Линейная ФАР с рупорными излучателями

 

 

Содержание:

 

1.Введение…………………………………………….……………………….……………………….……………………….2 
2.Расчет геометрии ФАР……………………….……………………….……………………….………………………..5 
3.Выбор размеров волновода……………………….……………………….……………………….………………7 
4.Расчет диаграмм направленности……………………….……………………….…………………………….9 
5.Расчет оптимального рупора……………………….……………………….……………………….…………….14 
6.Выбор схемы питания……………………….……………………….……………………….……………………….15 
7.Расчет делителей мощности……………………….……………………….……………………….……..……..17 
8.Расчет отражательного фазовращателя……………………….……………………….……………………18 
9.Выбор поглощающей нагрузки……………………….……………………….……………………….…………19  
10.Расчет результирующего коэффициента отражения……………………….……………………….20 
11. Расчет характеристик решетки…….……………………….……………………….…………………………21 
12.Описание конструкции системы……………………….……………………….……………………….……..24 
13.Список использованной литературы……………………….……………………….……………………….25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Волноводно-рупорные антенны (ВРА) являются простейшими антеннами сантиметрового диапазона волн. Они могут формировать диаграммы направленности шириной от 100-140° (при раскрыве специальной формы) до 10-20° в пирамидальных рупорах. Возможность сужения диаграммы рупора ограничивается необходимостью резкого увеличения его длины.

ВРА являются широкополосными устройствами и обеспечивают примерно полуторное перекрытие по диапазону. Возможность изменения рабочей частоты в еще больших пределах ограничивается возбуждением и распространением высших типов волн в питающих волноводах. Сравнительно небольшое усложнение (включение в волноводный тракт фазирующей секции) обеспечивает создание поля с круговой поляризацией. Коэффициент полезного действия (КПД) рупора высокий (около 100%). Рупорные антенны просты в изготовлении.

Недостатком рупорных антенн являются:

1. громоздкость конструкции, ограничивающая возможность получения узких диаграмм направленности;
2. трудности в регулировании амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве, которые ограничивают снижения уровня боковых лепестков и создания диаграмм направленности специальной формы.

Рупорные излучатели могут применяться как самостоятельные антенны или, так же как и открытые концы волноводов, в качестве элементов более сложных антенных устройств. Как самостоятельные антенны рупоры используются в радиорелейных линиях, в станциях метеослужбы, весьма широко в радиоизмерительной аппаратуре, а также в некоторых станциях специального назначения. Широко используются небольшие рупоры и открытые концы волноводов   в  качестве  облучателей параболических зеркал и линз. Облучатели в виде линейки рупоров или открытых концов волноводов могут быть использованы для формирования диаграмм направленности специальной формы, управляемых диаграмм или, например, при использовании одного и того же параболоида для создания карандашной и косекансной диаграммы направленности. Четырехрупорный или восьмирупорный излучатель может применяться при моноимпульсном способе пеленгации. С этой же целью могут быть использованы секториальиые рупоры с высшими типами волн ( , , ). Для формирования узких диаграмм направленности могут быть использованы двумерные решетки, составленные из открытых концов волноводов или небольших рупоров. Возможно построение плоских или выпуклых фазированных решеток.

Рупорная антенна (рис. 1) состоит из рупора (1), волновода (2) и возбуждающего устройства (3):

 

 

 

Рис. 1

 

Виды рупорных антенн (рис. 2):

а) пирамидальная;

б) секториальная;

в) коническая;

г) с параболической образующей поверхностью; 
    Рис. 2

 

Для увеличения направленности действия простейшей антенны (симметричного вибратора), уже на первых этапах стали применять систему вибраторов – антенные решетки (АР). В настоящее время антенные решетки наиболее распространенный класс антенн, элементами которых могут быть как слабонаправленные излучатели (металлические и щелевые вибраторы, волноводы, диэлектрические стержни, спирали и т.д.), так и остронаправленные антенны (зеркальные, рупорные и др.).

В питающем антенную решетку тракте (фидере) возможна различная пространственно-временная  обработка сигнала. Изменение фазового распределения в решетке с помощью системы фазовращателей в питающем тракте позволяет управлять максимумом  диаграммы направленности. Такие решетки называются фазированными антенными решетками (ФАР).

