Расчёт и проектирование ФАР

Московский Авиационный Институт

(Государственный Технический Университет)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка к курсовой работе

по антеннам и устройствам СВЧ на тему:

«Расчёт и  проектирование ФАР»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Студент группы 04-315

Касиянчук О.С.

                                                                                                  

Консультировал: Терехин О.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2010 г.

Оглавление

 

Оглавление………………………………………………………….……2

1. Введение………………………………………………………….………3
2. Расчет излучающей части ФАР……………………………………….…5

2.1 Выбор излучателя……………………………………..………….…5

2. Определение геометрических размеров решетки……….….……5
3. Выбор размеров волновода…………………….…………………..7
4. Амплитудное распределение…………………….………………….8
5. Диаграмма направленности…………………….……………….….9
3. Расчет тракта СВЧ…………………….………………………..……….13
1. Выбор электрической схемы антенны…………………..……….13
2. Расчет направленных ответвителей.………….……………….….14
3. Выбор фазовращателя……………………….……………..….….16
4. Расчет делителя мощности…………………………..….…………17
5. Выбор поглощающей нагрузки……………………..……………17
6. Расчет характеристик ФАР (КПД, КНД, КУ)……..…..…………18
4. Описание конструкции……..….………………………………….……20
5. Список используемой литературы……………………………..….…22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Введение.

 

Антенны современных  радиотехнических систем. Антенно-фидерное устройство, обеспечивающее излучение  и приём радиоволн, - неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Требования к техническим характеристикам антенн вытекают из назначения радиосистемы, условий размещения, режима работы, допустимых затрат и т.д. Реализуемость необходимых направленных свойств, помехозащищённости, частотных, энергетических и других характеристик антенн во многом зависит от рабочего диапазона волн.

Антенны СВЧ  широко применяют в различных  областях радиоэлектроники – связи, телевидении, радиолокации, радиоуправлении, а также в системах инструментальной посадки ЛА, радиоэлектронного противодействия, радиотелеметрии и др.

Широкое распространение  получили остронаправленные сканирующие  антенны. Сканирование позволяет осуществлять обзор пространства, сопровождение  движущихся объектов и определение  их угловых координат. Замена слабонаправленных  или ненаправленных антенн остронаправленными сканирующими позволяет не только получать энергетический выигрыш в радиотехнической системе за счёт увеличения коэффициента усиления антенн, но и в ряде случаев ослаблять взаимные влияния одновременно работающих различных систем, т.е. обеспечивать их ЭМС. При этом могут быть улучшены помехозащищённость, скрытность действия и другие характеристики системы. При механическом сканировании, выполняемом поворотом всей антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при современных скоростях ЛА оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн.

Применение  ФАР для построения сканирующих  остронаправленных антенн позволяет  реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению объема информации о распределении  источников излучения или отражения  электромагнитных волн в окружающем пространстве. Современные устройства СВЧ с электронными приборами  и электрически управляемыми средами  позволяют не только создавать управляемое  фазовое распределение в антенной решётке  (т.е. осуществить электрическое  сканирование), но и первоначально  обработать поступающую информацию непосредственно в СВЧ – тракте антенны.

Дальнейшее  улучшение характеристик радиотехнических систем с ФАР, таких как разрешающая  способность, быстродействие, пропускная способность, дальность обнаружения, помехозащищённость, можно обеспечить, совершенствуя методы обработки  сигналов, излучаемых и принимаемых  антенной. При этом антенна служит первичным звеном обработки и  в значительной мере определяет основные характеристики всей системы. В зависимости  от назначения системы и требований к её характеристикам применяют  антенны с различными методами обработки. Одним из вариантов является адаптивная антенная решётка, которую в системе  обработки радиосигнала можно рассматривать  как динамический самонастраивающийся  пространственно-временной фильтр с автоматически меняющимися  характеристиками направленности, частотными свойствами и другими параметрами. Известны также иные антенны с обработкой сигнала: самонастраивающаяся, с синтезированным раскрывом, с временной модуляцией параметров, с цифровой обработкой, с аналоговой пространственно-временной обработкой методом когерентной оптики и т.д.

Характеристики  антенны предопределяют ряд основных параметров всей радиосистемы. Так, в  радиолокационных станциях разрешающая  способность и точность определения  угловых координат, скорость перемещения  луча в пространстве, помехозащищённость и т.п. зависят от антенных характеристик.

В последние  годы стали широко использовать микроэлектронные устройства СВЧ, полосковые и микрополосковые линии передачи, в том числе выполненные на них фазовращатели, коммутаторы, усилители и т.п. Потенциальные возможности микроэлектроники в уменьшении массы и объёма радиоаппаратуры могут быть реализованы при соответствующем построении антенн, отказе от традиционных их типов и переходе к печатным антенным решёткам.

Многообразие  существующих антенн принято классифицировать по рабочим диапазонам волн, электрическим  характеристикам, конструкторско-технологическому исполнению, областям применения и  т.д. Критерием классификации может  служить обработка информации (сигнала), происходящая в антенне и СВЧ-тракте. Такая обработка может осуществляться на частотах принимаемого (излучаемого) сигнала, на более высоких или более низких частотах, быть линейной или нелинейной, аналоговой или цифровой, адаптивной и т.д. Так как поле, падающее на отдельный элемент решётки, характеризуется поляризацией, амплитудой и фазой, то и обработка сигналов должна быть поляризационной по амплитуде и фазе.

