Проектирование фазированной антенной решётки

Проектирование фазированной антенной решётки

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

государственное образовательное учреждение московский государственный авиационный институт

(технический университет) «МАИ»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ПО ПРЕДМЕТУ: «АНТЕННЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ»

ТЕМА:

«Проектирование фазированной антенной решётки»

Группа 4В-401С

Работу выполнил Шкирманов А.

Работу проверил Шмачилин П.А.

2014

Содержание

Введение

Глава 1. Расчет характеристик антенны

.1. Расчет геометрических параметров антенны

.2. Расчет значений амплитудного распределения

Глава 2. Выбор излучателя и расчет его параметров

.1.Выбор типа излучателя

.2.Выбор размеров волновода

.3. Расчет основных характеристик волновода

.4. Расчет параметров пирамидального рупора

.4.1. Расчет размеров излучателя

.4.2. Расчет коэффициента отражения

.4.3. Согласование излучателя с волноводом

.5. Диаграмма направленности излучателя

.6. Расчет КНД, КУ, КПД

.7. Диаграмма направленности всей антенной решетки

Глава 3. Расчет элементов тракта

.1. Расчет изгибов волноводного моста

.2. Расчет поглощающей нагрузки

.3. Расчет волноводно-щелевого моста

Глава 4. Расчет фазовращателя

.1. Критерии выбора фазовращателя

.2. Расчет параметров фазовращателя

Глава 5.

.1. Описание конструкции

Список литературы

излучатель антенна волновод отражение решетка

Введение

Фазированная антенная решётка (ФАР) антенная решетка с управляемыми фазами или разностями фаз (фазовыми сдвигами) волн, излучаемых (или принятых) её элементами (излучателями). Управление фазами (фазирование) позволяет: формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН - луч); изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование - качание луча; управлять в определённых пределах формой ДН - изменять ширину луча, интенсивность боковых лепестков и т.п. Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и ЭВМ обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т.д. ФАР, содержащие большое число управляемых элементов (иногда 104 и более), входят в состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных и космических радиоустройств. Ведутся интенсивные разработки в направлении дальнейшего развития теории и техники ФАР и расширения области их применения.

Глава 1. 1.Расчет характеристик антенны

 

1.1 Расчет геометрических параметров антенны

Для выбора амплитудного распределения воспользуемся таблицей 2.1.

Амплитудное распределение выбирается исходя из уровня боковых лепестков, который указан в задании, в данном случае УБЛ= -17 дБ.

Выбираем распределение .

Этому амплитудному распределению соответствует ряд параметров:

 при

дБ

Исходя из этих данных можно найти размер апертуры:

(1.1)

м

Расстояние между излучателями находится в зависимости от угла сканирования и длины волны, которые есть в задании.

(1.2)

м

Минимальное количество излучателей, для создания необходимой ДН теперь можно определить как:

(1.3)

Округляя возьмем количество излучателей равное 17.

1.2 Расчет значений амплитудного распределения

Используя данные найденные ранее можно определить мощности, подводимые к каждому излучателю.

 где

х - вектор координат рассчитываемый по формуле:

, где(1.5)

n - порядковый номер излучателя(отсчет с нуля), d - расстояние между излучателями, L - размер апертуры.

Для наглядности отображения составим таблицу 3.

Таблица 3.

Номер излучателя, n	Значение вектора координат, x	ξ	Амплитудное распределение, A(x)	Амплитудное распределение, А(х), Вт
0	-0,3125	-1	0,1	6,507916
1	-0,274369941	-0,87798381	0,30623	19,92919
2	-0,236239882	-0,755967621	0,485662	31,60645
3	-0,198109822	-0,633951431	0,638295	41,5397
4	-0,159979763	-0,511935242	0,76413	49,72894
5	-0,121849704	-0,389919052	0,863167	56,17417
6	-0,083719645	-0,267902863	0,935405	60,87539
7	-0,045589585	-0,145886673	0,980845	63,83259
8	-0,007459526	-0,023870484	0,999487	65,04579
9	0,030670533	0,098145706	0,991331	64,51497
10	0,068800592	0,220161895	0,956376	62,24014
11	0,106930652	0,342178085	0,894623	58,2213	0,145060711	0,464194274	0,806071	52,45844
13	0,18319077	0,586210464	0,690722	44,95158
14	0,221320829	0,708226653	0,548574	35,7007
15	0,259450888	0,830242843	0,379627	24,70582
16	0,297580948	0,952259033	0,183882	11,96692

В таблице 3 отображены зависимости мощности подводимой к излучателям от их положения в решетке.

