Прямоугольная фазированная антенная решетка с прямоугольной сеткой прямоугольных волноводов
Курсовой проект
по дисциплине «Теория и техника
антенно-фидерных устройств»
на тему: «Прямоугольная фазированная
антенная решетка с прямоугольной сеткой прямоугольных волноводов»
Содержание
Задание
Введение
. Структура ФАР
. Управление фазовыми
сдвигами
. Особенности
построения ФАР
. Перспективы
развития ФАР
. Применение ФАР
. Расчет
характеристик прямоугольной ФАР с прямоугольной сеткой прямоугольных
волноводов, возбуждение которых синфазное равномерное
Заключение
Список использованной литературы
Задание
Построить диаграмму
направленности прямоугольной фазированной антенной решетки с прямоугольной
сеткой прямоугольных волноводов, возбуждение которых синфазное равномерное.
Длина волны 
. Число строк m=12, число
столбцов n=36. Расстояние между центрами соседних волноводов
равно 
; расстояние между соседними рядами волноводов равно 
.
Введение
Фазированная антенная решётка
(ФАР) - это антенная решётка, с управляемыми фазами или разностями фаз волн,
излучаемых её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование)
позволяет:
§ формировать при весьма разнообразных расположениях излучателей
необходимую диаграмму направленности ФАР (например, остронаправленную диаграмму
направленности - луч);
§ изменять направление луча неподвижной ФАР и таким образом, осуществлять
быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование - качание
луча;
§ управлять в определённых пределах формой диаграммы направленности -
изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. Для этого
в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных
излучателей.
1. Структура ФАР
Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их
разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером
их расположения.
В зависимости от требуемой формы диаграммы направленности и необходимого
пространственного сектора сканирования в ФАР применяют различное взаимное
расположение элементов:
¨ вдоль линии (прямой или дуги);
¨ по поверхности (например, плоской - в так называемых, плоских
ФАР; цилиндрической; сферической) или в заданном объёме (объёмные ФАР).
Иногда форма излучающей поверхности ФАР - раскрыва определяется
конфигурацией объекта, на котором устанавливается ФАР. ФАР с формой раскрыва,
подобной форме объекта, иногда называются конформными. Широко распространены
плоские ФАР; в них луч может сканировать от направления нормали к раскрыву до
направления вдоль раскрыва. Коэффициент направленного действия плоской ФАР при
отклонении луча от нормали к раскрыву уменьшается. Для обеспечения
широкоугольного сканирования в больших пространственных углах - вплоть до
4(стер) без заметного снижения коэффициента направленного действия используют
ФАР с неплоским (например, сферическим) раскрывом или системы плоских ФАР,
ориентированных в различных направлениях. Сканирование в этих системах
осуществляется посредством возбуждения соответственно ориентированных излучателей
и их фазирования.
По характеру распределения излучателей в раскрыве различают
эквидистантные и неэквидистантные ФАР. В эквидистантных ФАР расстояния между
соседними элементами одинаковы по всему раскрыву. В плоских эквидистантных ФАР
излучатели чаще всего располагают в узлах прямоугольной решётки (прямоугольное
расположение) или в узлах треугольной сетки (гексагональное расположение).
Расстояния между излучателями в эквидистантных ФАР обычно выбирают достаточно
малыми (часто меньше рабочей длины волны), что позволяет формировать в секторе
сканирования диаграмму направленности с одним главным лепестком, без побочных
дифракционных максимумов - так называемых, паразитных лучей и низким уровнем
боковых лепестков. Однако для формирования узкого луча (т. е. в ФАР с большим
раскрывом) необходимо использовать большое число элементов. В неэквидистантных
ФАР элементы располагают на неодинаковых расстояниях друг от друга (расстояние
может быть, например, случайной величиной). В таких ФАР даже при больших
расстояниях между соседними излучателями можно избежать образования паразитных
лучей и получать диаграмму направленности с одним главным лепестком. Это
позволяет в случае больших раскрывов сформировать очень узкий луч при
сравнительно небольшом числе элементов. Однако такие неэквидистантные ФАР с
большим раскрывом при малом числе излучателей имеют более высокий уровень
боковых лепестков и, соответственно, более низкий коэффициент направленного
действия, чем ФАР с большим числом элементов. В неэквидистантных ФАР с малыми
расстояниями между излучателями при равных мощностях волн, излучаемых
отдельными элементами, можно получать в результате неравномерного распределения
плотности излучения в раскрыве антенны диаграмму направленности с более низким
уровнем боковых лепестков, чем в эквидистантных ФАР с таким же раскрывом и
таким же числом элементов.
