Расчёт и проектирование ФАР

 

Получаем:

 

 

С учетом толщины стенок рупора, получаем:

 

 

Оптимальная длина E-секториального рупора определяется:

 

 – длина горловины рупора,

 – угол раскрыва рупора.

 

 

 

Выбор размеров волновода

 

Рис.3 Поперечное сечение прямоугольного волновода

 

При выборе размеров поперечного сечения волновода с основной волной исходят из условий, при которых волна (основная в прямоугольном металлическом волноводе) находится в докритическом режиме, а высшие типы волн, в частности и , находятся в закритическом режиме. Из этих условий следуют неравенства:

, .

 

Практические формулы для выбора размеров поперечного сечения волновода имеют вид:

, .

Учитывая  необходимость пропускания сигнала в рабочей полосе частот 5% (10.17…11.24 ГГц), получаем:

 

 

, .

 

По  справочнику находим подходящие размеры стандартного волновода:

размеры волновода по ГОСТ 20900-75: , , , затухание на частоте ГГц составляют 0,0794 дБ/м, рекомендуемый диапазон частот (Л96, Л63), где – толщина стенки. Выбор размера снизу ограничен величиной пробивного напряжения и потерями в волноводе. При неограниченном уменьшении этого размера может наступить электрический пробой. Обычно его выбирают равным , или примерно равным .

 

Максимальная (предельная) мощность, пропускаемая определяется соотношением:

 

где – напряженность электрического поля, при которой происходит пробой в воздухе,

 – коэффициент стоячей волны,

, где – коэффициент бегущей волны. Выберем его равным 0.8.

 

Получаем: .

Допустимая  передаваемая мощность определяется как:

 

.

Следовательно, выбранные размеры волновода обеспечивают возможность передачи мощности, определенной в задании.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Амплитудное распределение

 

Амплитудное распределение выбирается исходя из заданного уровня боковых

лепестков. Амплитудное распределение имеет вид:

 

,

 

 

 

 

[См]

 

Рис.4 Амплитудное распределение по оси OX

 

 

 

 

Диаграмма направленности

 

Диаграмма направленности (ДН) ФАР численно равна произведению множителя решетки на ДН одиночного излучателя. ДН E-секториального рупора в плоскости H (т.е., вдоль оси OX):

 

 , где

 

ДН  E-секториального рупора в плоскости E (т.е., вдоль оси OY) можно вычислить по формуле для синфазного раскрыва:

 

Множитель решетки для выбранного амплитудного распределения имеет вид:

    ,

 

 – при направлении луча по нормали к решетке,

 – при отклонении луча на максимальную величину от нормали.

Пронормируем множитель решетки:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДН  одиночного излучателя для минимальной, центральной и максимальной длины волны в H- и E-плоскостях:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 – уровень боковых лепестков для выбранного амплитудного распределения.

 

 

Рис.5 Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости без отклонения луча

 

Рис.6 Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости при максимальном отклонении луча

Рис.7 Диаграмма направленности в  вертикальной плоскости

 

 

 

Ширина  ДН по уровню 0,707 в H-плоскости составляет 3.7º при нулевом отклонении луча и 5º при максимальном отклонении луча, что совпало с . В E-плоскости ширина ДН составляет 55º, что совпало с .

 

 

 

 

 

2. Расчет тракта СВЧ

Выбор электрической  схемы антенны

Для возбуждения излучателей ФАР  используются делители мощности оптического  типа и в виде закрытого тракта.

Схемы антенных решеток с делителями оптического типа бывают двух видов: проходные и отражательные. В  первом случае энергия от облучателя падает на коллекторную решетку, проходит через высокочастотные цепи и  фазовращатели, а затем переизлучается в требуемом направлении другой решеткой. Во втором случае коллекторная и переизлучающая решетки совмещены. Мощность, принятая от облучателя, переизлучается в требуемом направлении.

