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

Текст из файла

Московский Авиационный Институт

(Государственный Технический Университет)

Пояснительная записка к

курсовой работе

по антеннам и устройствам СВЧ:

«Расчёт и проектировка ФАР»

Студент гр.04-316 : Якимушкин Д.О.

Преподаватель : Пономарёв Л.И.

Москва 2005г.

1.Оглавление

стр.

1. Оглавление………………………………………………………………….……2

2. Введение……………………………………………………………………………3

3. Определение геометрических размеров…………………..6

1.Введение

Проектирование антенн сверхвысоких частот.

Антенно-фидерное устройство, обеспечивающее излучение и прием радиоволн, является неотъемлемой частью любой радиотехнической системы. К антенне предъявляется ряд технических требований, вытекающих из назначения радиосистемы, в которой она применяется. Условия размещения и работы антенны влияют на ее характеристики. Реализуемость требуемых направленных свойств, частотных, энергетических и др. характеристик антенны во многом зависит от рабочего диапазона волн. В диапазоне СВЧ антенны создают остронаправленное излучение с шириной луча в единицы и доли градусов и имеют коэффициент усиления, достигающий десятков и сотен тысяч.

Кроме радиолокации, устройства СВЧ используются в телевидении, радиоуправлении, радионавигации, радиосвязи, телеметрии, в ускорительных установках.

В настоящее время широкое распространение получили остронаправленные сканирующие антенны СВЧ. Сканирование позволяет осуществлять обзор окружающего пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. Замена слабонаправленных антенн остронаправленными сканирующими антеннами позволяет получить не только энергетический выигрыш в системе благодаря возрастанию коэффициента усиления антенны, но и в ряде случаев ослабить взаимное влияние одновременно работающих различных радиотехнических систем, т.е. обеспечить электромагнитную совместимость этих систем. При этом могут быть улучшены помехозащищенность, скрытность и т.д.

Применение фазированных антенных решеток (ФАР) для создания сканирующих остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению получаемой информации о распределении источников излучения или отражения э/м волн в окружающем пространстве.

Основные требования к антенным системам СВЧ и возможности применения антенных решеток.

Основные требования, предъявляемые к антенне, определяются объемом обрабатываемой информации и связаны с дальностью действия, разрешающей способностью, точностью определения координат, быстродействием, надежностью, помехозащищенностью и другими характеристиками радиотехнической системы.

Требования направленности действия антенны предопределяют форму и ширину пространственной диаграммы направленности (в 2 главных плоскостях), допустимый уровень боковых лепестков, коэффициент направленного действия (КНД) и поляризационную характеристику антенны. Поляризационная характеристика определяет: поляризацию излучаемых и принимаемых волн, допустимый уровень кросс поляризационного излучения при линейной поляризации поля излучения.

Энергетические характеристики передающих и приемных антенн позволяют определить: мощность сигнала на входе приемного устройства, максимально допустимую мощность излучения, при которой обеспечивается электрическая прочность и допустимый тепловой режим, мощность, требуемую для управления положением луча в пространстве, мощность СВЧ потерь в антенно-фидерном тракте и мощность шумов в приемной антенне. Эти мощности характеризуются: КУ антенны, КПД антенны и используемых устройств СВЧ, шумовой температурой, входным сопротивлением, добротностью антенны и допустимой напряженностью электрического поля.

Частотные свойства антенн характеризуются наибольшим изменением частоты излучаемого (принимаемого) сигнала, при котором основные параметры антенны не выходят за допустимые пределы. Частотные свойства в зависимости от требований к радиосистеме, в которой будет использована проектируемая антенна, определяется по изменению направленности действия или энергетических характеристик. Требуемая полоса частот определяется условием одновременного излучения или приема антенной сигнала с заданным спектром частот. Диапазон частот определяется условием работы антенны последовательно во времени на различных частотах рабочего диапазона, т.е. допускает при изменении рабочей частоты радиосистемы синхронное изменение некоторых параметров антенны. Например, в антенной решетке с электрическим сканированием, чтобы сохранить направление луча в пространстве при изменении рабочей частоты передатчика, изменяется фазовое распределение вдоль решетки.

С помощью пеленгационных характеристик определяются угловые координаты объектов и точность их измерения.

ФАР осуществляет электрическое сканирование луча в пространстве со скоростью, которая может быть на несколько порядков выше скорости механически сканирующих антенн.

Решетки из остронаправленных антенн позволяют увеличить предельно-реализуемую разрешающую способность, усиление и максимально излучаемую мощность. Решетки позволяют создать многофункциональные антенны, в которых с помощью электрически управляемых устройств СВЧ меняются форма и ширина ДН в зависимости от выполняемых радиосистемой функций.