. Управление фазовыми сдвигами
По способу изменения фазовых сдвигов различают следующие ФАР:
o с электромеханическим сканированием, осуществляемым,
например, посредством изменения геометрической формы возбуждающего
радиоволновода;
o с частотным сканированием, основанным на использовании
зависимости фазовых сдвигов от частоты, например за счёт длины фидера между
соседними излучателями или дисперсии волн в радиоволноводе;
o с электрическим сканированием, реализуемым при помощи
фазосдвигающих цепей или фазовращателей, управляемых электрическими сигналами с
непрерывным или дискретным изменением фазовых сдвигов.
Наибольшими возможностями обладают ФАР с электрическим сканированием. Они
обеспечивают создание разнообразных фазовых сдвигов по всему раскрыву и
значительную скорость изменения этих сдвигов при сравнительно небольших потерях
мощности. На СВЧ в современных ФАР широко используют ферритовые и
полупроводниковые фазовращатели с быстродействием порядка мкс и потерями
мощности ~ 20%. Управление работой фазовращателей осуществляется при помощи
быстродействующей электронной системы, которая в простейших случаях управляет
группами элементов (например, строками и столбцами в плоских ФАР с
прямоугольным расположением излучателей), а в наиболее сложных - каждым
фазовращателем в отдельности. Качание луча в пространстве может производиться
как по заранее заданному закону, так и по программе, вырабатываемой в ходе
работы всего радиоустройства, в которое входит ФАР.
. Особенности построения ФАР
Возбуждение излучателей ФАР производится либо при помощи фидерных линий,
либо посредством свободно распространяющихся волн (в так называемых
квазиоптических ФАР). Фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями
иногда содержат сложные электрические устройства (так называемые
диаграммообразующие схемы), обеспечивающие возбуждение всех излучателей от
нескольких входов, что позволяет создать в пространстве соответствующие этим
входам одновременно сканирующие лучи (в многолучевых ФАР). Квазиоптические ФАР
в основном бывают двух типов: проходные (линзовые), в которых фазовращатели и
основные излучатели возбуждаются при помощи вспомогательных излучателей
волнами, распространяющимися от общего облучателя, и отражательные - основной и
вспомогательные излучатели совмещены, а на выходах фазовращателей установлены
отражатели. Многолучевые квазиоптические ФАР содержат несколько облучателей,
каждому из которых соответствует свой луч в пространстве. Иногда в ФАР для
формирования диаграммы направленности применяют фокусирующие устройства
(зеркала, линзы). Рассмотренные выше ФАР иногда называются пассивными.
Наибольшими возможностями управления характеристиками обладают активные
ФАР, в которых к каждому излучателю или модулю подключен управляемый по фазе
(иногда и по амплитуде) передатчик или приёмник. Управление фазой в активных
ФАР может производиться в трактах промежуточной частоты либо в цепях
возбуждения когерентных передатчиков, гетеродинов приёмников и т.п. Таким
образом, в активных ФАР фазовращатели могут работать в диапазонах волн,
отличных от частотного диапазона антенны; потери в фазовращателях в ряде
случаев непосредственно не влияют на уровень основного сигнала. Передающие
активные ФАР позволяют осуществить сложение в пространстве мощностей
когерентных электромагнитных волн, генерируемых отдельными передатчиками. В
приёмных активных ФАР совместная обработка сигналов, принятых отдельными
элементами, позволяет получать более полную информацию об источниках излучения.
В результате непосредственного взаимодействия излучателей между собой
характеристики ФАР (согласование излучателей с возбуждающими фидерами, КНД и
др.) при качании луча изменяются. Для борьбы с вредными последствиями взаимного
влияния излучателей в ФАР иногда применяют специальные методы компенсации
взаимной связи между элементами.
4. Перспективы развития ФАР
К наиболее важным направлениям дальнейшего развития теории и техники ФАР
относятся:
) широкое внедрение в радиотехнические устройства ФАР с большим числом
элементов, разработка элементов новых типов, в частности для активных ФАР;
) развитие методов построения ФАР с большими размерами раскрывов, в том
числе неэквидистантных ФАР с остронаправленными антеннами, расположенными в
пределах целого полушария Земли (глобальный радиотелескоп);
) дальнейшая разработка методов и технических средств ослабления вредных
влияний взаимной связи между элементами ФАР;
) развитие теории синтеза и методов машинного проектирования ФАР;
) разработка теории и внедрение в практику новых методов обработки
информации, принятой элементами ФАР, и использования этой информации для
управления ФАР, в частности для автоматического фазирования элементов
(самофазирующиеся ФАР) и изменения формы диаграммы направленности, например понижения
уровня боковых лепестков в направлениях на источники помех (адаптивные ФАР);
) разработка методов управления независимым движением отдельных лучей в
многолучевых ФАР.
. Применение ФАР
Фазированная антенная решетка используется в системах наведения, т.к. она
может отслеживать одновременно несколько целей.
