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

Текст из файла (страница 3)

Рис. 2.5 Представление двумерной решетки в виде нескольких линейных решеток

Сделанные выше замечания позволяют создать алгоритм расчета взаимных сопртивлений между излучателями в составе плоской ФАР достаточно универсальным и значительно снижающим вычислительные затраты машинного времени по сравнению с решением задачи напрямую.

2.4 Расчет входного сопротивления излучателя с учетом взаимных связей

Входное сопротивление излучателя в составе антенной решетки и находящегося изолированно от других не равнозначны. Это объясняется наличием взаимной связи между излучателями в составе решетки. При сближении элементов взаимная связь возрастает и уменьшается ток каждого отдельного элемента синфазной антенной решетки при неизменной подводимой к излучателю мощности.

Систему входов АР размера описывает следующая матрица сопротивлений

, (2.12)

где - собственные сопротивления излучателей;

- взаимное сопротивление между i и j излучателями.

Амплитудное распределение можно представить в виде матрицы-столбца комплексных напряжений

(2.13)

Токи на излучателях можно представить в виде матрицы-столбца комплексных токов

(2.14)

Тогда матрица сопротивлений [Z] однозначно связывает матрицу напряжений [U] и матрицу токов [I], согласно [3]

(2.15)

Амплитудное распределение в АР задается заранее, матрицу взаимных сопротивлений [Z] можно вычислить, используя методику, описанную в предыдущих разделах работы, тогда матрицу токов [I] на элементах с учетом взаимных связей можно определить через следующее выражение, записанное в матричной форме

, (2.16)

где матрица имеет смысл матрицы проводимости. В этом случае, входное сопротивление для каждого элемента антенной решетки с учетом взаимных связей можно записать в виде [3]

, (2.17)

где n=1…N;

N – общее число излучателей в ФАР.

Например, для ФАР из четырех элементов входное сопротивление первого элемента будет иметь вид

.

2.5 Определение полевых характеристик ФАР

В плоской двумерной ФАР, имеющей направление ориентации главного максимума диаграммы направленности и (рис. 2.4) дискрет фазы между излучателями по оси ОХ и ОY можно представить в следующем виде

, (2.18)

где k – волновое число;

, - шаг решетки по оси ОХ и ОY соответственно.

В этом случае фаза на излучателях будет определяться выражением [3]

, (2.19)

где p=1..m и q=1..n – координаты излучателя по оси ОХ и ОY соответственно;

; - координаты центрального излучателя.

Разность хода лучей от центра излучения решетки и конкретного излучателя до точки наблюдения с угловыми параметрами θ и φ составит

(2.20)

В силу линейности уравнений Максвелла электромагнитное поле антенной решетки представляет собой сумму полей отдельных элементов. Если эти элемениы имеют равные размеры, характеризуются одним и тем же законом распределения излучающих токов и ориентированы в пространстве одинаковым образом, то электромагнитное поле в дальней зоне может быть представлено в виде произведения векторной диаграммы направленности одиночного элемента на множитель направленности АР [3]

, (2.21)

где - амплитудный множитель, зависящий от общей мощности когерентных генераторов, питающих систему излучателей;

- векторная диаграмма направленности одиночного элемента;

- множитель направленности АР.

В главной системе координат отдельных излучателей различаются на величину (2.20). Учитывая, что комплексные амплитуды возбуждения отдельных излучателей могут быть различными, получим следующее представление суммарной диаграммы направленности [3]

(2.22)

Сравнивая выражение (2.21) и (2.22) можно заметить, что множитель направленности АР имеет вид

, (2.23)

где p и q – координаты излучателя по оси ОХ и ОY соответственно;

- общее число излучателей в ФАР;

- разность хода лучей;

- комплексная амплитуда тока возбуждения на (p; q) излучателе.

Таким образом, если задано амплитудное распределение, линейные размеры антенной решетки, то определив по (2.19) и по (2.20) и приняв амплитуду тока , равной амплитуде напряжения возбуждения, можно найти множитель направленности АР без учета взаимной связи. Для учета взаимной связи вместо расчета фазы возбуждения необходимо рассчитать по (2.16) комплексную амплитуду тока и использовать эти значения в (2.23). Тип одиночного излучателя и его геометрия определяют его диаграмму направленности , что позволяет, в конечном счете, рассчитать общую диаграмму направленности ФАР

(2.24)

3. Программы для расчета характеристик ФАР

3.1 Общие сведения

В результате дипломной работы был создан пакет программ, предназначенный для расчета полевых и импедансных характеристик плоской ФАР, излучатели в составе которой представляют собой полосковые вибраторы или резонаторные излучатели, выполненные на многослойном диэлектрике (см. рис.2.1 и рис.2.2). Для каждого типа диэлектрика разработан собственный пакет. Эти пакеты идентичны, имеют одинаковые алгоритмы расчета и интерфейс, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только один из пакетов.

Программный пакет выполнен в рамках математического пакета для инженерных расчетов Mathcad 2001, который благодаря наглядной форме отображения расчетных соотношений и результатов доступен для понимания пользователями. Кроме того, формулы, выходные данные, графики, построенные в данном пакете, могут быть легко импортированы в современные текстовые редакторы, такие как Word, что удобно при создании научных статей, отчетов и других работ.

Пакет, структурная схема пакета приведена на рис. 3.1, включает четыре программы, каждая из которых выполняет определенные функции:

• ФАР_вз_связь.mcd – центральная программа пакета и выполняет расчет определение полевых и импедансных характеристик ФАР с учетом и без учета взаимной связи между излучателями;

• вз_сопрот.mcd – вспомогательная программа пакета и предназначена для исследования зависимости взаимного сопротивления излучателей от расстояния между ними;

• рез_размер.mcd – программа, вычисляющая входное сопротивление излучателя при различной его длине и ширине. Эта программа может быть полезна при определении резонансного размера излучателя bрез;

• ФАР_полоса.mcd – программа выполняющая расчет полевых и импедансных характерисик ФАР в полосе частот по результатам, полученным в программе ФАР_вз_связь.mcd. Эти результаты записаны в файлах данных.