Глава 2. Выбор излучателя и расчет его параметров.

 

2.1.Выбор типа излучателя

Для обеспечения необходимых требования по заданию, необходимо применить остронаправленный излучатель. Самые распространненые излучатели этой категории: рупорные и зеркальные. Будем составлять решетку из рупорных излучателей по следующим причинам:

они являются естественным продолжением волноводной секции, простота конструкции;

они характеризуются высоким уровнем пропускаемой мощности;

их свойства можно предсказать на основе анализа и расчетов, что играет главную роль при проектировании;

рассчитанные характеристики излучателей в большей решетке проверяют путем измерений на простой волноводной модели;

решетка из зеркальных антенн не подходит для заданных условий эксплуатации;

 

2.2 Выбор размеров волновода

Выбираем волновод из условия: , где λ= 0,06 м, а - широкая стенка. Получим выражение . По таблице параметров стандарных прямоугольных волноводов получим следующие размеры волновода: стенка а = 48 мм, стенка b= 24 мм, толщина стенок s= 2 мм.

Рис. 1

В прямоугольных волноводах распространяются волны типов Н_mn и E_mn (m и n - число полуволн, соответственно, по широкой и узкой стенкам). Основной тип волны Н₁₀. Условие распространения , . Материалом является медь, алюминий, латунь. Внутри волноводы заполнены воздухом; в тех случаях, когда требуется высокая стабильность параметров, волноводы изнутри покрываются тонкой пленкой лака, для уменьшения потерь - серебрятся или золотятся. Их преимущества: простота и жесткость конструкции, высокая электрическая прочность и малые потери. Основными недостатками являются - узкополосность (в определенном диапазоне волн), большие масса и габариты для волн длиннее 20 см и трудности при изготовлении для длин волн менее 5 мм. Применяются в дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн.

 

2.3 В Расчет основных характеристик волновода

 

1) Замедление фазовой скорости:

,(2.1)

где λ - длина волны генератора; а - размер поперечного сечения волновода в плоскости Н;

(2.2)

2) Замедление групповой скорости:

(2.3)

3) Предельная пропускаемая мощность:

, кВт(2.4)

где а и b - стенки волновода; γ- замедление фазовой скорости; Е_пред - предельно допустимая для заданных температуры, давления и влажности, напряженность электрического поля, равная 30 кВ/см.

кВт

 

) Коэффициент затухания:

 дБ/м, (2.5)

где a, b, λ- стенки волновода и длина волны соответственно, измеряются в метрах, σ- проводимость стенок волновода, сим/м.

 дБ/м

2.4 Расчет параметров пирамидального рупора

Волноводно-рупорные антенны (ВРА) являются простейшими антеннами сантиметрового диапазона волн. Они могут формировать диаграммы направленности шириной от 100-140° (при раскрыве специальной формы) до 10-20° в пирамидальных рупорах. Возможность сужения диаграммы рупора ограничивается необходимостью резкого увеличения его длины. ВРА являются широкополосными устройствами и обеспечивают примерно полуторное перекрытие по диапазону. Коэффициент полезного действия (КПД) рупора высокий (около 100%). Рупорные антенны просты в изготовлении. Недостатком рупорных антенн являются: громоздкость конструкции, ограничивающая возможность получения узких диаграмм направленности; трудности в регулировании амплитудно-фазового распределения поля в раскрыве, которые ограничивают снижения уровня боковых лепестков и создания диаграмм направленности специальной формы. Рупорные излучатели могут применяться как самостоятельные антенны или, так же как и открытые концы волноводов, в качестве элементов более сложных антенных устройств. Как самостоятельные антенны рупоры используются в радиорелейных линиях, в станциях метеослужбы, весьма широко в радиоизмерительной аппаратуре, а также в некоторых станциях специального назначения.

Рупорная антенна (Рис.2) состоит из рупора 1, волновода 2 и возбуждающего устройства 3.

