равным 2,7 см в обеих плоскостях.

4. Расчет диаграммы направленности диэлектрической стержневой антенны

Проектируемая антенная решетка строится на базе диэлектрических стержневых антенн и для дальнейшего расчета диаграммы направленности всей решетки нам необходимо определить диаграмму направленности одиночного стержневого диэлектрического излучателя. В ходе определения его конкретных параметров стоит заметить, что ширина диаграммы направленности одиночного излучателя будет влиять на амплитуду главного лепестка решетки при сканировании. Исходя из этого, ширина диаграммы направленности основного лепестка одиночного излучателя по уровню 0,707 от максимума, создаваемой им напряженности поля должна быть как можно ближе к 90°. Тогда при максимальном угле сканирования в 50°, амплитуда главного лепестка решетки уменьшится не более чем в 0,707 раз. Выберем конусообразную конструкцию диэлектрического излучателя, упрощенный вид которого показан на рисунке 4.1

<0x01 graphic
>

В качестве материала диэлектрика выбираем полистирол, для которого диэлектрическая проницаемость =2,5. Экспериментальным путем выбираем длину излучателя Lс= 4,2см.

Определим диаметр основания конуса стержня dCmax и его вершины dCmin по формулам (Л3, стр.397):

<0x01 graphic
>

В последующих расчетах будем использовать среднее значение диаметра диэлектрического стержня:

<0x01 graphic
>

Определим коэффициент замедления волны в диэлектрике стержневого излучателя по рис. 4.2:

<0x01 graphic
>

Исходя из графика зависимости, для значения <0x01 graphic
при =2.5 находим отношение следовательно, коэффициент замедления волны =1.>

Для математического описания диаграммы направленности стержневой антенны, излучатель представляется в виде системы элементарных излучателей (колец).

Диаграмма направленности элементарного излучателя <0x01 graphic
определяется по формуле:>

<0x01 graphic
,>

где: J0 - функция Бесселя нулевого порядка

<0x01 graphic
- волновое число>

Диаграмма направленности всего стержневого излучателя определяется как произведение диаграммы направленности элементарного излучателя <0x01 graphic
на множитель излучателя 0x01 graphic
, определяемого по формулам:>

<0x01 graphic
>

Тогда диаграмма направленности диэлектрического стержневого излучателя будет иметь вид:

<0x01 graphic
>

<0x01 graphic
>

5. Расчет диаграммы направленности антенной решетки

Диаграмма направленности антенной решетки определяется как произведение диаграммы направленности одиночного излучателя решетки на множитель решетки. Множитель решетки зависит от числа излучателей в решетке и расстояния между ними. Соответственно, в рассматриваемом случае, множитель решетки в плоскости Х и Y не будет отличаться. Также на множитель решетки влияет амплитудное распределение сигнала от генератора, подаваемого на каждый элемент решетки. Характер амплитудного распределения определяется согласно (Л4, стр. 24, табл. 2.1) по заданному уровню боковых лепестков (УБЛ). УБЛ в обеих плоскостях должен быть УБЛ - 13дБ, и такому уровню боковых лепестков соответствует закон равномерного амплитудного распределения:

<0x01 graphic
>

Таким образом, обозначив все факторы, влияющие на множитель решетки в обеих плоскостях, можем записать его формулу.

Множитель решетки в плоскости X:

<0x01 graphic
>

Множитель решетки в плоскости Y:

<0x01 graphic
>

Как было сказано ранее, диаграмма направленности всей антенной решетки <0x01 graphic
определяется произведением ее множителя на ДН одиночного излучателя решетки 0x01 graphic
.>

Диаграмма направленности антенной решетки в плоскости Х:

<0x01 graphic
>

Вид диаграммы направленности антенной решетки в плоскости Х при нулевом угле сканирования (рис.5.2).

