Xreferat.com » Рефераты по коммуникации и связи » Линейная решетка вибраторных антенн

Линейная решетка вибраторных антенн

Министерство образования Российской Федерации

Рязанская государственная радиотехническая академия

Кафедра радиоуправления и связи


Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине:

"Антенны и устройства СВЧ"

на тему: Линейная решетка вибраторных антенн


Рязань 2004 г.

Содержание


Введение

1. Анализ технического задания

2. Расчетная часть

2.1 Расчет диаграммы направленности одиночного излучателя

2.2 Выбор амплитудного распределения и числа элементов ФАР

2.3 Предельно допустимая мощность в излучателе, его анализ на пробой

2.4 Расчет ДН решетки в режиме нормального излучения

2.5 Коэффициент усиления антенны

2.6 Расчет ДН решетки в режиме сканирования

2.7 Оценка широкополосности антенны

3. Схема питания

4. Конструкция излучателя и ее описание

Заключение

Список использованных источников


Введение


Одной из актуальных задач антенной техники является создание антенн с управляемыми диаграммами направленности. Свойство сканирования позволяет осуществлять сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. При этом в большинстве практических случаев необходимо, чтобы острая направленность антенны сочеталась с высокой скоростью перемещения антенного луча в пространстве, движением его по любой заданной программе, обзором весьма широкого сектора пространства, автоматическим управлением и т.д. Перечисленным требованиям удовлетворяют многоэлементные решетки излучателей с электрически управляемыми диаграммами направленности.

В общем случае сканирование бывает трех типов: механическое, электромеханическое и электрическое. Электрический способ управления положением диаграммой направленности обладает наибольшим быстродействием и применяется в тех ситуациях, когда скорости слежения, обеспечиваемой двумя другими способами, бывает недостаточно, например при управлении воздушным транспортом в современных аэропортах.

При электрическом управлении перемещением луча амплитудно-фазовое распределение возбуждения в раскрыве регулируется с помощью электронно-управляемых устройств, например полупроводниковых или ферритовых фазовращателей и коммутаторов. Быстродействие сканирования здесь ограничивается инерционностью, обусловленной постоянными времени электрических цепей, причем эта инерция на несколько порядков меньше механической инерции в двух первых способах.


Линейная решетка вибраторных антенн

Рис.1 Структурная схема ФАР


Переход от механического сканирования к электрическому приводит к усложнению конструкции антенны, связанному с применением ФАР. Наличие большого числа фазовращателей, увеличение протяженности тракта, использование делителей мощности и других элементов увеличивают тепловые потери в антенне и фазовые ошибки в ее раскрыве, что приводит к уменьшению коэффициента антенны и росту стоимости. Поэтому переход к АР с электрическим сканированием целесообразен только в тех строго аргументированных случаях, когда механический способ не обеспечивает требуемых характеристик управления, при выполнении задачи одновременного сопровождения нескольких целей в пространстве или при необходимости адаптации к помеховой обстановке при наличии нескольких прицельных помех.

На рис. 1 показана структурная схема электрически управляемой ФАР. Мощность с выхода передатчика поступает в распределительно-управляющее устройство. Здесь осуществляется деление этой мощности в нужной пропорции между излучателями решетки, а также обеспечивается создание требуемых фазовых сдвигов между токами в них. Для решения этих задач в распределительно-управляющих устройствах применяются делители мощности, фазовращатели, коммутаторы, аттенюаторы и другие элементы фидерного тракта.

Для формирования диаграммы направленности в одной плоскости применяются линейные антенные решетки из антенных элементов, расположенных вдоль прямой линии. Управление положением антенного луча такой решетки, как правило, осуществляется путем изменения фазового сдвига между токами в соседних излучателях на одну и ту же величину.

Формируемая решеткой диаграмма направленности зависит от диаграмм направленности отдельных излучателей, их взаимного расположения и числа, а также от амплитудно-фазового распределения поля между излучателями. Данная работа предполагает использование симметричных вибраторов в качестве элементов ФАР (см. рис.2).