Рис. 2

2.4.1 Расчет размеров излучателя

1) Рассчитаем размеры раскрыва рупора - a_p, b_p (рис. 2). В плоскости Н ширина ДН связана с раскрывом a_p соотношением:

,(2.6)

где  по условию равно 35°, мм - из условия, а значение 1.18 дано в радианах, которое надо перевести в градусы: 1.18рад=67.6°. Размер раскрыва b_р равен расстоянию между рупорами d, которое было найдено выше.

м, м.

2) Длину рупора характеризуют два размера: h- расстояние от раскрыва до горловины рупора, одинаковое в плоскостях Н и Е; R_E и R_H- расстояние от раскрыва до точки, в которой сходятся ребра пирамидального рупора в плоскостях Е и Н соответственно (рис. 2).

,(2.7)

м

(2.8)

м

Длина горловины рупора:

Из соотношения ,(2.9)

найдем м.

 м.

3) Найдем фазовую ошибку в раскрыве рупора:

Максимальная фазовая ошибка в раскрыве рупора (ψ_макс) должна удовлетворять следующим условиям:

в плоскости H (2.10)

, условие выполняется;

, условие выполняется.

 

2.4.2 Расчет коэффициента отражения

Отражение в рупорной антенне возникает в 2-ух сечениях: в раскрыве рупора  и в его горловине  (рис. 3).

Рис. 3

, (2.12)

где  - волновое число, λ- заданная длина волны, равная 60 мм.

к=104,72;

,(2.13)

где  постоянная распространения в прямоугольном волноводе, поперечное сечение которого равно раскрыву рупора. λ и а_р- длина волны и большая стенка раскрыва рупора соответственно.

, где (2.14)

(2.15)

где  - углы отклонения боковых стенок пирамидального рупора от нормали к плоскости раскрыва,  - длина волны в волноводе

Для нахождения углов раскрыва воспользуемся формулами:

(2.16)

(2.17)

Длина волны в волноводе:

(2.18)

м

Находим эквивалентное сопротивление по (2.15).

Теперь можно посчитать коэффициент отражения от горловины рупора по (2.14)

Модули коэффициентов отражения имеют сравнительно не большой разброс, фазы коэффициента отражения, в разных экземплярах, изменяются весьма незначительно. Можно считать, что фазы подчиняются закону равной вероятности. В этом случае модуль коэффициента отражения на выходе длинного тракта будет определяться по формуле:

(2.19)

Параметр х определяется из графика зависимости х от k при вероятности равной 0.9 (рис.5):

Рис.5 Зависимость параметра х от k при вероятности F(х)=0.9

Параметр к определяется по формуле:

(2.20)

где:l - полная длина тракта, λ_в - длина волны в волноводе,  - рабочая полоса частот

Из графика берем х=2,3.

2.4.3 Согласование излучателя с волноводом

Согласование сочленения рупором и волновода

Сочленение рупора с волноводом является самосогласованным, если выполняется условие:

(2.21)

Условие не выполняется, значит необходимо использовать дополнительные средства согласования.

 

2.5 Диаграммы направленности излучателя

При расчёте диаграммы направленности антенны поле в раскрыве можно принимать синфазным (ψ=0), так как в правильно спроектированном рупоре фазовая ошибка не изменяет существенно диаграмму направленности. Амплитудное распределение в раскрыве, принимается совпадающим с полем в поперечном сечении питающего волновода.

Диаграмма направленности рупора F(θ,φ) может быть приближённо рассчитана по формуле Кирхгофа с учётом поправки на векторный характер электромагнитного поля. Рассчитаем и построим диаграммы направленности по этим формулам:

В плоскости Н выражение для ДН пирамидального рупора, имеет вид:

(2.22)

Рис.6.

в плоскости Е:

,(2.23)

Рис.7.

где углы θ и φ отсчитываются от нормали к раскрыву рупора соответственно в плоскостях Е и Н; a_{р и} b_р - раскрыв рупора.

2.6 Расчет КНД, КУ, КПД

КНД - D_max

(2.24)

где S - площадь раскрыва рупора, равная , λ - заданная длина волны.

Если переводить в децибелы получим:

дБ

Коэффициент усиления - G:

,(2.25)

где η коэффициент полезного действия, равный , D_max- коэффициент направленного действия (КНД).