Перемещение луча в антенной решетке  в пространстве может быть осуществлено:

1. изменением частоты колебаний подключенного генератора или приемника;
2. изменением фазового сдвига между излучателями с помощью системы включения в питающий тракт фазовращателей;
3. коммутацией излучающих элементов решетки, шага излучателей или отрезков питающих трактов.

Если эти управления положением луча осуществляются электрически, то такие антенны называются электрически сканирующими. Остронаправленные электрически сканирующие антенны позволяют  осуществлять быстрый (безынерционный) обзор пространства, установку луча в заданную точку пространства, сопровождение цели и т.д. Современные устройства СВЧ с полупроводниковыми приборами и электрически управляемыми средами позволяют не только создать управляемое фазовое распределение в антенной решетке (т.е. осуществить электрическое сканирование), но и произвести первоначальную обработку поступающей информации (суммирование полей, преобразование частот, усиление и т.д.) непосредственно в высокочастотном тракте.

Обеспечение заданных требований к решетке с электрическим сканированием при проектировании может быть достигнуто при использовании различных типов излучателей, расстояния между ними, формы решетки и т.д. Одной из главных задач проектирования является нахождение оптимального варианта решетки при заданных требованиях с учетом имеющихся возможностей возбуждения, размещения, изготовления и условий работы.

Главное преимущество АР с электрическим  сканированием заключается в  том, что сканирование происходит при  неподвижной антенне с более высокой скоростью, чем у антенн с механическим сканированием. Также,  как было сказано выше, ФАР может произвести первоначальную обработку сигнала.

ФАР применяются 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 АР можно отнести то, что они представляют собой очень сложные системы с большими габаритами и стоимостью, так же требуют сложных методик расчёта. Применение таких устройств как, например, фазовращатели и других дополнительных систем приводит к увеличению фазовых ошибок, тепловым потерям, к уменьшению коэффициента усиления и резкому удорожанию всей РЛС.

Таким образом, из всего изложенного  становится понятна роль АР в современных  радиотехнических системах, их возможности  в обеспечении требуемых характеристик  антенн и всей радиосистемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет геометрии  ФАР

Выбор АФР

Так как допустимый уровень боковых  лепестков по заданию равен  – 16.5 dB, то выбираем квадратичное распределение по раскрыву:

Множитель направленности в плоскости

 

Волновое число:

Ширина диаграммы направленности:

Линейные размеры для выбранного распределения

Длина волны:

Откуда имеем:

Определение числа  излучателей и расстояния между ними

Расстояние между излучателями находим из неравенства:

где – сектор сканирования луча в горизонтальной плоскости. По заданию

 

 

Число элементов:

Уточнение длины решетки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор размеров волновода

Определение размеров и выбор конкретного типа волновода

Выбор длины широкой стенки осуществляется с помощью неравенства:

 

По полученным диапазонам размеров волновода выбираем по справочнику  волновод МЭК-100. Его характеристики:

Диапазон частот:

И соответственно длин волн:

 

Проверка на электрическую прочность

Найдем максимально-допустимую мощность, передаваемую через наш волновод:

Напряженность электрического поля, при которой происходит пробой в воздухе:

По заданию минимально допустимы  КБВ равен ;

Получаем 

Рассчитаем допустимое значение мощности как  от :

Заданное в задании значение в 25 кВт не превышает допустимую мощность, следовательно волновод выбран правильно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет диаграмм направленности

В силу того, что антенна устанавливается  на кораблях, автомобилях и ЛА необходима оптимизация размеров.

Для этого выберем H-секториальный рупор.

Ширина  диаграммы направленности в плоскости  H (вертикальная плоскость):

Ширина ДН в вертикальной плоскости:

Отсюда находим длину излучателя :

Ширина излучателя

ДН в E-плоскости

 

ДН в H-плоскости

 

 

 

Уровень боковых лепестков:

Ширина ДН на уровне 0,7: 19 град

ДН решетки при нулевом отклонении луча от нормали

 

Множитель решетки:

 

 

 

Уровень боковых лепестков

Ширина ДН на уровне 0,7: 2.2 град ;

 

 

ДН решетки при  отклонении луча от нормали на 19 градусов

 

Множитель решетки:

 

 

Уровень боковых лепестков:

 

 

 

Расчет оптимального рупора

Рассчитаем оптимальную длину  H-секториального рупора:

Найдем длину горловины  рупора из соотношения:

Определим максимальную фазовую ошибку в раскрыве . Данная величина определяется геометрическими размерами рупорами и не должна превышать значения для плоскости H:

Требуемое условие выполнено.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор электрической  схемы антенны

На данном этапе необходимо произвести выбор схемы антенной решетки. Ниже приведено описание различных типов  схем, из которых на основании всех характеристик будет выбрана  оптимальная.

