Антенны и устройство СВЧ

Московский Авиационный  Институт

(государственный технический  университет)

 

 

Факультет Радиоэлектроники Летательных Аппаратов

кафедра №406.

 

 

Расчётно-пояснительная  записка

по курсовому  проекту 

по дисциплине «Антены и устройства СВЧ».

 

 

 

 

 

 

 

Проектировал: студент группы 04-317

Авдеенко С.А.

 

Консультировал: доцент

Максимов В.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2003.

1. Введение.

 

 

В данной работе проводится проектирование линейной фазированной антенной решётки (ФАР) с электрическим  сканированием. Одна из самых важных задач проектирования — это нахождение оптимальной антенной решётки при заданных требованиях.

Антенная решётка — это система  излучателей, формирующая диаграмму  направленности какой-либо формы. У линейной ФАР излучатели располагаются на одной линии и управление луча осуществляется фазовращателем. ФАР имеет электрически управляемое фазовое распределение, то есть фаза поля в каждом последующем излучателе отличается от фазы поля в каждом предыдущем излучателе на одну и ту же величину — сдвиг по фазе между соседними излучателями по питанию. Изменяя эту величину, изменяется положение луча в пространстве. Это называется сканированием. При отклонении луча происходит его расширение. Сканирование позволяет осуществлять обзор пространства, обнаружение движущихся объектов и определение их координат.

Таким образом, главное преимущество антенных решёток с электрическим  сканированием заключается в том, что сканирование осуществляется при неподвижной антенне с более высокой скоростью, чем как у антенн с механическим сканированием. ФАР может произвести первоначальную обработку информации в самом тракте СВЧ.

ФАР применяют для  создания сканирующих остронаправленных  антенн, то есть таких антенн, у которых  больше коэффициент усиления, лучше  помехозащищённость и электромагнитная совместимость с другими радиотехническими системами. Решётки применяются в радиолокационных и радионавигационных станциях, в радиосвязи, в космосе и в других областях.

К недостаткам антенных решёток можно отнести то, что  они представляют собой очень сложные системы с большими габаритами и стоимостью, а также требуют сложных методик расчёта.

Применение таких устройств  как, например, фазовращателей и других дополнительных систем приводит к увеличению фазовых ошибок, тепловым потерям, к уменьшению коэффициента усиления.

Поэтому использовать ФАР  с электрическим сканированием  нужно только тогда, когда другие решётки не обеспечивают требуемых характеристик.

 

 

 

2.Расчёт геометрии излучающей  части антенной решетки.

 

 

 

рис.1 Схема ФАР

 

Определим габаритные размеры  решетки.

  2Q_г – это ширина ДН в горизонтальной плоскости,

  2Q_в  - это ширина ДН в вертикальной плоскости.

 

2Q_в  =68.8*l\L_y    2Q_в  =40

2Q_г =50.8*l\L_x        2Q_г =3

 

Находим размеры L_y и L_x   :

 

 L_x=542 мм

 L_y=55 мм

 

Находим размеры ячеек  решетки :

 

 а_р= L_y   а_р=55 мм

 d=l\(1+sin25^o)=22.5 мм

 b_р=d-2t= 20.5 мм

 t = 1 мм

 

 

 

 

Найдём колличество  излучателей :

 

N = L_x + 2t \ d         N = 24

 

Уточняем значение d по формуле :

 

d = L_x + 2t \ N          d = 22.6 мм .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчёт  диаграмм направленности .

 

а) Расчёт ДН одиночного излучателя в горизонтальной плоскости .

 

 

 

 

 

 

 

б) Расчёт ДН одиночного излучателя в  вертикальной плоскости.

 

 

 

 

 

 

 

в) ДН решетки при нулевом  отклонении луча от нормали.

 

 

 

 

 

 

Г) ДН решетки при отклонении луча от нормали на заданный угол сканирования.

 

4. Расчет тракта  СВЧ.

4.1. Выбор электрической  схемы антенны.

 

 

 

 Для возбуждения  излучателей ФАР используются  делители мощности оптического типа и в виде закрытого тракта.

 Схемы антенных  решеток с делителями оптического  типа бывают двух видов : проходные  и отражательные .В первом  случае энергия от облучателя  падает на коллекторную решетку  ,проходит через высокочастотные  цепи 

и фазовращатели ,а затем переизлучается в требуемом направлении другой решеткой .Во втором коллекторная и переизлучающая решетки совмещены. Мощность ,принятая от облучателя ,переизлучается в требуемом направле-

нии.

