Курсовая_СВЧ (561157), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

При размещении излучателей в узлах координатной сетки с двойной периодичностью синфазное сложение полей отдельных излучателей решетки возможно не только в направлении главного максимума ДН, но и в других направлениях, которым соответствует пространственный фазовый сдвиг, компенсирующий сдвиг фазы между излучателями за счет возбуждения. Тогда помимо главного максимума решетки существуют еще и дифракционные максимумы высших порядков. Пространственная ориентация дифракционных максимумов зависит от расстояния между излучателями. При уменьшении расстояния между ними количество дифракционных максимумов, находящихся в области действительных углов, уменьшается. Для нормальной работы решетки необходимо, чтобы в области действительных углов находился лишь один главный максимум решетки, а дифракционные максимумы отсутствовали.

В вертикальной плоскости сектор сканирования луча θ_ymax=0^o , следовательно, d_y=0

В горизонтальной плоскости сектор сканирования луча θ_xmax=40^o:

Определим число излучателей (N):

(Округляем до большего)

N_X=23

Уточним d:

Диаграммы направленности:

Диаграмма направленности для одного вибратора в горизонтальной плоскости.

• F_sp – ДН 1 вибратора в свободном пространстве

• F_z – множитель, учитывающий влияние земли

• F_p –ДН решетки в горизонтальной плоскости

Диаграмма направленности для одного вибратора в вертикальной плоскости.

Диаграмма направленности для всей решетки в горизонтальной плоскости.

4.Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, используя Θ_ск.

Амплитудное распределение для нашего случая будет иметь вид:

Схема для такого распределения выглядит следующим образом:

Пояснения по схеме:

- делители мощности с указанием их порядкового номера.

Делители в виде закрытого тракта выполняются по схемам последовательного и параллельного деления мощности. В нашем случае это параллельная двоично-этажная схема, в каждом узле которой происходит деление мощности, равное или неравное.

При равном делении двоично-этажная схема может быть сделана широкополосной благодаря использованию отрезков фидера равной длины от входа до каждого излучателя. При неравном делении в полосе частот фазовые и амплитудные искажения в выходных линиях разветвлений будут большими, а полоса более узкой по сравнению со случаем равного деления. 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.

Значения мощностей, выписанные на схеме напротив каждого излучателя, находятся из графика амплитудного распределения, в котором по оси х в пределах N*d_x располагаем 23 (N) излучателей с шагом d_x=35,8

Проведем расчет делителей мощности.

В качестве делителей мощности будем использовать полосковые делители мощности СВЧ.

Находим коэффициент деления по мощности - n², который показывает во сколько раз амплитуда поля в одном канале двухканального делителя больше (меньше) амплитуды поля в другом.

Выпишем доли мощности, приходящиеся на каждый излучатель в соответствии с законом амплитудного распределения:

Произведем расчет коэффициента деления по мощности по формуле:

,где k – номер делителя мощности, Pn - амплитуда поля в одном канале, Pm - амплитуда поля в другом канале.

Расчет n² для 1-го ряда делителей мощности:

Расчет n² для 2-го ряда делителей мощности:

’

’

’

’

Расчет n² для 3-го ряда делителей мощности:

’

’

Расчет n² для 4-го делителя мощности:

’

Расчет n² для 5-го делителя мощности (на входе):

По полученным расчетам можно сказать, что в данной схеме все делители имеют неравное деление.

Кольцевые делители (неравное деление).

На входе и выходе делителя включены четвертьволновые трансформирующие секции с волновыми сопротивлениями Z₁, Z₂, Z₃, Z₄, Z₅. R_б – балластный резистор делителя мощности. Их расчет производится по формулам:

Произведем расчет:

Д ля первого ряда делителей мощности значения волновых сопротивлений (Z) можно рассчитывать попарно, т.к. значения коэффициента деления по мощности совпадают (например у 1.1 и 1.11, 1.2 и 1.10, и т.д.). Значение Z₀ для всех расчетов будет постоянно и равно 50 Ом.

И так, Z для делителей 1.1 и 1.11 (n²=2,337):

Для делителей 1.2 и 1.10 (n²=1,378):

Для делителей 1.3 и 1.9 (n²=1,184):

Для делителей 1.4 и 1.8 (n²=1,102):

Для делителей 1.5 и 1.7 (n²=1,048):

Для делителя 1.6 (n²=1,011):

Расчет Z для 2-го ряда делителей мощности:

Для делителей 2.1 и 2.6 (n²=2,76):

Для делителей 2.2 и 2.5 (n²=1,297):

Для делителя 2.3 (n²=1,176):

Для делителя 2.4 (n²=1,058):

Расчет Z для 3-го ряда делителей мощности:

Для делителей 3.1 и 3.3 (n²=2,674):

Для делителя 3.2 (n²=1,349):

Для делителя 4 (n²=1,7):

Для делителя 5 (n²=2,468):

Выбор фазовращателя.