<0x01 graphic
>

Вид диаграммы направленности антенной решетки в плоскости Х при угле сканирования равном ± 60° (рис.5.3)

<0x01 graphic
>

Аналогично определим вид диаграммы направленности антенной решетки в плоскости Y:

Диаграмма направленности антенной решетки в плоскости Y:

<0x01 graphic
>

Вид диаграммы направленности антенной решетки в плоскости Y при нулевом угле сканирования (рис.5.4):

<0x01 graphic
>

Вид диаграммы направленности антенной решетки в плоскости Y при угле сканирования равном ± 60° (рис. 5.5)

<0x01 graphic
>

Коэффициент направленного действия линейной решётки при ориентации луча в направлении нормали к её плоскости может быть рассчитан по формуле (Л1, стр. 39, формула 2.11) , при условии, что коэффициент использования площади раскрыва, определяемый амплитудным распределением, равен =0,667 (Л1, стр. 35, табл. 2.1.)

<0x01 graphic
>

Определение параметров антенной решетки на данном этапе можно считать законченным.

Следующим этапом следует выбрать схему питания антенной решетки и определить ее конструкцию.

6. Выбор и расчет схемы питания антенной решетки

Согласно ТЗ при длине волны рабочего диапазона =5см коаксиальная линия для питания антенны не используется из-за быстрого роста потерь в линии и технологических трудностей ее изготовления. В этом случае используют волноводное питание антенны путем прямого перехода от прямоугольного волновода к круглому или с помощью двойного волноводно-коаксиального перехода.

Делители мощности выполняются по схемам последовательного и параллельного деления мощности. При последовательном делении мощности (рис. 6.1) нагрузка может быть включена в боковые ответвления фидерного тракта.

Недостатком данной схемы является различная электрическая длина пути от входа антенны до излучателей, что может привести к фазовым искажениям на краях частотного диапазона. Для устранения фазовых искажений в боковые ответвления необходимо включать компенсационные отрезки фидера.

<0x01 graphic
>

При параллельной схеме (рис. 6.2) деления мощности, возможно деление как равномерное, так и неравномерное. К схемам параллельного деления относятся n-этажные схемы деления, в каждом узле которой происходит деление мощности.

Достоинством такой схемы является: общие потери определяются вносимыми потерями 1 - ого фазовращателя; отсутствует накопление фазовой ошибки.

Недостатком параллельной схемы является сложность согласования при делении мощности на большое количество излучателей.

<0x01 graphic
>

В нашем случае применим схему с последовательным делением мощности (рис. 6.1).

Возбуждение излучателей в решетке осуществляется с помощью щелей, прорезанных в широкой или узкой стенке волновода. Возбуждение щели в волноводе происходит, если она своей широкой стороной пересекает поверхностные токи, текущие по внутренним стенкам. Возбуждение излучателей в каждой линейке будем осуществлять с помощью щелей, прорезанных в узкой стенке питающего волновода, а возбуждение питающих волноводов - с помощью щелей, прорезанных в широкой стенке волновода.

По данным ТЗ (=5см) выбираем волновод WR - 159 с диапазоном частот для основного вида колебаний 4,9ГГц - 7,05ГГц, внутренними размерами (40,38x20,19)мм и внешними размерами (43,63x23,44)мм, толщиной стенок (1,6 ±0,1)мм. (Л6, стр. 104, табл. 3.6)

Для синфазного возбуждения щелей требуется располагать их на расстоянии <0x01 graphic
, а длина волны в питающем волноводе составит:>

<0x01 graphic
>

Проверим возможность распространения высших типов волн - волны Н30

Так как такой волновод применяется в пяти сантиметровом диапазоне волн, то проверим возможность распространения в нем волны типа Н30.

Для волны Н30:

<0x01 graphic
>

В нашем случае > кр, а значит, волна типа Н30 в волноводе не распространяется.