Типы антенных решёток и их классификация. Антенные решётки принято классифицировать в зависимости от расположения излучателей  в пространстве, размещения их в  решётке, шага решёти, способа возбуждения  и сканирования, типа применяемого излучателя и т.д. В зависимости  от геометрии расположения излучателей  в пространстве АР подразделяются на одномерные (линейные, кольцевые, дуговые), двухмерные (поверхностные) и трёхмерные. К одномерным относятся линейные, кольцевые и дуговые решётки; к двухмерным – плоские и выпуклые решётки, наиболее распространёнными из которых являются осесимметричные решётки цилиндрические, конические и сферические. К выпуклым можно отнести и многогранные АР, представляющие пространственную систему плоских решёток, располагаемых на гранях выпуклых многогранников.

Размещение  излучателей в решётке можно  описать математически с помощью  системы, в узлах координатной сетки  которой располагаются излучатели. Так как размещение излучателей  в плоских и выпуклых решётках может быть эквидистантным, неэквидистантным, разреженным по определённому закону, случайным, то для описания его используют различные ортогональные и неортогональные координатные системы. На практике размещение излучателей в решётке жёстко ограничивается возникновением побочных максимумов (дифракционных максимумов высшего порядка), допустимым УБЛ и падением коэффициента усиления антенны, конструкцией отдельных элементов и всего полотна, устройствами возбуждения и управления луча. Наиболее распространены эквидистантные решётки, у которых все излучатели размещаются с постоянным шагом по каждой координате плоского раскрыва или в отдельных её частях – модулях решётки.

АР классифицируют по способу возбуждения. Различают  так называемый пространственный способ возбуждения, при котором антенная решётка, как и зеркальная антенна, возбуждается облучателем. В этом случае возможны два варианта ФАР проходной  и отражательный. Второй способ возбуждения  – фидерный, при котором решётку  возбуждают системой линии передач  СВЧ. При этом возможны следующие  схемы питания излучателей ФАР: последовательная, параллельная и двоично-этажная (ёлочка).

АР принято  также классифицировать по типу используемых излучателей. В качестве элемента АР применяют слабонаправленные, направленные и остронаправленные антенны  с различными частотными свойствами, поляризацией поля, потерями и максимально  допустимой мощностью излучения. Ширина ДН излучателя в решётке должна быть не менее сектора сканирования луча.

Выбор схемы  построения АР определяется требованиями к радиотехнической системе, для  чего необходимо знать характеристики антенн и учитывать способ обработки  СВЧ-сигнала.

1. Расчет излучающей части ФАР

 

Рис.1 Антенная решета

 

 

Выбор излучателя

 

В качестве излучателя ФАР выберем рупорную антенну. Рупорные антенны представляют собой расширение прямоугольного или круглого волновода. При расширении прямоугольного волновода только в одной плоскости образуется секториальный рупор. В зависимости от того, в какой плоскости происходит расширение, различают H- и E-плоскостные секториальные рупоры. При расширении волновода в обеих плоскостях образуется пирамидальный рупор. При расширении круглого волновода получается конический рупор. Кроме того, постепенный переход от поперечного сечения волновода к раскрыву рупора улучшает его согласование со свободным пространством, уменьшая коэффициент отражения от раскрыва. Также достоинствами рупорных антенн является простота конструкции и хорошие диапазонные свойства. Недостатком является необходимость выбора большой длины для получения остронаправленного излучения.

Выберем E-секториальный рупор. Расширение происходит в E-плоскости. Это позволит обеспечить необходимую ширину ДН в горизонтальной плоскости. Выбор рупорной антенны в качестве излучателя обеспечит также необходимую полосу рабочих частот.

Для достижения заданных ширины ДН и сектора  электрического сканирования в горизонтальной плоскости построим линейную ФАР из нескольких E-секториальных рупорных антенн. Расположение излучателей выберем эквидистантное.

 

Определение геометрических размеров решетки

 

Выбираем допустимый уровень боковых лепестков исходя из заданного уровня ( дБ) с учетом запаса: дБ и определяем размеры решетки (в сантиметрах):

 

 

где:  – ширина диаграммы направленности решетки по уровню 0,707 поля в вертикальной (горизонтальной) плоскости;

 

 

 – длина волны в решетке с учетом требуемой полосы частот( см);

 – размер решетки по оси x(y);

 – коэффициент, ;

 – ширина раскрыва рупора в плоскости E;

 – толщина стенки,

 

Амплитудное распределение	ДН
		0.2		-30.3	0.885

 

Тогда, выражая  из формулы  , получаем:

 

Определим шаг установки излучателей.

При уменьшении расстояния между соседними излучателями с целью уменьшения габаритов решетки, числа излучателей происходит снижение коэффициента усиления. Ограничением сверху на шаг решетки является условие отсутствия дифракционных максимумов высшего порядка:

 

 

где – угол сканирования в горизонтальной плоскости

 

 

Так как сканирование происходит только в горизонтальной плоскости, угол сканирования в вертикальной плоскости (сканирование отсутствует), то

 

При отклонении луча в горизонтальной плоскости на максимальную величину эквивалентная длина решетки:

 

Для обеспечения заданной ширины ДН при отклонении луча необходимо:

 

 

 

Выражая и подставляя _{, получим:}

 

Округлим  в большую сторону:

 

 

 

Уточним размеры решетки:

 

 

 

 

 

 

 

                                             

       b                                                                                           a_р

                                                                                                              

   a       

                                                

                                     h                                                   b_р                        2a₀

                       R_E

                     

Рис.2 Общий  вид секториального рупора

 

 – размер раскрыва рупора в горизонтальной плоскости.

Для E-секториального рупора ширина ДН в вертикальной плоскости (E):