В антенной решетке можно включить направленные ответвители (НО), фазовращатели, коммутаторы и др. элементы, обеспечивающие требуемое распределение или управление.

В конструктивном отношении применение антенных решеток позволяет уменьшить продольные размеры (в направлении нормали к плоскости решетки) остронаправленных антенн, а, следовательно, занимаемые ими объемы.

Антенны с электрическим сканированием.

Антенны с электрическим сканированием в общем случае могут рассматриваться как решетки с управляемым фазовым или амплитудно-фазовым распределением. В таких антенных решетках применяются различные типы излучателей и канализирующих систем, а также разнообразные способы возбуждения излучателей и управления амплитудно-фазовым распределением при сканировании. В линейных и плоских антенных решетках при электрическом сканировании меняется эквивалентный излучающий раскрыв, т.е. проекция раскрыва на плоскость, нормальную к направлению луча и меняются направленные свойства.

Ширина ДН каждого излучателя, их число и расположение в решетке определяются требованиями к направленности действия антенны, пространственному сектору сканирования, условиями размещения и эксплуатации антенны.

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, размещения, изготовления и условий работы.

Возбудить излучатели можно с помощью волноводов, коаксиальных и полосковых линий и др. типов канализирующих систем по параллельной, последовательной, ветвистой и др. схемам питания.

Выбор схемы возбуждения при проектировании определяется способом сканирования, допустимыми потерями в антенне, а также габаритами и массой.

При неизменной рабочей частоте радиосистемы управление фазовым распределением в антенне с электрическим сканированием возможно с помощью фазовращателей. Этот способ наз. фазовое сканирование луча антенной решетки. Включение системы фазовращателей в возбуждающее антенну устройство (делитель мощности) позволяет осуществить электрическое сканирование.

Особенности расчета ФАР.

В антенных решетках имеют место сложные явления взаимодействия излучателей, проявляющиеся в изменении направленности и входного сопротивления излучателя при включении его в решетку. В результате в решетке могут существенно измениться направленные свойства и энергетические характеристики антенны по сравнению с характеристиками, найденными без учета взаимодействия. В настоящее время интенсивно разрабатывается теория учета вза­имодействия в антенных решетках СВЧ. Инженерные методы расчета взаимодействия известны только для некоторых типов излучателей и определенного их расположения. Учет этого взаимодействия, изменяю­щегося при управлении фазовым распределением, в значительной сте­пени затрудняет расчет фазированных решеток СВЧ.

Взаимодействие излучателей в ФАР зависит от типа используемых излучателей, их размещения, по-разному влияет на характеристики антенн. Так взаимодействие резонансных слабонаправленных излу­чателей (резонансных вибраторов, резонансных щелевых антенн) в решетке приводит к существенному изменению входного сопротив­ления и резонансных свойств, так что при сканировании входное со­противление каждого излучателя в системе и согласование возбуждаю­щего тракта зависят от направления луча в пространстве. При этом изменение распределения излучающего тока (поля) и соответственно ДН излучателя незначительно.

Взаимодействие излучателей в антенных решетках различных типов (например, типа бегущей волны — диэлектрических стержневых, спи­ральных антеннах, волновых каналах или апертурных — волноводных, рупорных) проявляется в изменении распределения тока в излу­чателе и соответственно в изменении ДН элемента. Изменение ДН из­лучающего элемента в решетке проявляется в существенном измене­нии ее ширины и в появлении глубоких провалов (изрезанность), что приводит к значительному падению усиления антенн при некоторых положениях луча в пространстве и соответственно к рассогласованию возбуждающего тракта. Эффект взаимного влияния излучателей можно исключить путем соответствующего размещения излучателей, выбора их типа и размеров, применения диэлектрических покрытий и других «специальных мер. Поэтому в настоящей книге наряду с общими вопросами проектирования ФАР рассмотрен расчет излучающих элемен­тов решеток.

Нахождение оптимального варианта сканирующей антенны для за­данных требований с учетом характеристик излучателей, фазовращателей, канализирующих систем и других устройств СВЧ, которыми располагает разработчик, при проектировании значительно увеличи­вает объем всех проводимых расчетов.

Отдельные разделы теории антенных решеток СВЧ и электрического сканирования, опубликованные в литературе, предназначены в ос­новном для специалистов по антенным решеткам. Изучение и исполь­зование этой литературы при расчетах антенн различного назначения требуют больших затрат времени, что создает трудности при ин­женерном проектировании. Это привело к необходимости ввести ряд приближений и упрощений, что повлияло на точность расчета характе­ристик и привело к ограничению пределов их применимости.