Воспользовавшись энергетическим методом расчета, рассчитаем возбуждение решетки в плоскости X :

Рассчитаем относительную мощность щелей по формуле (Л4, стр.119) :

<0x01 graphic
>

где f(Zn) - амплитудное распределение;

<0x01 graphic
- отношение мощности, поглощаемой в нагрузке РL, к мощности на входе антенны Р0>

<0x01 graphic
для резонансной антенны,>

<0x01 graphic
для нерезонансной антенны.>

Примем <0x01 graphic
>

<0x01 graphic
; где А(n) - амплитудное распределение (рис. 5.1.)>

<0x01 graphic
>

Рассчитаем нормированные проводимости по формуле (Л4, стр.120, формула 5.17):

<0x01 graphic
>

где n - коэффициенты связи щели с волноводом:

<0x01 graphic
>

<0x01 graphic
>

Угол поворота щели определим, воспользовавшись выражением (Л4 , стр.110, табл. 5.1):

<0x01 graphic
>

<0x01 graphic
>

<0x01 graphic
>

<0x01 graphic
>

7. Выбор фазовращателя

В качестве схемы фазовращателя будем использовать электрически управляемый дискретно-коммутационный фазовращатель. Электрически управляемые фазовращатели могут быть построены с применением разнообразных управляемых элементов. В качестве управляемого элемента удобно использовать p-i-n диод, т.к. он обладает свойством резкого изменения своего полного сопротивления под действием управляющего напряжения. Принцип действия дискретно-коммутационного фазовращателя основан на подключении или отключении дополнительных участков полосковой линии, которые удлиняют путь прохождения волны по микрополосковой линии, обеспечивая, таким образом, необходимый фазовый сдвиг.

Длина дополнительного участка линии определяет дискретное значение фазового сдвига, а количество таких дополнительно включаемых линий определяет максимальный сдвиг фазы. Одна из возможных реализаций конструкции вышеописанного фазовращателя приведена на (рис. 7.1). В нашем случае будем применять дискретно-коммутационный ферритовый фазовращатель на прямоугольной петле гистерезиса с дискретом фазы равным 22,5°.

<0x01 graphic
>

При отклонении луча от нормали с плоской решеткой на угол ск

необходим фазовый сдвиг между двумя произвольными излучателями, отстоящими друг от друга на d в плоскости сканирования, который определяется по формуле (Л5, стр.441):

<0x01 graphic
>

Но при этом необходимо учитывать и набег фаз, возникающий при использовании последовательной схемы питания. Оценим возникающий набег фазы по формуле:

<0x01 graphic
>

<0x01 graphic
>

Чтобы компенсировать фазовый набег, возникающий в схеме питания, определим фазовое распределение в решетке как разность x(n)-`x(n), тогда фазовое распределение будет иметь вид:

<0x01 graphic
>

Так как выбранный тип фазовращателя способен обеспечить только дискретный шаг фазы равный 22,5°, то фазовое распределение будет иметь вид :

<0x01 graphic
>

8. Особенности конструкции

Учитывая особенность конструкции схемы возбуждения диэлектрического стержня с помощью волновода, следует учесть, что расстояние между щелями, прорезанными в стенке волновода равно <0x01 graphic
, при 0x01 graphic
=64мм, то d=32мм в Y плоскости антенной решётки, а рассчитанное расстояние между стержнями в плоскости Y dy=27мм. Учитывая эти особенности, рассчитаем новую диаграмму направленности антенной решётки в плоскости Y.>

Диаграмма направленности антенной решетки в плоскости Y:

<0x01 graphic
>

<0x01 graphic
>

При этом вид ДН АР в плоскости X останется неизменным, т.к. расстояние между стержнями АР соответствует расчёту и равно dx=27 мм.

<0x01 graphic
>

9. Список литературы

1. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д.И.Воскресенского. - 2 - е изд., доп. и перераб. - М.: Радио и связь, 1994 г.

2. Оптимальные антенные решетки. Автор: Степаненко В.И., Учебное пособие - М.: АМИ, 2001 г.

3. Антенно-фидерные устройства. Авторы: Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. - 2 - ое изд., доп. и перераб. - М.: «Советское радио», 1974г.

4. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981г.

5. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Изд-во МАИ, 1999 г

6. Справочник по элементам волноводной техники. Авторы: Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. - 2-ое изд., доп. и перераб. - М.: Советское радио, 1967 г


<0x01 graphic
>


<0x01 graphic
>


<0x01 graphic
>

20