Итак, для возбуждения излучателей  могут быть использованы делители мощности, как оптического вида, так и закрытого тракта. Начнем с антенн оптического типа. Их схемы бывают двух типов: проходные и отражательные. В первом случае энергия идет от облучателя на коллекторную решетку, затем проходит через ВЧ цепи и фазовращатели и переизлучается в требуемом направлении другой решеткой. Во втором случае коллекторная и переизлучающая решетки совмещаются, и мощность от облучателя передается в нужном направлении. К достоинствам излучателей относится простота построения при большом числе излучателей. К недостаткам относится уменьшение коэффициента использования поверхности и увеличение фона бокового излучения из-за так называемого переливания энергии через края решетки. Преимуществом решеток отражательного типа является конструктивное удобство и доступность излучающих элементов при настройке и ремонте.

Делители в виде закрытого тракта могут быть выполнены по схемам последовательного  и параллельного деления. В первом случае на каждый из фазовращателей падает 1/N общей мощности, а потери мощности вносятся одним фазовращателем. Недостатком является различная электрическая длина пути от входа антенны до излучателей, что приводит к фазовым искажениям. При параллельной схеме общие потери определяются потерями в одном фазовращателе. Недостаток – сложность согласования при делении мощности.

В качестве делителей мощности могут  быть использованы волноводные мосты, направленные ответвители и другие подобные устройства.

Если рассматривать влияние  рассогласования излучателей на форму диаграмм направленности и режим работы фидерной системы, то отражения в цепях питания излучателей можно рассматривать в виде следующей схемы: плоская волна, идущая с направления, которое зеркально направлению главного максимума, возбуждает излучатели, а далее происходит переотражение волн, возбуждаемых в фидерной системе от излучателя и делителя мощности. Если в решетке большое число излучающих элементов, то коэффициенты отражения можно считать примерно равными между собой и равными коэффициенту отражения бесконечной решетки. Что происходит с отраженными волнами? Они частично проходят на вход антенны, а частично возвращаются к излучателям, попутно вновь проходя через фазовращатели. Эти волны опять частично излучаются и отражаются, порождая бесконечный цикл. Излучение каждой повторной волны дает дополнительный боковой лепесток в диаграмме направленности.

Примеров фидерной системы, которая  поглощает отраженную волну и, что  очень важно, обеспечивает развязку излучателей, является делитель мощности, у которого направленные ответвители использованы в качестве элементов связи. Рисунок такой системы, у которой только вместо проходных фазовращателей использованы отражательные, представлен ниже. Принцип работы таков: волны, которые отражаются от излучателей, или проходят на вход антенны, или поглощаются в нагрузках направленных ответвителей, но не переизлучаются излучателями. Такой принцип работы делает данную систему оптимальной из всех представленных.

Оценив все преимущества и недостатки, была выбрана последовательная не резонансная (с нагрузкой) схема питания с фазовращателями отражательного типа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электрическая схема проектируемой  ФАР:       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет делителей  мощности (энергетический метод расчета)

Относительная мощность излучения  любой n-ой щели рассчитывается по формуле:

 квадрат заданного распределения  амплитуды по раскрыву.

Принимаем Тогда КПД антенны

На входе мощность принята за единицу.

 коэффициент связи щелей  с волноводом.

N=13 (излучателей)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет отражательного фазовращателя

Типичная конструкция отражательного фазовращателя имеет вид, изображенный на рисунке ниже:

Такой фазовращатель требуется  для изменения фазы проходящей волны  на заданную величину. Характерным  параметром, определяющим конструктивную схему фазовращателя, является величина L, которая определяется из заданного дискрета фазы через соотношение

где – продольная постоянная распространения волны в волноводе.