Рис. 3.1 Структурная схема пакета программ

Программы связаны между собой с помощью гиперссылок, изображенные на рис.3.1 в виде стрелок, что позволяет удобно переходить от одной программы к другой не выходя из среды общей Mathcad. Это создает цельность структуры и общность восприятия пакета.

3.2 Программа для расчета полевых и импедансных характеристик ФАР

3.2.1 Описание применения

Программа, имеющая название ФАР_вз_связь.mcd является центральной программой разработанного пакета и выполняет расчет характеристик плоской ФАР, выполненной из полосковых вибраторов или резонансных излучателей на многослойном диэлектрической подложке, с учетом и без учета взаимной связи между излучателями. Выходными данными программы являются:

• входное сопротивление одиночного излучателя;

• входное сопротивление каждого илучателя ФАР с учетом взаимной связи, рассчитанное по (2.17);

• входное сопротивление ФАР и КСВ при последовательной схеме питания;

• входное сопротивление ФАР и КСВ при двоично-этажной схеме питания;

• матрица взаимных сопротивлений (2.12);

• диаграмма направленности ФАР с учетом и без учета взаимной связи, рассчитаная по (2.24).

Входные данные задаются пользователем вручную в тексте программы, состав входных данных представлен в разделе 3.2.4.

3.2.2 Методика испытаний

Объектом испытаний является файл с именем ФАР_вз_связь.mcd, который является программой для расчета полевых и импедансных характеристик ФАР с учетом и без учета взаимной связи между излучателями. Целью испытаний является проверка точности работы программы на конкретной вычислительной установке. Во время испытаний следует проверить прохождение контрольного примера при решении задачи с различными входными параметрами. Испытания следует проводить на той же вычислительной установке, на которой планируется эксплуатация программы.

Для проведения испытаний нужно иметь:

• установленный математический пакет Mathcad 2001 или его более поздние версии;

• файл с именем ФАР_вз_связь.mcd;

• значения входных данных, приводимых ниже;

• таблицу тестовых результатов;

В качестве тестовой задачи выступает расчет АР с равноамплитудным возбуждением размером 2х2 на трех частотах: 1600МГц, 1680МГц, 1740МГц. Полученные в ходе тестирования данные будут являться исходными для тестирования программы ФАР_полоса.mcd. Общие исходные данные следующие:

• f₀=1680 МГц;

• f – одна из трех частот (1600 МГц, 1680 МГц, 1740 МГц);

• N_x=2, N_y=2;

• d_x=0,5; d_y=0,5;

• a=b=0,424;

• d₁=3 мм, d₂=1 мм;

• ε₁=1; ε₂=2,6; ε₃=1; μ₁= μ₂= μ₃=1;

• Δ_x=Δ_y=1;

• Θmax=φmax=0;

• ρ_л=50.

В результате трехкратного выполнения программы (последовательно изменяется только значение частоты f) в той же директории, где расположен файл ФАР_вз_связь.mcd, должны быть созданы три файла данных с именами: DataZ_2.6_1600_MHz.prn, DataZ_2.6_1680_MHz.prn, DataZ_2.6_1740_MHz.prn. Тексты этих файлов приведены в приложении 1.

3.2.3 Руководство пользователя

Программа ФАР_вз_связь.mcd является центральной программой пакета и выполняет расчет полевых и импедансных характеристик ФАР с учетом и без учета взаимной связи между излучателями на одной фиксированной частоте.

Программа разработана в рамках математического пакета для инженерных расчетов Mathcad 2001 Professional. Требования к ресурсам вычислительной техники определяются, в первую очередь, требованиями, предъявляемыми разработчиками данного математического пакета.

Для выполнения программы предъявляются следующие минимальные требования к вычислительной установке и системе:

• вычислительная установка типа IBM PC с процессором Pentium 133 MHz;

• наличие CD-ROM (для установки мат. пакета);

• операционная система Windows 95 или Windows NT 4.0 или более поздние версии;

• объем оперативной памяти не менее 32MB (64 MB рекомендуется);

• объем свободного пространства на диске 1,4 MB (пакет программ) +120 MB (Mathcad);

Для выполнения программы необходимо:

1. Загрузить математический пакет Mathcad;

2. Открыть файл с именем ФАР_вз_связь, имеющий расширение mcd;

3. В разделе Исходные данные для расчета ввести числовые значения указанных там параметров, указывая размерность для абсолютных величин;

4. После ввода исходных данных для начала вычисления нужно нажать клавишу F9, если в установках не указано автоматическое вычисление. Ошибки, которые могут возникнуть на этом этапе – это пустое поле одной из входных величин или же неверно указанная (или вовсе неуказанная) размерность величины. Признаком начала вычислений служит мигающая лампочка курсора. Время вычисления зависит от типа процессора и составляет для ФАР размера 4х4 около 10 минут при использовании процессора Pentium II 650 MHz.

5. По окончании расчетов (признаком окончания является возвращение обычной стрелки курсора) должны быть построены графики, выведены числовые значения, которые могут быть скопированы и через буфер обмена экспортированы в другие пакеты (например Word).

3.2.4 Описание программы

Программа ФАР_вз_связь.mcd является центральной программой пакета и выполняет расчет определение полевых и импедансных характеристик ФАР с учетом и без учета взаимной связи между излучателями. Результаты расчета в виде файлов данных являются исходными для программы полоса.

Характеристики

Список файлов ВКР