2.7 ДН всей антенной решетки

При построении ДН всей АР добавляется множитель решетки - F_Р,

,

Исходные данные и формулы для построения:

ДН в плоскости Е (горизонтальной) имеет вид представленый на рис.9. Нормировка в децибелах для наглядного отображения уровня боковых лепестков. Для оценки ширины ДН воспользуемся рис.10.

Рис. 9.

Рис. 10.

Из рис.9 и рис.10 явно видно, что требуемые по заданию параметры ширины диаграммы и уровня боковых лепестков обеспечиваются данной конструкцией.

Исходные данные

ДН в плоскости Н имеет вид представленный на рис.11.

Рис.11

Из рис.11. видно, что ширина диаграммы в плоскости Н(вертикльной) так же соответствует заданной.

Глава 3. Расчет элементов тракта

 

3.1 Расчет изгибов волноводного тракта

При выполнении волноводного тракта часто необходимо изгибать волновод под различными углами. Резкие изгибы тракта создают отражения. Для уменьшения отражения изгибы делают на участках длиной в несколько длин волн. Волновод можно изгибать как по широкой стенке (Е-изгиб), так и по узкой стенке (Н-изгиб).

Оптимальные размеры Е и Н уголковых изгибов для прямоугольного волновода могут быть определены следующим образом:

Так как мм и мм отношение , следовательно, для Е-уголка , а для Н-уголка . Отсюда получим, что длина катета изгиба прямоугольного волновода для Е-уголка:  мм, для Н-уголка: мм. Внешний вид изгибов приведен на Рис. 11.

 Н-изгиб

 Е-изгиб

Рис. 11

 

3.2 Расчет поглощающей нагрузки

Маломощные согласованные нагрузки применяются в большинстве СВЧУ приемников. Они используются в ферритовых переключателях, циркуляторах, в СВЧ мостах, в направленных ответвителелях и т.д. Их функцией является поглощение падающей волны СВЧ мощности с малым отражением последней.

Такая нагрузка представляет собой пленочный, или объемный, поглотитель СВЧ энергии. В большинстве случаев поглотитель имеет специальные скосы со стороны падающей волны для уменьшения отражений. Затухание поглотителя должно быть не менее 20-23 дБ, чтоб исключить влияние мощности, прошедший через поглотитель и отраженной от короткозамкнутого или разомкнутого конца линии, на входной КСВ нагрузки.

В последнее время получили распространение нагрузки с объемным поглотителем (клином) (Рис.12), выполненным из специального поглощающего материала - ферроэпоксида. Эти нагрузки отличаются малыми габаритами, простотой конструкции, низким КСВ и широкополосностью.

Рис. 12.

Длина клина мм, высота мм.

Рассчитаем профиль клина - , по формуле ,(3.1)

при , получим:

 

3.3 Расчет волноводно-щелевого моста

Мостом называется направленный ответвитель, в котором напряжения в выходных плечах равны по величине и при изменении частоты имеют постоянный фазовый сдвиг.

Волноводным щелевым мостом называются устройство, состоящее из 2х прямоугольных волноводов, связанных щелью в общей узкой стенке.

В согласованном мосте (Рис. 13.) мощности в двух выходных плечах равны по величине, но сдвинуты по фазе на , а в плечо, расположенное рядом со входным плечом, мощность не поступает (Рис. 14.).

Рис.13.

Рис. 14

Определим длину щели по формуле:

, (3.2)

Где  и  - длины волн колебаний Н₁₀ и Н₂₀ в области щели, связанными выражениями:

(3.3)(3.4)

м

м

Из условия деления мощности пополам, но со сдвигом по фазе на  в двух выходных плечах:

, (3.5)

где (n=1,2...).

Подставляя известные величины при n=1, найдем необходимую длину щели волноводного щелевого моста:

м при равном делении мощности в выходных плечах моста со сдвигом по фазе на .

Глава 4. Расчет фазовращателя

 

4.1 Критерии выбора фазовращателя

Фазовращатели СВЧ предназначены для изменения фазы отраженной или проходящей волны на требуемую величину. Различают отражательные и проходные, ферритовые и полупроводниковые, аналоговые и дискретные. Будем использовать полупроводниковые ФВ, поскольку они имеют лучшее быстродействие и имеют возможность управления с помощью ЭВМ.