Фазированная антенная решетка представляет собой множество излучателей
(антенн) с идентичными параметрами, каждый из которых запитан через собственный
фазовращатель. Благодаря этому, выставляя каждому излучателю собственный
фазовый сдвиг, можно практически мгновенно изменять диаграмму направленности
всей системы. Это выражается в том, что нет необходимости вращать антенну для
наведения на цель.
Она сама, оставаясь неподвижной, найдет цель и будет сопровождать ее.
Т.к. диаграмма направленности ФАР изменяется практически мгновенно, то
становится возможным сопровождать одновременно несколько целей.
Впервые фазированные антенные решетки были применены на истребителях
МИГ-16. Благодаря этому самолет мог одновременно вести до 16 целей, благодаря
чему стал лучшим истребителем своего времени.
Фазированные антенные решетки чрезвычайно сложны в изготовлении. Качество
системы напрямую зависит от качества исполнения излучателей. Необходимо
получить максимально идентичные параметры у всех излучателей, а это очень
трудно технологически. Вследствие этого ФАР до сих пор остаются самыми
дорогими, но самыми эффективными в системах наведения, антеннами.
В перспективе, при удешевлении производства ФАР, они найдут применение и
в не военных областях деятельности человека. Например, в наших домах. ФАР - эта
следующая ступень развития приемных антенн спутникового телевидения. Такую
антенну не надо направлять на спутник, ее можно размещать и под значительным
углом к источнику сигнала. Антенна самостоятельно обнаружит все интересующие
спутники, запомнит направления на них и сможет между ними переключаться.
Пользователь даже не заметит момент переключения между спутниками. Так же будет
устранена проблема вибраций приемной антенны. В настоящее время, сильный ветер
может отклонить параболическую антенну в сторону. Из-за этого произойдет
ухудшение качества телевизионного изображения, или полная потеря сигнала.
Фазированная антенная решетка самостоятельно обнаружит смещение источника
сигнала и подкорректирует свою диаграмму направленности. В результате чего
ухудшения качества принимаемого сигнала не произойдет.
Корабль проекта 11356 “Talvar”.
Многофункциональная РЛС "Дон-2Н" - моноимпульсная
многофункциональная радиолокационная станция сантиметрового диапазона с
крупномодульными фазированными антенными решетками.
ФАР «Эполет» может быть использована для различных применений в качестве
миниатюрной антенной системы с электронным управлением лучом (основные
параметры: зона сканирования - ±45°, масса - 5 кг, энергопотребление - 15 Вт, время установки
луча - 2 мкс).
6. Расчет характеристик прямоугольной ФАР с прямоугольной сеткой
прямоугольных волноводов, возбуждение которых синфазное равномерное
Пусть
имеется m=12 рядов симметричных волноводов. Каждый ряд состоит
из n=36 симметричных волноводов. Расстояние между центрами
соседних волноводов равно ; расстояние между соседними рядами волноводов равно . Длина волны 
Диаграмма
направленности каждого волновода определяется по формуле:
Диаграмма
направленности всей системы определяется по следующей форме:
Нормированная
диаграмма направленности имеет вид:
Рассмотрим
сечение диаграммы направленности в плоскости 
, тогда
В
логарифмическом масштабе эта диаграмма направленности имеет вид:
Рассмотрим
сечение диаграммы направленности в плоскости 
, тогда
В
логарифмическом масштабе эта диаграмма направленности имеет вид:
Рассмотрим
сечение диаграммы направленности в плоскости 
, тогда
В логарифмическом масштабе эта диаграмма направленности имеет вид:
Рассмотрим
сечение диаграммы направленности в плоскости 
, тогда
В логарифмическом масштабе эта диаграмма направленности имеет вид:
Рассчитаем
ширину главного луча диаграммы направленности для 
Рассчитаем
ширину главного луча диаграммы направленности для 
Вычислим
число боковых лепестков при
Вычислим
число боковых лепестков при
Рассмотрим
сканирующую фазированную антенную решетку с 
в
плоскости .
Заключение
В данной работе нами были рассчитаны характеристики прямоугольной ФАР с
прямоугольной сеткой прямоугольных волноводов, возбуждение которых синфазное
равномерное, а также построены диаграммы направленности этой ФАР.
антенный решетка волновод синфазный
Список использованной литературы
1. Кочержевский Г.Н. «Антенно-фидерное устройство», М., Изд.
«Связь», 2010 г.
2. Кинбер Б.Е., Классен В.И. «Теория и техника антенн»,
М., МФТИ, 1985 г.
. Сазонов Д.М. «Антенные устройства СВЧ», Учебник для
радиотехнич. спец. ВУЗов. - М.: Высш. шк., 2008 г.
. Классен В.И. «Теория и техника антенно-фидерных
устройств», Конспект курса лекций. 2012г.г.