Линейная решетка вибраторных антенн

Рис.2 Плоская решетка вибраторных антенн


Вибраторные излучатели широко применяются в фазированных антенных решетках в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Широкое применение вибраторных ФАР обусловлено рядом их достоинств: относительно малой массой, устойчивостью к атмосферным внешним воздействиям, возможностями складывания и быстрого разворачивания в мобильных радиотехнических системах, получения произвольной поляризации и управления поляризационной характеристикой излученного поля, управления ДН отдельных излучателей, благодаря включению управляемых нагрузок.


1. Анализ технического задания


Проектирование антенны в данной работе предполагается осуществить методом неполного математического моделирования. Неполнота метода заключается в приближенном характере применяемых в расчетах формул, в использовании при расчете различных допущений, позволяющих упростить математические выражения, а также в нерассмотрении некоторых факторов, влияющих на режим работы реальной антенны. В целом, использование математических моделей при проектировании реальных антенн существенно сокращает объём экспериментальных исследований, связанных с разработкой излучателей, а в ряде случаев и исключает их.

В техническом задании предложено спроектировать линейную ФАР из вибраторных излучателей, настроенную на длину волны Линейная решетка вибраторных антеннЛинейная решетка вибраторных антенн при максимально допустимой мощности в антенне Линейная решетка вибраторных антенн, а также с заданным уровнем боковых лепестков Линейная решетка вибраторных антенн. Длине волны Линейная решетка вибраторных антенн соответствует частота Линейная решетка вибраторных антенн. Сектор сканирования и ширина диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях не заданы, их следует определить в расчете. Конструктивная часть должна учитывать заданную длину решетки Линейная решетка вибраторных антенн и требование к сканированию в H-плоскости . Также в работе необходимо показать конструкцию одного излучателя, который при определении предельно допустимой мощности должен быть исследован на пробой. Антенну предполагается использовать не только в настроенном режиме, поэтому нужно определить полосу частот, в которой параметры антенны будут удовлетворять поставленной задаче, а также условиям эксплуатации.

Значение мощности в антенне говорит о том, что ее предполагается использовать в режиме передачи, следовательно, следует учесть специфику этого режима как при проектировании фидерного устройства, так и всего устройства в целом.

Конструктивно решетка выполняется в виде линейки симметричных вибраторов, ориентированных в пространстве определенным образом. Положение элементов антенны относительно всей решетки зависит от плоскости, в которой должно осуществляться сканирование. По заданию луч должен перемещаться в H-плоскости, соответственно, излучатели должны быть ориентированы таким образом, чтобы ось антенны лежала в H-плоскости каждого из излучателей.

С целью обеспечения однонаправленного излучения вибраторы устанавливаются над металлическим экраном. При высотах установки симметричного вибратора над экраном около Линейная решетка вибраторных антенн и более влияние экрана на сопротивление излучения может быть учтено приближенно, если сделать предположение об идеальной проводимости металла, из которого выполнен экран. При расчете диаграммы направленности излучателя следует учесть влияние высоты подвеса вибратора над экраном на его направленные свойства. Расстояния между элементами решетки выбираются одинаковыми. Поскольку длина решетки задана, то это расстояние определяется выбором числа излучателей.


Примерный вид решетки изображен на рис. 3.


Линейная решетка вибраторных антенн

Исходя из доступности теоретического материала элементом антенной решетки выберу полуволновый (Линейная решетка вибраторных антенн) вибратор. Чтобы упростить последующий расчет вибратор буду считать тонким, то есть его диаметр Линейная решетка вибраторных антенн.

Поскольку в реальных вибраторах ток по плечам протекает несимметрично, то во избежание искажений диаграммы направленности, падения КНД и ухудшения согласования (из-за изменения входного сопротивления излучателя) важно выбрать симметрирующее устройство, которым может служить четвертьволновая щель, U-колено и др.