Делители в виде закрытого тракта выполняются по схемам последовательного  и параллельного деления мощности. При последовательном делении мощности фазовращатели могут быть включены в боковые ответвления фидерного тракта, идущие к излучателям. В этом случае в каждый из фазовращателей проходит мощности, а потери мощности определяются потерями, вносимыми одним фазовращателем. Недостатком данной схемы является различная электрическая длина пути от входа антенны до излучателей, что может привести к фазовым искажениям на краях частотного диапазона. Для устранения фазовых искажений в боковые ответвления необходимо включать компенсационные отрезки фидера.

При параллельной схеме деления мощности, которая также позволяет использовать маломощные фазовращатели, общие потери мощности определяются потерями в одном фазовращателе и имеется возможность выравнивания длин отдельных каналов для обеспечения широкополосности. Недостатком параллельной схемы является сложность согласования при делении мощности на большое число каналов.

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.

Примером фидерной системы, поглощающей отраженную волну и обеспечивающей развязку излучателей, является делитель мощности, в котором в качестве элементов связи используются направленные ответвители. Волны, отраженные от излучателей, проходят на вход антенны или поглощаются в нагрузках направленных ответвителей, но не переизлучаются излучателями.

Так как при параллельном делении, при большом количестве излучателей, возникает сложность с согласованием, то для моей ФАР подходит схема последовательного деления мощности (рис.8) в виде закрытого тракта, в которой в качестве элементов связи используются направленные ответвители.

Рис.8 Электрическая схема

 

Расчет  направленных ответвителей

Рис.9 Направленный ответвитель

 

Расчет  коэффициентов связи:

l

_{, г}де

  – номер направленного ответвителя;

  – количество излучателей, ;

 – длина щели;

- ширина щели, ;

Значения и определяются по графику [2, стр. 244].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1	0.021739	-16.6276	0.896
2	0.022727	-16.4345	0.896
3	0.023256	-16.3347	0.91
4	0.02439	-16.1278	0.91
5	0.025	-16.0206	0.92
6	0.027027	-15.682	0.92
7	0.028571	-15.4407	0.93
8	0.029412	-15.3148	0.94
9	0.03125	-15.0515	0.95
10	0.032258	-14.9136	0.95
11	0.033333	-14.7712	0.96
12	0.034483	-14.624	0.96
13	0.035714	-14.4716	0.97
14	0.037037	-14.3136	0.97
15	0.038462	-14.1497	0.98
16	0.041667	-13.8021	0.99
17	0.043478	-13.6173	0.99
18	0.047619	-13.2222	1.008
19	0.052632	-12.7875	1.009
20	0.055556	-12.5527	1.01
21	0.058824	-12.3045	1.01
22	0.0625	-12.0412	1.016
23	0.066667	-11.7609	1.036
24	0.071429	-11.4613	1.044
25	0.076923	-11.1394	1.05
26	0.083333	-10.7918	1.055
27	0.090909	-10.4139	1.06
28	0.1	-10	1.064
29	0.125	-9.0309	1.148
30	0.142857	-8.45098	1.15
31	0.166667	-7.78151	1.162
32	0.2	-6.9897	1.19
33	0.25	-6.0206	1.232
34	0.333333	-4.77121	1.261
35	1	0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор фазовращателя

 

Фазовращатели СВЧ предназначены для изменения фазы отраженной или проходящей волны на требуемую величину. Разнообразные конструкции таких устройств широко используются в трактах СВЧ, особенно в трактах ФАР. Различают отражательные и проходные фазовращатели СВЧ. Отражательные фазовращатели отображаются на эквивалентной схеме как двухполюсники, а проходные – как четырёхполюсники. Существуют фазовращатели механические, электрические и электромеханические. Различают также фазовращатели с плавным или дискретным изменениями фазы.