Существуют различные методы расчета рассматриваемых антенн, отличающиеся точностью получаемых результатов и степенью слож­ности расчетов. Характеристики антенн, найденные с помощью приво­димых инженерных методик, могут быть уточнены с помощью более строгих методик расчета.

Проектирование ФАР связано с решением внешних и внутренних электродинамических задач теории антенн. При использовании при­ближенных методов анализа можно допустить независимое решение внешних и внутренних задач. Решение этих задач с учетом их взаимо­связи позволяет производить расчет характеристик антенн и поиск оп­тимального варианта антенны, наиболее соответствующего поставлен­ным требованиям. Такой подход позволил создать независимые мето­дики инженерного расчета антенных решеток с электрическим скани­рованием, решеток излучателей и их элементов.

3.Определение геометрических размеров ФАР

Найдем геометрические размеры Lx и Ly исходя из заданных значений длины волны и выбранного нами УБЛ(-22,4 дБ).(Рис.1)

=0,1

Выбираем коэффициенты:

Рассчитываем Lx и Ly:

(мм)

Для заданной полосы частот ±3%:

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:

В горизонтальной плоскости сектор сканирования луча

Для заданной полосы частот ±3%:

(мм)

(мм)

Выбираем максимальные значения для нормальной работы.

Определим число излучателей N:

Выбор размеров волновода

Основной волной в прямоугольном волноводе является волна . При выборе размеров поперечного сечения волновода с основной волной исходят из условий, при которых волна находится в докритическом режиме, а высшие типы волн находятся в закритическом режиме.

0.5; b<0.5

Практические формулы для выбора размеров поперечного сечения волновода имеют вид:

0.6 и b0.5a

Исходя из этого по справочнику выбираем стандартный волновод.

Внутренние размеры волновода: а=22.86 мм b=10.16 мм

Внешние размеры волновода: a=25.4 мм b=12.7 мм

Толщина стенок t=1.27 мм

Предельная мощность, пропускаемая волноводом с волной :

КБВ=0,692 КСВ=1,445

E = 30 кВ/см напряженность поля, при которой происходит пробой в воздухе.

Допустимая мощность = 1/5 предельной, равна 13,28 кВт.

Расчет излучающего рупора.

Длинна рупора в плоскости Н определяется:

Длинна рупора в плоскости Е определяется:

5. Выбор фазовращателя.

Выбираем невзаимный двухстержневой фазовращатель с ферромагнитным терроидальным сердечником.

Характеристики фазовращателя:

Частота, Ггц 9.5…10.5

Фазовый сдвиг, град 360

Мощность,Вт

Импульсная 250

Средняя 3

Сигналов переключения 0.33

Время переключения, мкс 200

Масса, г 21

Выбор длины фазовращателя:

6.Расчёт коаксиального кабеля.

Для того чтобы все высшие типы волн находились в закритичном режиме, необходимо выполнение условий:

1) ∙(R+r)< R+r<1.051 см

R=0.7 см r=0.1см

2) P

Pmax=E²_max r² ln(R/r)/120 кВт где E²_max=30 кВт

Pmax=146кВт

Условие 1 и 2 выполняются

3.Диаграммы направленности:

3.1Диаграмма направленности изолированного излучателя в вертикальной плоскости

3.2 Диаграмма направленности изолированного излучателя в вертикальной плоскости

3.3Диаграмма направленности для всей решетки в горизонтальной плоскости при нулевом отклонении луча.

3.4 Диаграмма направленности ФАР при отклонении луча от нормали на заданный(максимальный) угол сканирования.

3.5 Диаграмма направленности ФАР при изменении частоты на 3%.

4.Расчёт делителя мощности.

Делитель мощности СВЧ необходим, чтобы сформировать амплитудное распределение, подводимое к волноводным излучателям, для получения требуемой пространственной диаграммы направленности фазированной антенной решетки.

Амплитудное распределение:

Расчет делителей мощности:

ФАР симметрична.

Делители 1 и 13 Делители 2 и 12

Делители 3 и 11 Делители 4 и 10

Делители 5 и 9 Делители 6 и 8

Делитель 7 симметричен

Делитель 14 Делитель 15

Делитель 16 Делитель 17

Делитель 18 Делитель 19

Делитель 20 Делитель 21

Делитель 22 Делитель 23

Делитель 24

7.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.

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

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов курсовой работы