Управление фазой сигнала в тракте СВЧ производится с помощью устройств с переменными параметрами, изменяющимися под воздействием электрического или магнитного поля – фазовращателей (ФВ). В настоящее время значительное распространение получили ФВ на полупроводниковых диодных структурах. Принцип действия диода основан на том, что при отсутствии положительного напряжения смещения, сопротивление диода составляет единицы кОм; при положительном смещении (U_см=1В), сопротивление падает до единиц Ом и зависит от тока.

Рассмотрим схему дискретного проходного ФВ на p-i-n диодах с использованием 3-дБ направленного ответвителя:

Схема представляет собой восьмиполюсник_, два плеча которого используются как вход (плечо 1) и выход (плечо 2) ФВ, а два плеча (3 и 4) нагружены идентичными отражательными ячейками. Входной сигнал подается в плечо 1 и делится на два сигнала равной амплитуды, поступающих в плечи 3 и 4. Фазы этих сигналов отличаются на 90˚. Поступившие в плечи 3 и 4 сигналы отражаются причем, фазы отраженных сигналов определяются входным сопротивлением отражателей, а следовательно, наличием или отсутствием положительного смещения на p-i-n-диодах. Отражательные сигналы складываются синфазно в плече 2 и поступают в нагрузку. Согласование по входу такого ФВ в полосе частот определяется главным образом частотными свойствами направленного ответвителя и идентичностью коэффициентов отражения ячеек.

В реальных ФВ наличие малого но не равного нулю сопротивления диода r в открытом состоянии и большого, но не бесконечного сопротивления R закрытого диода приводит к потерям мощности. Параметром, определяющим качество диода служит:

(100<K<2000 – у реальных диодов).

В оптимизированном ФВ потери (дБ) определяются по формуле:

Взяв К=1000, ==/2, получаем L_фв=0.517 дБ.

Эти потери (в дБ) можно выразить так же по формуле:

,где P_вх и P_вых – мощности на входе и выходе фазовращателя соответственно.

Отсюда, применяя известное соотношение:

находим, что КПД данного фазовращателя, с учетом конечного качества диодов, составляет 88.

КНД, КУ, КПД и полоса частот проектируемой решетки.

Коэффициент направленного действия (КНД) является мерой концентрации излучения в пространстве, которое осуществляется антенной. Следует заметить, что направленные свойства антенны непосредственно связаны с характером ДН и зависят от ее геометрических размеров и типа антенны, а так же ее расположения.

КНД (D) – это отношение вектора Пойнтинга П, создаваемого антенной в данном направлении, к значению вектора Пойнтинга эталонной антенны П_эт в этом же направлении при одинаковых расстояниях r до рассматриваемой точки и равных излучаемых мощностях:

или число, показывающее, во сколько раз необходимо увеличить мощность излучения P_ при переходе от данной антенны к эталонной, чтобы сохранить неизменной напряженность поля в точке приема.

При отклонении главного максимума от нормали к плоскости прямоугольной решетки в главных плоскостях XOZ, YOZ для определения ширины ДН и КНД можно ввести понятие эквивалентного размера и эквивалентной площади решетки:

В приведенных формулах:

L_xэ, L_yэ=0 – эквивалентные длины решетки по осям X, Y, при отклонении луча по нормали в плоскостях XOZ, YOZ на угол _гл1, _гл2 , соответственно;

N_x, N_y=1 – число строк и столбцов, образованных излучателями решетки, параллельных соответственно осям X и Y прямоугольной системы координат;

d_x, d_y=0 – расстояния между излучателями решетки по горизонтали и вертикали.

L_хэ = 822 (мм);

L_уэ = 60.96 (мм);

S_экв = 5.011*10⁴ (мм²).

Для оценки изменения КНД плоской решетки с указанным отклонением максимума ДН от нормали к плоскости решетки, можно воспользоваться соотношением:

где D₀ – значение КНД в направлении перпендикуляра к плоскости решетки, т.е. при ориентации луча по нормали, вычисляемое по формуле:

где  – коэффициент использования площади раскрыва, определяемый амплитудным распределением;

 = 60 мм – заданная длина волны;

S – площадь раскрыва при указанной ориентации луча;

Однако, т.к. в данном проекте в качестве излучателей используются симметричные полуволновые вибраторы, говорить непосредственно о площади раскрыва нельзя (вибратор не имеет площади раскрыва, как таковой, в отличие от, например, другого типа излучателя – открытого конца волновода, имеющего некоторую площадь сечения). Возьмем известные значение КНД одиночного симметричного полуволнового вибратора, установленного над экраном на высоте /4, при ориентации луча по нормали:

D₀=6.4; как следствие, КНД решетки: D_0р=N*D₀=172.8;

где N – число излучателей в решетке, равное 23.

Учтем, что с увеличением величины _гл КНД решетки спадает от нуля по функции cos(),т.е. D(_гл)=D₀cos(_гл);

Если генераторы, возбуждающие излучатели, согласованны с фидерами, идущими к излучателям, и тепловые потери отсутствуют, то отличие КУ антенной решетки от КНД определяется энергией, отраженной от излучателей:

где Г(,) – коэффициент отражения в фидерах, возбуждающих излучатели.

Коэффициент Г связан с входным сопротивлением излучателя Z_a известным в теории линий передачи соотношением:

где Z₀=50 Ом – волновое сопротивление фидера, к которому подключен излучатель.

Рассматривая вибратор, как двухпроводную симметричную разомкнутую линию длиной l и не учитывая изменение фазы возбуждения элементов решетки при сканировании и, как следствие, изменение входного сопротивления в зависимости от (,), для входного сопротивления в предположении малых потерь имеем:

где

 - постоянная затухания;

_в – волновое сопротивление вибратора:

a – радиус поперечного сечения вибратора.

В данном случае 2l=/2; при приближенных расчетах в случае тонких симметричных вибраторов можно принимать _в1000 Ом.

Для определения постоянной затухания  воспользуемся формулой:

где - сопротивление излучения симметричного вибратора.

Взяв l=/4 (в работе используется полуволновой вибратор) и произведя вычисления по заданным формулам, получим:

Коэффициент усиления решетки, по указанному выше соотношению, будет иметь вид:

При ориентации луча по нормали, имеем максимальные значения КНД и КУ решетки:

142.002

Итак, различие в значениях максимальных КНД и КУ проектируемой решетки появляются вследствие несогласованности фидерного тракта и излучающего элемента и появления коэффициента отражения Г. КПД проектируемой решетки может быть найден по формуле:

Однако, т.к. коэффициент отражения Г был учтен при расчете КНД и КУ, потери в решетке будут определяться потерями в фазовращателях. Находим, что КПД проектируемой решетки составит не более 88%.

Естественно, что КПД реальной ФАР будет существенно отличаться от этой величины и составит не более 4060.

При оценке частотных свойств ФАР, предположим, что рабочая полоса частот таких ее устройств, как фазовращатели (в данной работе используется фазавращатель с полосой частот 3.5) и излучатели не уже полосы частот решетки.

Если при изменении частоты фазовое распределение остается неизменным, то луч, формируемый раскрывом, смещается на угол:

в данном случае полоса частот задана (3.5) и _гл=35, исходя из чего получаем: =2.171. Размер раскрыва и ширина луча не влияют на смещение. При одном и том же изменении частоты, смещение зависит от направления луча и оно тем больше, чем сильнее луч отклонен от нормали к раскрыву. Полоса частот, в которой смещение луча не превышает половины его ширины (*), определяется соотношением:

подставляя в эту формулу известные  и L_x, L_y, получим

f/f3.1; из чего следует, что заданная полоса частот удовлетворяет условию (*).

Частотное смещение луча приводит к уменьшению усиления в исходном направлении. f2_0.5=3.5 - требуемая полоса частот.

Список литературы.

1. “Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток.” Под редакцией Воскресенского Д.И. Москва, Радио и связь, 1981 г.

2. Воскресенский Д.И.; Гостюхин В.Л.; Максимов В.М.; Пономарев Л.И.

“Антенны и устройства СВЧ.” Москва, издательство МАИ, 1999 г.

3.“Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов.” Под редакцией Воскресенского Д.И. Москва, издательство “Сов. радио” 1972 г.

4. “Микроэлектронные устройства СВЧ” под редакций проф. Г.И. Веселова,

Москва “Высшая школа”, 1988г.

5. “Справочник по расчету и конструированию СВЧ – полосковых устройств” под ред. В.И. Вольмана, Москва, Радио и связь, 1982г.

24

Характеристики

Список файлов курсовой работы