Следует отметить, что необходимый уровень боковых лепестков не может быть обеспечен при равноамплитудном распределении токов, питающих излучатели, так как оно дает уровень не ниже Линейная решетка вибраторных антенн. Для снижения уровня боковых лепестков (необходим Линейная решетка вибраторных антенн), и, соответственно, повышения КНД требуется применить неравномерное распределение амплитуд. При этом зависимость коэффициента усиления антенны от выбранного распределения учитывается при помощи коэффициента использования поверхности раскрыва.

Амплитудное распределение токов, питающих излучатели, определяет распределение подводимых к излучателям мощностей. Тот вибратор, на который будет подана максимальная мощность, исследуется на пробой, и если при определенной подводимой мощности условие возникновения пробоя не выполняется, то и вся решетка способна функционировать при заданном значении мощности антенны. Необходимо также указать, что значение предельно допустимой мощности вибратора при фиксированной подводимой к антенне мощности не позволяет выбирать число излучателей ниже определенного порогового значения.

Рабочей называется та полоса частот, в пределах которой параметры антенны не выходят за пределы допусков установленных заданием. Обычно границы рабочего диапазона определяются наиболее зависящим от частоты параметром.

Основываясь на приведенном анализе, можно приближенно определить последовательность действий при расчете:

– расчет и построение диаграмм направленности одиночного излучателя в E- и H- плоскостях;

– выбор амплитудного распределения, обеспечивающего заданный уровень БЛ, определение количества элементов антенны;

– предельно допустимая мощность, анализ излучателя на пробой;

– расчет и построение диаграмм направленности множителя решетки и всей решетки в E- и H- плоскостях, оценка ширины ДН и уровня боковых лепестков;

– поиск коэффициента усиления антенны;

– режим сканирования, влияние сдвига фаз между токами соседних излучателей на ДН ФАР в плоскости H, угол сканирования, уровень БЛ;

– оценка широкополосности антенны.

После выполнения расчета будет приведена схема питания устройства и конструкция излучателя с описанием.


2. Расчетная часть


2.1 Расчет диаграммы направленности одиночного излучателя


В соответствии с анализом технического задания длина вибратора


Линейная решетка вибраторных антенн


При условии, что в антенне используются тонкие вибраторы, конкретная толщина вибратора не влияет на расчет диаграмм направленности, поэтому диаметр плеча вибратора предполагается уточнить при анализе излучателя на пробой. Высоту крепления вибратора выберу следующей:


Линейная решетка вибраторных антенн


Такая высота позволяет заменить экран в расчетах зеркальным изображением вибратора. При этом взаимное влияние реального вибратора и зеркального недостаточно велико, чтобы повлиять на расчет. Влияние зеркального изображения на диаграмму направленности симметричного вибратора, установленного над экраном, выражается в том, что расчетные формулы для диаграмм направленности в плоскостях E- и H- должны быть изменены с учетом множителя Линейная решетка вибраторных антенн и с учетом того, что излучение не может распространяться в направлении за экраном. Выражения для диаграмм направленности вибратора, расположенного в свободном пространстве, в E- и H- плоскостях имеют вид:


Линейная решетка вибраторных антенн, Линейная решетка вибраторных антенн

Линейная решетка вибраторных антенн, Линейная решетка вибраторных антенн


При элементарном рассмотрении предполагается, что ДН излучателя, находящегося в решетке, не отличается от ДН изолированного излучателя. С учетом влияния экрана формулы принимают вид:


Линейная решетка вибраторных антенн, где Линейная решетка вибраторных антенн, Линейная решетка вибраторных антенн

Линейная решетка вибраторных антенн, где Линейная решетка вибраторных антенн, Линейная решетка вибраторных антенн


Дополнительное условие Линейная решетка вибраторных антенн учитывает односторонний характер излучения.


Диаграмма направленности излучателя в H-плоскости

Линейная решетка вибраторных антенн


Линейная решетка вибраторных антенн

Линейная решетка вибраторных антенн – ширина ДН в H-плоскости на уровне 0.5 мощности.


Диаграмма направленности излучателя в E-плоскости


Линейная решетка вибраторных антенн


Линейная решетка вибраторных антенн


Линейная решетка вибраторных антенн – ширина ДН в E-плоскости на уровне 0.5 мощности.