_{По заданию} 

Расчетная формула для

 

 

 

 

 

 

 

Выбор поглощающей  нагрузки

В данном проекте применяются клиновидные  ферроэпоксидные нагрузки. Главным  ее параметром является длина, расчет которой приведен ниже:

 

 

Длина волны в волноводе:

Искомая длина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет результирующего  коэффициента отражения

При работе рупорной антенны неизбежно  возникает отражение, которое происходит в двух плоскостях: от горла и  от раскрыва. Расчет производится так:

Рассчитаем коэффициент отражения от раскрыва :

Постоянная распространения в волноводе:

 

И соответственно

Найдем коэффициент отражения от горла. Расчет коэффициента отражения от горла производится через эквивалентное сопротивление излучения и затрагивает непосредственно геометрические параметры рупорной антенны. Для начала найдем эквивалентное сопротивление излучения для H-секториального рупора:

 

Рассчитаем сам коэффициент  отражения от горла:

Результирующий коэффициент отражения  рассчитывается через соотношение

Параметр  определяется их равенства:

Эта функция определяет вероятность  появления модуля суммарного коэффициента отражения при исследовании на фиксированной  частоте множества экземпляров  одного и того же тракта.

параметр расчета:

Где:

Отсюда получаем

И

И наконец:

И в завершении проверим КБВ:

В заданное КБВ (0.75) попали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет характеристик  решетки

Расчет КНД решетки

 КНД одиночного излучателя:

где 

 – коэффициент использования  поверхности (КИП) антенны.

Подставим значения в итоге имеем:

  
КНД решетки:

 

Расчет КУ решетки

КУ=КНД КПД – коэффициент усиления антенны. 

 

 

 

 

Описание конструкции  системы

Условно всю рассчитываемую систему  можно разделить на четыре основные части: излучательный рупор, фазовращатель, направленных ответвителей и поглощающая нагрузка. Начнем последовательное их описание. Для удобства можно воспользоваться принципиальной схемой антенны.

На своем пути от генератора к излучательному рупору волна проходит через направленный ответвитель. Основное назначение направленного ответвителя – разделить идущую по волноводу мощность волны в заданном соотношении между  третьим и четвертым плечами, оставив второе плечо без мощности. В нашем случае в качестве направленного ответвителя был выбран двухдырочный направленный ответвитель в виде моста СВЧ.

 

Отделившись от основного волновода, часть мощности волны пойдет по направлению  к фазовращателю. Фазовращатель  используется для изменения фазы проходящей через него волны на заданное значение. В данной антенне был использован дискретный отражательный фазовращатель на основе полупроводникового выключателя. Данное фазоизменяющее устройство состоит из ряда диафрагм с n-i-p-i-n диодами. Расстояние между такими пластинами было рассчитано в соответствующем разделе данной работы на основании заданного дискрета изменения фазы.

Что касается нагрузки, то они могут  иметь различные формы, к примеру, клиновидные или экспоненциальные. Идеальная нагрузка имеет нулевой коэффициент отражения, что говорит о полном выделении на ней отраженной мощности. Основными параметрами нагрузки является ее длина и форма. Если нагрузка экспоненциальная, то ее длина существенно меньше длины волны, в противном же случае ее длина выбирается примерно равной .

Излучателем является рупорная антенна, которая образуется в результате расширения прямоугольного или круглого волновода. При расширении прямоугольного волновода в одной плоскости  образуется секториальный рупор. В  данном курсовом проекте был выбран H-секториальный рупор. Материал рупора – медь.

Так как  антенная решетка устанавливается  на корабле, автомобиле, ЛА необходимо обеспечить защиту от внешних воздействий  уменьшить аэродинамическое, установив  радиопрозрачный обтекатель, выполненный из полиамидного пластика, армированного кварцевым волокном.

 

 

 

 

Список литературы:

1.  «Антенны и устройства СВЧ.  Проектирование фазированных антенных  решеток», Под ред.      Д. И. Воскресенского, М.:  Радиотехника, 2003.

2. «Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток»,  Под. ред.     Д. И. Воскресенского , М.:  Радиотехника, 1994.

3. «Антенны и устройства СВЧ.  Расчет и проектирование антенных  решеток и их излучающих элементов». Под ред. Д.И. Воскресенского. М: Радио и связь,1981.

4. «Антенны и устройства СВЧ.»  Под ред. Д.И. Воскресенского. М:  Советское радио,1972.

5. «Справочник по элементам волноводной  техники». А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич. М.-Л. Госэнергоиздат, 1963.

6. «Антенны и устройства СВЧ». Д.М. Сазонов. М.: Высшая школа, 1988.