Применение полупроводниковых ФВ в ФАР определяет совокупность предъявляемых требований. Однако эти требования тесно связаны с параметрами самих ФВ, основными из которых являются: дискрет фазы, его стабильность, число диодов, рабочая полоса частот, время переключения, габаритные размеры, масса, потери, мощность, потребляемая по цепям управления. Современные полупроводниковые pin-диоды позволяют управлять в линиях передачи импульсной мощностью до 100 кВт и средней мощностью до 1 кВт.

Исходя из этих параметров выбирают тип ФВ ( проходной или отражательный) и тип линии передачи (см. табл. 17.2). Дискрет определяет уровень боковых лепестков в ФАР и требуемую точность установки ДН, а число pin-диодов - потери, габаритные размеры и массу ФВ.

Из условий задания выбираем основную структуру фазовращателя: отражательный, полупроводниковый, дискретный. Используя таблицу 17.2(Антенны и устройства СВЧ, Д.И. Воскресенский)

Принимая во внимание условия технического задания, а именно основную частоту 5 ГГц, а также тип излучателя (пирамидальный рупор) и линию передачи (волноводная ЛП), выбираем: отражательный полосковый на 1,55..5,2.

Характеристики данного ФВ:

Частота:  ГГц

Разрядность: 2

Потери: 0,9 дБ

Число диодов: 3

 

4.2 Расчет параметров ФВ

Управляемый отражательный ФВ выполнен в виде отрезка линии передачи, в которую через расстояние равное половине дискрета, включены управляемые диоды.

Минимальный дискрет фазы зависит от разрядности следующим образом:

 где p - разрядность ФВ.(4.1)

Минимальное число диафрагм с диодами:

Отраженная от i-й диафрагмы фаза волны:

 

где - расстояние от входа до i-й диафрагмы(4.2) - длина волны в волноводе

м

(4.3)

Расстояние между соседними диафрагмами:

(4.4) м

Эквивалентная схема ОФВ:

Рис.15.

Средние потери обусловлены качеством диодов и могут быть оценены по формуле:

где(4.5)

К - параметр качества (300..1000 для сантиметрового диапазона), r max и r min - максимальное и минимальное сопротивление диода при изменении управляющего тока.

Рис.16.

Рис. 16(а) Коммутируемая резонансная диафрагма

Рис. 16(б) Схема включения спаренных p-i-n-диодов

Конструкция ОФВ на четыре положения фазы показана на рис.17.

Рис.17.

Глава 5.

 

5.1. Описание конструкции

В данной работе проектируется линейная ФАР с электрическим сканированием.

Независимо от схемы построения ФАР в ней можно выделить однородные блоки, состоящие из ряда элементов и устройств СВЧ. Эти блоки объедены распределительным фидером. Основным элементом модуля являются излучатель (или их группа), фазовращатель и элемент связи с распределительным фидером. К питающему волноводу направленный ответвитель с мостом и поглощающей нагрузкой крепятся с помощью пайки.

Элементом связи является направленный ответвитель. Он представляет собой два пересекающихся под прямым углом волновода, в общей широкой стенке которых на расстоянии а/4 от узкой стенки прорезано отверстие связи. Одно плечо направленного ответвителя образует отрезок распределительного фидера, а другое нагружено на мост и поглощающую нагрузку. Поглощающая нагрузка предусмотрена для компенсации переотражений возникающих в модуле.

Волноводно-щелевой мост представляет собой два прямоугольных волновода длиной , часть общей узкой стенки, в которой вырезается отверстие связи. Мост СВЧ также является направленным ответвителем с переходным ослаблением 3 дБ. Таким образом, мост делит мощность поровну между своими плечами.

К выходным плечам моста подсоединены многопозиционные фазовращатели. В их основу положен простейший серийный фазовращатель на полупроводниковых n-i-p-i-n диодах на семь положений фазы (дискрет). После фазовращателей мощность опять через мост попадает на излучатель, представляющий собой рупор и излучается.

Список литературы

1. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д.И.Воскресенского. - 2 - е изд., доп. и перераб. - М.: Радио и связь, 1994 г.

. Антенно-фидерные устройства. Авторы: Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. - 2 - ое изд., доп. и перераб. - М.: «Советское радио», 1974г.

. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981г.

. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Изд-во МАИ, 1999 г

. Справочник по элементам волноводной техники. Авторы: Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. - 2-ое изд., доп. и перераб. - М.: Советское радио, 1967 г