Вибраторные излучатели фазированных антенных решеток

/

/

Оглавление

Теоретическая часть

Расчет параметров одного излучателя

Расчет параметров антенной решетки

Описание элементов ДОС

Список используемой литературы

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 E- и 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.

Расчет параметров одного излучателя

Определим геометрические размеры одиночного излучателя

и пусть

и пусть

Диаграмма направленности одиночного элемента

в полярной системе координат

Расстояние от вибратора до экрана

Диаграмма направленности вибратора с учетом отражающего экрана

В полярной системе координат

Расчет параметров антенной решетки

Исходными данными для расчета являются:

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

- 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

Длина решетки

фазированный антенный решетка излучатель

Множитель системы

Диаграмма направленности линейной решётки вибраторных антенн

При угле сканирования

В полярной системе координат

Ширина диаграммы направленности на уровне 0.5 мощности равна

Диаграмма направленности при

В полярной системе координат

Рассмотрим подробнее некоторые элементы 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 линии 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.

Список литературы

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

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

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

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

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