Рефераты. Линейная решетка вибраторных антенн

В соответствии с анализом технического задания длина вибратора



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:



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  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:


,

,


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


, где ,

, где ,


Дополнительное условие  учитывает односторонний характер излучения.


Диаграмма направленности излучателя в H-плоскости


 – ширина ДН в H-плоскости на уровне 0.5 мощности.


Диаграмма направленности излучателя в E-плоскости




 – ширина ДН в E-плоскости на уровне 0.5 мощности.


2.2 Выбор амплитудного распределения и числа элементов ФАР


Длина всей решетки


Как было сказано ранее, для обеспечения уровня боковых лепестков  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:


, где N – число излучателей решетки.


Такое амплитудное распределение способно обеспечить уровень боковых лепестков около  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.



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

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



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



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:



Отсюда

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

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


,


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



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



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

 и , следовательно, , что говорит о потенциально широком секторе сканирования.

Таким образом, можно утверждать, что выбранное число излучателей  приемлемо для дальнейших расчетов.

Диаграмма направленности всей антенны определяется по теореме перемножения диаграмм .

Диаграмма направленности решетки в H-плоскости


, где



 – диаграмма направленности множителя решетки

 – диаграмма направленности 1-го излучателя

 – диаграмма направленности всей антенны



– ширина диаграммы направленности антенны в H-плоскости по уровню 0.5 мощности.

Величина наибольшего из боковых лепестков – 0.1

Уровень боковых лепестков


,


что удовлетворяет требованию технического задания .


Диаграмма направленности решетки в E-плоскости


, где



– 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 , где N – число элементов решетки, а  – коэффициент использования поверхности раскрыва, который определяет влияние амплитудного распределения на усилительное свойство антенны. Для распределения "косинус на пьедестале" КИП определяется из выражения


,


где  – "высота пьедестала".

В моем случае


, отсюда

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


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


 при


Тогда коэффициент усиления всей антенны в направлении максимального излучения



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  разность фаз между соседними элементами ФАР должна быть вычислена в соответствии с выражением: .

Углом сканирования  буду называть отклонение главного максимума ДН от первоначального положения при  и , т.е. .

Сектором сканирования буду считать тот диапазон углов, в пределах которого уровень главного лепестка не меньше уровня 0.707 нормированной ДН одиночного излучателя. При этом недопустимо проникновение производных дифракционных лепестков, если их уровень превышает УБЛ.

При  и, соответственно,  диаграмма направленности антенны выглядит, как показано на рис. 15.


Рис. 15 ДН решетки в декартовой СК. H-плоскость. Сдвиг фаз


 – диаграмма направленности множителя решетки

 – диаграмма направленности 1-го излучателя

 – диаграмма направленности всей антенны

Сектор сканирования

Вид диаграммы в полярной системе координат изображен на рис. 16



Ширина диаграммы направленности по уровню 0.5 мощности


()


По диаграмме направленности на рис.15 оценю уровень боковых лепестков. Высота наибольшего из боковых лепестков – 0.09, при этом .


,


что удовлетворяет требованию технического задания . Для осуществления сканирования в полученном секторе необходима регулировка фазы между токами соседних излучателей в достаточно широких пределах  или  рад.


2.7 Оценка широкополосности антенны


На частотные свойства ФАР в основном влияют диапазонные свойства излучающего раскрыва, способ управления фазой, тип делителя мощности, а также характер излучаемого сигнала. Предположу, что рабочая полоса частот фазовращателей и направленных ответвителей не меньше полосы частот решетки.

Рабочая полоса частот вибраторной ФАР зависит от электрической толщины вибраторов, периода и размеров решетки, а также от сектора сканирования. Поскольку учет всех факторов чрезвычайно трудоемок, то ограничусь оценкой полосы по уровню снижения усиления до 0.9 максимума. В этом случае относительная рабочая полоса частот вибраторной ФАР составляет около  от центральной частоты (в случае проектируемой антенны – ). С учетом толщины вибратора (тонкий вибратор) полосу частот можно уточнить: в этом случае она составляет  от центральной частоты. Если для защиты узла возбуждения излучателя от неблагоприятных воздействий внеш. среды использовать герметизирующий кожух длиной , то рабочую полосу частот можно расширить до значений  (1.7..2.3 ГГц).

Следует упомянуть, что поскольку сектор сканирования, рассмотренный ранее, рассчитывался в предельном случае (появление дифракционных лепестков уже было заметно), то говорить о работе в ненастроенном режиме при таком отклонении луча от нормали не приходится. Для работы в диапазоне частот следует задаваться более узким сектором сканирования, в пределах которого остальные параметры антенны будут оставаться приемлемыми.