2.2 Выбор амплитудного распределения и числа элементов ФАР


Длина всей решетки


Линейная решетка вибраторных антенн

Как было сказано ранее, для обеспечения уровня боковых лепестков Линейная решетка вибраторных антенн следует использовать неравномерное распределение питающих токов. Такому условию соответствует симметричное относительно центрального излучателя амплитудное распределение типа "косинус на пьедестале". При величине "пьедестала" 0.4 нормированное распределение амплитуд токов по элементам решетки будет иметь вид:


Линейная решетка вибраторных антенн, где N – число излучателей решетки.


Такое амплитудное распределение способно обеспечить уровень боковых лепестков около Линейная решетка вибраторных антенн в режиме нормального излучения.

Поскольку сектор сканирования и ширина диаграммы направленности в техническом задании не указаны, то для выбора числа излучателей достаточно выполнения условий, при которых диаграмма направленности множителя решетки позволяет осуществлять качание луча в заметном диапазоне. Эти условия формулируются следующим образом:

– Диаграммы направленности излучателей, примененных в решетке наклонного излучения, должны быть значительно шире, чем главный лепесток ДН-ти множителя решетки.

– Расстояние между излучателями решетки должно быть меньше оптимального.


Линейная решетка вибраторных антенн


Выберу Линейная решетка вибраторных антенн, тогда расстояние между излучателями будет Линейная решетка вибраторных антенн, что автоматически означает выполнение второго условия. В относительных единицах Линейная решетка вибраторных антенн.

Распределение амплитуд токов при выбранном числе излучателей показано на рис. 8


Линейная решетка вибраторных антенн


2.3 Предельно допустимая мощность в излучателе, его анализ на пробой


Определенные в предыдущем пункте амплитудное распределение и число элементов решетки с учетом известной мощности поля в антенне позволяют найти максимальный мощность, приходящуюся на один излучатель. Поскольку было выбрано симметричное распределение, то максимум мощности будет в центральном вибраторе.

Нормированное распределение мощности по излучателям при их одинаковом входном сопротивлении определяется, как


Линейная решетка вибраторных антенн


Из допущения, что подводимая к антенне мощность не рассеивается на элементах фидерного тракта и делится между излучателями в соответствии с заданным законом, можно сделать вывод о доле мощности, приходящейся на центральный излучатель линейной антенной решетки:


Линейная решетка вибраторных антенн


Отсюда Линейная решетка вибраторных антенн

Во избежание возникновения факельного истечения эффективная напряженность электрического поля вблизи плеч вибратора должна быть не более Линейная решетка вибраторных антенн. Антенна же должна эксплуатироваться в таком режиме, в котором эффективная напряженность поля вблизи вибратора в 1.5–2 раза меньше критической, т.е. Линейная решетка вибраторных антенн.

Пусть радиус вибратора Линейная решетка вибраторных антенн (при этом Линейная решетка вибраторных антенн и вибратор можно считать тонким). Максимальное значение напряженности поля имеет место на концах вибратора, его эффективная величина рассчитывается по формуле Линейная решетка вибраторных антенн, где Линейная решетка вибраторных антенн, Линейная решетка вибраторных антенн. Сопротивление излучения симметричного полуволнового вибратора без учета влияния экрана Линейная решетка вибраторных антенн.


Линейная решетка вибраторных антенн

Линейная решетка вибраторных антенн,


сл., пробоя вибратора не наступает и возможна эксплуатация антенны в нормальном режиме при заданной мощности.


2.4 Расчет диаграммы направленности решетки в режиме нормального излучения


Характеристика направленности множителя решетки в плоскости Линейная решетка вибраторных антенн(H-плоскость) определяется в соответствии с формулой Линейная решетка вибраторных антенн, гдеЛинейная решетка вибраторных антенн и Линейная решетка вибраторных антенн – амплитуды и фазы токов, подводимых к элементам решетки, причем в случае излучения, нормального к оси решетки Линейная решетка вибраторных антенн. Направление на максимум диаграммы направленности Линейная решетка вибраторных антенн. Здесь Линейная решетка вибраторных антенн, сл., Линейная решетка вибраторных антенн и Линейная решетка вибраторных антенн. Нормированная диаграмма направленности множителя решетки в H-плоскости


Линейная решетка вибраторных антенн


В плоскости Линейная решетка вибраторных антенн(E-плоскость) направленные свойства у множителя решетки отсутствуют и ДН постоянна по уровню.