 Достоинством делителей  оптического типа является простота при большом числе излучателей .В качестве облучателей можно применять облучатели соответствующих зеркальных антенн ,в том числе и моноимпульсных облу-

чателей  для создания суммарно-разностных ДН .Преимуществом решеток отражательного типа является их конструктивное и эксплуатационное  удобство ,заключающееся в доступности излучающих элементов при настройке и замене с неизлучающей стороны решетки .В проходной решетке можно получить лучшие характеристики ,оптимизируя отдельно коллекторную и переизлучающую решетки .

 К недостаткам решеток с  оптическим спосбом возбуждения  элементов следует отнести “переливание”  энергии через края решетки  ,подобно тому как это имеет  место в зеркальных антеннах .Это  приводит к уменьшению коэффициента  использования поверхности и увеличению фона бокового излучения .

 Делители в виде закрытого  тракта выполняются по схемам  последовательного и параллельного  деления мощности .При последовательном  делении мощности фазовращатели  могут быть включены в боковые  ответвления фидерного тракта ,идущие к излучателям .В этом случае в каждый из N фазовращателей проходит 1/N мощности ,а потери мощности определяются потерями ,вносимыми одним фазовращателем. 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 .

 При параллельной схеме деления  мощности ,которая также позволяет использовать маломощные фазовращатели ,общие потери мощности определяются потерями в одном фазовращателе и имеется возможность выравнивания длин отдельных каналов для обеспечения широкополосности .

 

Недостатком параллельной схемы является сложность согласования при делении мощности на большое число каналов .

 В качестве делителей мощности  могут использоваться различные  узлы: волноводные и коаксиальные  тройники ,волноводные мосты ,направленные  ответвители на связанных полосковых  линиях ,а также кольцевые  резистивные делители мощности на полосковых линиях .

 Примером фидерной системы  ,поглощающей отраженную волну  и обеспечивающей развязку излучателей  ,является делитель мощности ,в  котором в качестве элементов  связи используются направленные  ответвители. Волны ,отраженные от излучателей ,проходят на вход антенны или поглощаются в нагрузках направленных ответвителей ,но не переизлучаются излучателями .

 Анализируя написанное выше ,приходим к выводу ,что для  нашей ФАР подходит схема (рис.2) последовательного деления мощности в виде закрытого тракта в которой в качестве элементов связи используются направленные ответвители .

 

 

 

 

 

 

рис.2 Электрическая схема антены.

 

 

 

 

4.2. Выбор  поперечного сечения волновода  .

 

Расчитаем размеры волновода. Размеры волновода выбираются исходя из следующих условий : 0,6l<а<0,9l , b<0,5l , b =a/2 , где   a  и b – размеры широкой и узкой стенки волновода , соответственно.

 Исходя из выше приведённых  формул находим : 1.92см<а<2.88см ; b<1.6см.

Выбираем волновод размерами 22мм * 10мм ,толщина стенки =1 мм.

 

 Необходимо уточнить ,что выбор размера b ограничен величиной пробивного напряжения ,то есть неогранниченном уменьшении  этого размера может наступить электрический пробой. Предельная мощность, пропускаемая волноводом с воолной H₁₀ определяется соотношением:

 

 

 

Kсв= 1\ Кбв = 1.3

 

 Взяв Е_мax =30кВт/см – напряжонность электрического поля, при которой происходит пробой в воздухе, получим :

 

Р_max=500кВт.

 

Допустимая передаваемая мощность по волноводу определяется как :

 Р_доп=(1\3  ~ 1\5)Р_max;

 Р_доп=100кВт.

 

Вывод : заданная мощность (30кВт) меньше допустимой передаваемой, при размерах волновода:

 а=22мм;

 B=10мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3. Расчет  направленных ответвителей.

 

Расчёт коэффициентов  связи:

n – номер направленного ответвителя

N – кол-во излучателей

Ln – длинна щели

h - ширина щели

 

h=l*0.0384

h=1.2288мм

С_n=1/[N-(n-1)]

Значения Ln  и h определяется по графику [1. стр.244]

 

 

       

 

 

                                        Рис.3  Направленный ответвитель.

 

 

 

 

 

 

 

 

n	Cn	Cn, дБ	ln,мм
1	0.042	-13,768	8,64
2	0.043	-13,665
3	0.045	-13,468
4	0.048	-13,188
5	0.05	-13,01
6	0.053	-12,757	8,96
7	0.056	-12,518
8	0.059	-12,291
9	0.063	-12,007
10	0.067	-11,739
11	0.071	-11,487	9,28
12	0.077	-11,135
13	0.083	-10,809
14	0.091	-10,41
15	0.1	-10
16	0.111	-9,547	10,56
17	0.125	-9,031
18	0.143	-8,447
19	0.167	-7,773
20	0.2	-6,99
21	0.25	-6,021	13,12
22	0.333	-4,776
23	0.5	-3,01
24	1	0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4. Расчёт волноводного  моста.

 

 

 

 

 

Рис.4 Волноводный мост.

 

 Этот мост представляет  собой два прямоугольных волновода  с общей стенкой l, которая вырезается. И получается прямоугольный волновод размером А*b. Размер А выбирается так, чтобы в волноводе распространяющимися были волны Н₁₀ и Н₂₀. Таким образом l <А< 1.5l.

 Расчитаем длину моста [3, стр.44] :

 

.

А=2а+2t= 44+2=46мм ,что соответствует А=1.43l.

 

Расчитываемм коэффициент волны  Н₁₀ [ 3, cтр.43] :

 

 

   Kzh10=0.13

 

 

    K=0.19625

    

  Длина моста  l=27мм.

4.5. Расчёт отражающего  фазовращателя.

 

 

Рис.5  Отражающий фазовращатель.

 

 Фазовращатели СВЧ предназначены  для изменения фазы отраженной  или проходящей волны на требуемую  величину. Различают проходные и  отражательные фазовращатели СВЧ.

 Расстояние между диафрагмами  дэльта l выбирается от требуемого дискрета фазы, в нашем случае он равен 3.14\2 ,то есть 90⁰ :

 

 

 Kzh10 определяется из  формулы в предыдущем пункте K_zh10=0.13 находим дэльта l :

 

 

Расчитаем размеры щелей в отражающем фазовращателе. В случае равномерного амплитудного распределения, когда  излучаемая антеной мощность делится  поровну между щелями, амплитуда  напряжения в пучности равна :

 

 

,где Р- подводимая к антене мощность

       N_щ- число щелей =2N

       G_S- проводимость излучения щели

       R_S- cопротивление излучателя

 

 G_S=0.00093

R_S=73.1 Ом

 U_m=1159 B.

 

Ширина щели определяется из формулы :

 

d₁=0.77 мм.

 

Длину щели можно найти  полльзуясь графиком [ 4, стр.120 ]:

x₁=a\2=11мм , x₁\l=0.3437 , 

d\l=2.41*10^-2

l\l=0.244 , следдовательно  длина щели l=0.244*32=7.8мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.6. Выбор поглащающей  нагрузки.

 

 Выберем волноводную  нагрузку, выполненную из радиопоглащающего материала. Берем ферроэпоксидную нагрузку. Качество нагрузки зависит от длинны  l [ 3 ,cтр.34 ].

 

 

 

Рис. 6  Поглащающая  нагрузка.

 

l_в=46.624

 

 Длина нагрузки l=l_в\2=23.3 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.7. Расчёт излучающего рупора.

 

 

                                             

       b                                                                                           a_р

                                                                                                              

   a        1

                   3                              2

                                     h                                                   b_р                        2a₀

 

                    R_E 

 

 

Рис. 7  Излучающий рупор.

 

 Рупорная  антенна состоит из рупора(2),волновода(1) и возбуждающего устройства(3). Размеры  раскрыва пирамидального или  секториального рупора a_p и b_p выбирают по требуемой ширине ДН в соответствующей плоскости или по КНД. В нашем случае рупор пирамидальный, так как a_p>a; b_p>b. Следовательно длину рупора характеризуют два размера:

 h – расстояния от раскрыва до горловины рупора;

 R_E – расстояние от раскрыва до точки, в которой сходятся ребра рупора.

Re=36.6мм ;

 

 Найдем  длину рупора из формулы:

 

 

 

 При выборе  длины секториального рупора  нужно учитывать условия обеспечения допустимой фазовзй ошибки. Максимальная фазовая ошибка в раскрыве j_maxЕ геометрическими размерами рупора и ее величина должна удовлетворять условию:

 

 

Следовательно, допустимая величина j_maxЕ удовлетворяет поставленному условию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.8. Расчет результирующего коэффициента отражения от рупора.

 

 Отражение в рупорной  антенне возникает в двух сечениях: в раскрыве рупора (Г₁) и в его горловине (Г₂). Коэффициент отражения от раскрыва Г₁ является комплексной величиной, его модуль и фаза зависят от размеров раскрыва. Модуль коэффициента отражения от раскрыва для основного типа волны может быть определен из соотношения [4. стр.161 ] :

         

 g - постоянная распространения в прямоугольном волноводе, поперечное сечение которого равно раскрыву рупора:

 

 В соответствии  с этими данными находим 

 Коэффициент отражения  Г₂ выражается через эквивалентное сопротивление излучения:

a₀ и b₀ – углы раскрыва рупора в плоскостях E и H соответственно.

Г₂=0.2 .

 

 

 Модуль  суммарного коэффициента отражения  на выходе длинного тракта  определяется по формуле:

 Значение параметра  х определяется по графику  [ 4, стр.163 ],а КБВ определён по формуле взятой из [ 2, стр.17 ].

 Но это значение  КБВ нас не удовлетворяет, так  как в задании КБВ>0,75.

 Надо произвести  согласование для уменьшения  коэффициента отражения рупора. Для этого поместим штырь в  волновод. После этого коэффициент  отражения рупора | Г_р | =0,01.

 

                                 

 

Рис.8  Согласование рупора штырём.

 

 Пересчитав снова  результирующий коэффициент отражения  получим :

 

| Г_S | =  1,6*[0,5*(0,01²+0,01²+0,01²)]^1/2= 0,02;

 

КБВ=0.79;

 

Требование к КБВ  выполнено. КБВ=0.79 больше данного КБВ в задании.

 

 

 

 

 

 

5. Описание конструкции.

 

 Направленность  действия одного излучателя (например, симметричного вибратора) – простейшей  антенны – невысокая. Для увеличения  направленности действия применяются  системы излучателей – антенные решетки (АР). Фазированные антенные решетки (ФАР) характеризуются включением в тракт системы фазовращателей, осуществляющих управление фазовым распределением для электрического сканирования.

 Элементарная  база линейной ФАР, использованной  в данном проекте, включает в себя: излучатели, направленные ответвители, сам тракт СВЧ, отражательные фазавращатели, мостовые устройства и согласованные нагрузки. Т.к. главным элементом ФАР служит фазовращатель, то от его исполнения (в данном проекте использован отражательный фазовращатель на прямоугольном волноводе) зависит не только тип тракта СВЧ, но и тип излучателя. В качестве излучателя в данной работе выбран рупор; (такие рупора могут применяться при моноимпульсном способе пеленгации, что вполне соответствует заданию – антенна применяется в РЛС бокового обзора и устанавливается на самолете). Направленные ответвители (НО) на тракте СВЧ обеспечивают заданное амплитудное распределение между всеми излучателями системы. Согласующие нагрузки, установленные рядом с НО выполнены из радиопоглощающего материала и служат, соответственно, для поглощения отраженной волны. ФАР может модулировать фазу не только излучаемой, но и принимаемой волны, в соответствии с требованиями к ней.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Список используемой литературы.

 

1. «Антены и устройства СВЧ, проектирование ФАР» Под редакцией Д.И. Воскресенского. “Радио и связь” ,1981 г.
2. Конспект лекций «Линии передачи СВЧ диапазона». Под редакцией В.М.Максимова.
3. Конспект лекций «Устройства СВЧ : основы теории и элементы тракта». Под редакцией В.М.Максимова.
4. «Антены и устройства СВЧ. Расчёт и проектирование антенных решёток и их излучающих элементов». Под редакцией Д.И. Воскресенского. ”Советское радио”,1972 г.
5. «Справочник по элементам волноводной техники» А.Л.Фельдштейн, Л.Р.Явич. Москва Госэнергоиздат ,1963 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Оглавление.

 

 

1.Введение

 

2.Расчёт геометрии  излучающей части антенной решетки.

 

3. Расчет диаграмм  направленности.

 

4. Расчет тракта СВЧ.

 

4.1. Выбор электрической  схемы антенны.

 

4.2. Выбор поперечного  сечения волновода.

 

4.3. Расчёт направленных  ответвителей.

 

4.4. Расчет волноводного  моста.

 

4.5. Расчет отражающего  фазовращателя.

 

4.6. Выбор поглощающей  нагрузки.

 

4.7.  Расчет излучающего  рупора.

 

4.8. Расчет результирующего коэффициента отражения от рупора.

 

5. Описание конструкции.

 

6. Список используемой  литературы.

 

7. Оглавление.