3.Схема питания


Техническое задание не содержит конкретных требований к схеме питания и согласованию, поэтому ограничусь общими соображениями.

Питание антенны можно выполнить с помощью распределителя закрытого тракта. Из различных типов решений наиболее подходящим является комбинированная схема питания. В этой схеме разделение мощности производится с помощью направленных ответвителей последовательно, а управляемые фазовращатели включены по параллельной схеме (см рис. 17).


Рис. 17 Комбинированная схема питания ФАР

 


Преимуществом такой схемы является возможность осуществления требуемой амплитудной характеристики с помощью соответствующего выбора коэффициентов связи направленных ответвителей, а также осуществление установки луча в среднее положение сектора качания с помощью компенсирующих отрезков линий. Кроме того подобная фидерная система поглощает отраженную волну и обеспечивает развязку излучателей. Волны, отраженные от излучателей, проходят на вход антенны или поглощаются в нагрузках направленных ответвителей, но не переизлучаются.

Учитывая длину волны в фидере , для соединения устройств фидерного тракта можно порекомендовать отрезки коаксиальных линий, и, т. к. в задании нет требований к согласованию, то конкретное волновое сопротивление и тип фидера в данной работе уточняться не будут. Из соображения хорошего сопряжения с соединительными линиями для поворота фазы можно выбрать коаксиальные ферритовые фазовращатели.


4. Конструкция излучателя и ее описание


Конструкция излучателя решетки показана на с. 21 данной работы.

Излучатель представляет собой тонкий цилиндрический симметричный вибратор диаметром . Для защиты от внешних метеоусловий узел возбуждения закрывается герметизирующим кожухом 3. Через коаксиальный разъем 6 вибратор связан с фидерным трактом. Для симметрирования возбуждения плеч вибратора 1 и 2 служит четвертьволновая щель 4. Для получения однонаправленного излучения используется экран 5. На рис. 18 проиллюстрировано возбуждение вибратора при помощи двух продольных четвертьволновых щелей, прорезанных во внешнем проводнике коаксиального волновода.


Рис. 18 Способ питания вибратора жесткой коаксиальной линией


Перемычка закорачивает -волну коаксиального волновода, и текущий по ней ток возбуждает волны высших типов, в первую очередь волну  в коаксиальном волноводе. Хотя волна этого типа не может распространяться, ее появление сопровождается возникновением местных поперечных токов. Эти токи пересекают щели во внешнем проводнике и, таким образом, возбуждают внешнее пространство. Наиболее интенсивное возбуждение вибратора имеет место при резонансной длине щелей .

Заключение


В процессе выполнения данной курсовой работы была рассчитана фазированная антенная решетка вибраторных излучателей со следующими параметрами:

Передаваемая мощность ……………………………………….….. 30 кВт

Длина волны ……………………………………………………….. 15 см

Сектор сканирования ………………………………………………

– В режиме нормального излучения

Ширина ДН по уровню половины мощности

- в плоскости Н ……………………………………….….

- в плоскости Е ……………………………...………..….

Уровень боковых лепестков ………………………………… -20 дБ

– В режиме наклонного излучения

Ширина ДН по уровню половины мощности

- в плоскости Н ……………………………………….….

Уровень боковых лепестков ………………………………… -18 дБ

Рабочая полоса частот  ....…… …………….. 10..15

, ГГц ………………………………. 1.7..2.3

Коэффициент усиления ...…………… ……………... 58.3 (17.7дБ)

Коэффициент использования поверхности раскрыва .……………. 0.947

Нельзя не отметить тот факт, что данная работа не имеет практической ценности для реального конструирования. Математическая модель базируется на множестве упрощений и допущений, вследствие чего не может считаться достоверной. Характеристики имеют приближенный характер, но тем не менее хорошо отражают сущность явлений и процессов, имеющих место в рассмотренном типе антенны, а именно в ФАР вибраторных излучателей.

Список использованных источников


1. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д.И. Воскресенского.–М.: Радио и связь, 1994.

2. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств.

–М.–Л.: Энергия, 1966.

3. Драбкин А.Л. и др. Антенно-фидерные устройства. Изд. 2-е, перераб. и доп.

–М.: Сов. радио, 1974.

4. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. –М.: Высш. шк., 1988.

5. Коротковолновые антенны / Под. ред. Г.З. Айзенберга. –2-е, перераб. и доп.

–М.: Радио и связь, 1985.

6. Конспект лекций по курсу "Антенны и устройства СВЧ"


Страницы: 1, 2



2012 © Все права защищены
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.