Простейший  отражательный механический фазовращатель представляет собой отрезок линии передачи  с короткозамыкающим поршнем. Такое устройство характеризуется матрицей рассеивания, вырождающейся в одно число – коэффициент отражения от входа фазовращателя. При изменении положения поршня в линии изменяется и фаза коэффициента отражения. Дискретный отражательный фазовращатель строится на основе полупроводниковых выключателей. Волноводный вариант такого фазовращателя показан на рис.11.

 

Рис.11 Дискретный отражательный фазовращатель. 1 – прямоугольный волновод, 2 – pin-диод, 3 – диафрагма.

 

Фазовращатели выбираются исходя из рабочей частоты, частотного диапазона и импульсной мощности.

Для данной ФАР выбираем фазовращатель с параметрами:

 

Параметр	Значение
Рабочая частота, ГГц	6.5-11
Максимальный  фазовый сдвиг,	360
Дискретность  фазового сдвига,	21.5
Импульсная  мощность, кВт	30
Средняя мощность, Вт	350
Способ  охлаждения	Жидкостной с теплоотводом
Вносимые  потери, дБ	1
Максимальное  значение	1.25
Время переключения, мкс	2.5
Энергия переключения, мкДж	750

 

Нагрузки  СВЧ на эквивалентной схеме представляются в виде двухполюсника, который характеризуется величиной коэффициента отражения Г. Матрица рассеивания нагрузки вырождается в число . В трактах СВЧ находят применение согласованные и реактивные нагрузки.

Идеальная согласованная  нагрузка имеет .  На практике используются нагрузки с в полосе частот 20%. Требования в фазе отражённой волны не предъявляются. По величине допустимой поглощаемой мощности  различают нагрузки на низкий ) и высокий уровни мощности.

Качество  нагрузки существенно зависит от длины  и профиля нагрузки. Для клиновидных нагрузок берётся порядка .

Согласованные нагрузки используются а измерительной аппаратуре СВЧ-диапазона, в качестве антенны при настройке её тракта СВЧ, в промышленных установках СВЧ-нагрева различных влагосодержащих материалов.

 

Расчет 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 выбирается исходя из уровня боковых лепестков, и имеет вид:

, 

Мощность, подводимая от передатчика, делится симметрично между рядами и распределяется в каждом ряду соответственно квадрату амплитудного распределения. 
,

где – мощность на -ом излучателе;

 – коэффициент амплитудного распределения;

 – мощность на выходе передатчика в импульсе. По заданию, .

 

 

Выбор поглощающей нагрузки

 

  Выберем волноводную нагрузку, выполненную  из радиопоглощающего материала. Выберем ферроэпоксидную нагрузку. Качество нагрузки зависит от длинны  .

 

Рис.11 Поглощающая нагрузка

 

 

 

 

  Длина нагрузки:

 

 

 

Расчет характеристик ФАР (КПД, КНД, КУ)

 

Коэффициент направленного действия антенны (КНД) D является мерой концентрации излучения в пространстве, которое осуществляется антенной. Это число, которое показывает во сколько раз плотность потока мощности данной антенны в направлении максимума излучения в некоторой точке , отстоящей от антенны на расстояние , больше чем плотность потока мощности абсолютно ненаправленной антенны в этой же точке, при условии, что обе антенны обладают одной и той же мощностью излучения.

КНД решетки в случае отсутствия дифракционных максимумов высших порядков:

,

где – коэффициент использования поверхности антенны (КИП);

  – площадь решетки, ;

  – угол сканирования.

 

КНД решетки для нормального луча ():

 

КНД решетки для отклоненного луча ():

 

 

 

Коэффициент полезного действия (КПД) излучающей системы:

 ,

где – коэффициент отражения

 – длина линии. .

 

Коэффициент отражения возникает  в двух сечениях: в раскрыве рупора и в его горловине .

 ,

где – волновое число, ;

  – заданная длина волны.

 ,

где – постоянная распространения в прямоугольном волноводе, поперечное сечение которого равно раскрыву рупора.