Линейная решетка вибраторных антенн


Линейная решетка вибраторных антенн – ширина ДН множителя решетки в H-плоскости излучателя (Линейная решетка вибраторных антенн) на уровне 0.5 мощности.

Линейная решетка вибраторных антенн и Линейная решетка вибраторных антенн, следовательно, Линейная решетка вибраторных антенн, что говорит о потенциально широком секторе сканирования.

Таким образом, можно утверждать, что выбранное число излучателей Линейная решетка вибраторных антенн приемлемо для дальнейших расчетов.

Диаграмма направленности всей антенны определяется по теореме перемножения диаграмм Линейная решетка вибраторных антенн.

Диаграмма направленности решетки в H-плоскости


Линейная решетка вибраторных антенн

Линейная решетка вибраторных антенн, где Линейная решетка вибраторных антенн


Линейная решетка вибраторных антенн


Линейная решетка вибраторных антенн – диаграмма направленности множителя решетки

Линейная решетка вибраторных антенн – диаграмма направленности 1-го излучателя

Линейная решетка вибраторных антенн – диаграмма направленности всей антенны


Линейная решетка вибраторных антенн


Линейная решетка вибраторных антенн– ширина диаграммы направленности антенны в H-плоскости по уровню 0.5 мощности.

Величина наибольшего из боковых лепестков – 0.1

Уровень боковых лепестков


Линейная решетка вибраторных антенн,


что удовлетворяет требованию технического задания Линейная решетка вибраторных антенн.


Диаграмма направленности решетки в E-плоскости


Линейная решетка вибраторных антенн

Линейная решетка вибраторных антенн, где Линейная решетка вибраторных антенн


Линейная решетка вибраторных антенн

Линейная решетка вибраторных антенн


Линейная решетка вибраторных антенн– ширина диаграммы направленности антенны в E-плоскости по уровню 0.5 мощности.


2.5 Коэффициент усиления антенны


Коэффициент усиления ФАР в направлении максимального излучения при знании коэффициента усиления одиночного излучателя можно определить по формуле Линейная решетка вибраторных антенн, где N – число элементов решетки, а Линейная решетка вибраторных антенн – коэффициент использования поверхности раскрыва, который определяет влияние амплитудного распределения на усилительное свойство антенны. Для распределения "косинус на пьедестале" КИП определяется из выражения


Линейная решетка вибраторных антенн,


где Линейная решетка вибраторных антенн – "высота пьедестала".

В моем случае


Линейная решетка вибраторных антенн, отсюда Линейная решетка вибраторных антенн

Линейная решетка вибраторных антенн

Коэффициент усиления одиночного излучателя найду по графику, изображенному на рис. 14


Линейная решетка вибраторных антенн

Рис.14 Зависимости коэффициентов усиления и направленного действия от Линейная решетка вибраторных антенн, построенные в предположении бесконечной проводимости экрана


Линейная решетка вибраторных антенн при Линейная решетка вибраторных антенн


Тогда коэффициент усиления всей антенны в направлении максимального излучения


Линейная решетка вибраторных антенн


2.6 Расчет диаграммы направленности решетки в режиме сканирования


Управление отклонением главного лепестка диаграммы направленности будет осуществляться электрическим, а точнее – фазовым методом. При этом изменяемым параметром будут фазовые сдвиги на входах отдельных излучателей решетки.

Для обеспечения заданного направления на главный максимум ДН множителя решетки Линейная решетка вибраторных антенн разность фаз между соседними элементами ФАР должна быть вычислена в соответствии с выражением: Линейная решетка вибраторных
    <div class=

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.
Подробнее

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: