Разработка и расчет волноводной фазированной антенной решётки СВЧ диапазона

Формы, размеры и конструкции современной фазированной антенной решетки, ее структурная схема и особенности построения. Расчет основных электрических параметров волноводной фазированной антенной решетки, определение ее основных габаритных параметров.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский авиационный институт

(национальный исследовательский университет)

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Антенны, устройства СВЧ и ЭМС»

на тему: Разработка и расчёт волноводной фазированной антенной решётки СВЧ диапазона

Выполнил: студент 931 учебной группы А.Ю.Климов

Проверил: И.И. Гвозд

2013

Введение

Фазированная антенная решётка (ФАР) антенная решётка 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 (см., например, Сканирование в радиолокации); управлять в определённых пределах формой ДН - изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей). 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 [1].

1. Конструкция фазированной антенной решётки

Формы, размеры и конструкции современных ФАР весьма разнообразны; их разнообразие определяется как типом используемых излучателей, так и характером их расположения . Сектор сканирования ФАР определяется ДН её излучателей. В ФАР с быстрым широкоугольным качанием луча обычно используются слабонаправленные излучатели: симметричные и несимметричные вибраторы, часто с одним или несколькими рефлекторами (например, в виде общего для всей ФАР зеркала); открытые концы радиоволноводов, щелевые, рупорные, спиральные, диэлектрические стержневые, логопериодические и др. антенны. Иногда большие по размерам ФАР составляют из отдельных малых ФАР (модулей); ДН последних ориентируется в направлении основного луча всей ФАР [1]. В ряде случаев, например когда допустимо медленное отклонение луча, в качестве излучателей используют остронаправленные антенны с механическим поворотом (например, т. н. полноповоротные зеркальные); в таких ФАР отклонение луча на большой угол выполняют посредством поворота всех антенн и фазирования излучаемых ими волн; фазирование этих антенн позволяет также осуществлять в пределах их ДН быстрое качание луча ФАР. Структурная схема ФАР приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Структурная схема передающей ФАР

Особенности построения ФАР: возбуждение излучателей ФАР производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (в т. н. квазиоптических ФАР), фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями иногда содержат сложные электрические устройства (т. н. 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. Иногда в ФАР для формирования ДН применяют фокусирующие устройства (зеркала, линзы).

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.

Конструкция волноводной ФАР, которая рассмотрена в данной курсовой работе представлена на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 «Схема волноводной ФАР»

Рисунок 3 «ФАР волноводных излучателей»

2. Расчёт основных электрических параметров

2.1 Расчет КНД

Размеры антенны определяются заданными КНД или шириной ДН, длиной волны и выбранным амплитудным распределением поля в раскрыве антенны.

Коэффициент направленного действия фазированной антенной решетки рассчитаем по формуле:

(1)

Отсюда следует:

2.2 Расчет КУА

Коэффициент усиления антенны:

2.3 Расчет шумовой температуры

Шумовая температура определяется многими факторами -- размером антенны, углом возвышения (места), внешними источниками шумов и условиями распространения сигнала в атмосфере.

Поскольку шумовая температура антенны зависит от множества изменяющихся факторов, при отсутствии в документации изготовителя значений необходимых параметров лучше полагаться на их вычисление. Для расчета приближенного значения шумов антенны в условиях ясного неба можно воспользоваться выражением:

d ? диаметр антенны;

EL ? угол места антенны;

2.4 Расчет действующей длины антенны

Ширина ДН по уровню половинной мощности при излучении вблизи нормали к оси решетки определяется по формуле:

(11)

L? длинна антенны

Из предыдущей формулы выразим L:

Действующая длина антенной решетки определяется следующей формулой:



2.5 Расчет входного сопротивления антенны

Входное сопротивление антенны характеризует ее импедансные свойства в точке питания (в месте подсоединения фидера) и равно отношению напряжения к току на входе фидера.

(12)

Из предыдущей формулы выразим Rвх:

2.6 ДН основного излучения

Диаграмма направленности ФАР получена с помощью программы MATHCAD.



Рисунок 4. Диаграмма направленности ВФАР

3. Определение габаритных параметров решётки

1. Определим габаритные размеры решетки.

2Qг-----это--ширина--ДН--в--горизонтальной--плоскости,

2Qв-----это--ширина--ДН--в--вертикальной--плоскости.

2Qв--=68.8*l\Ly--2Qв--=4_

2Qг--=5_.8*l\Lx--2Qг--=3

2.--Находим--размеры--Ly--и--Lx--:

Lx=54,2--мм

Ly=55--мм

3.--Находим--размеры--ячеек--решетки--:

ар=--Ly--ар=54,2--мм

d=l\(1+sin6_o)=31--мм

bр=d-2t

t--=--12--мм

4.--Найдём--количество--излучателей--:

Nх--=--54,2*24/31=42,--Ny--=--55*24/31=43

N=--Nх--+--Ny--=--85.

Заключение

волноводная фазированная антенная решетка

В данной курсовой работе была разработана и рассчитана волноводная фазированная антенная решетка (ВФАР). Для большинства текущих расчетов ВФАР использовался MATHCAD. Также в результате проделанной курсовой работы были рассчитаны основные электрические показатели ВФАР: входное сопротивление, де...