1

2

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО ОБРОЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Уральский Государственный Университет

УГТУ-УПИ

Кафедра ВЧСРТ

Фазированная антенная решетка с дискретным фазированием

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине “Устройства СВЧ и антенны”

Руководитель:

Студент:

Екатеринбург 2001

АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ

Введение (назначение данного типа антенны, принцип ее действия) 3

1. Исходные данные и задание на проектирование. 5

2. Расчет основных конструктивных элементов антенны и линии передачи 6

2.1. Выбор типа ЛП, расчет конструктивных и электрических параметров 6

2.2. Расчет геометрических размеров решетки и числа элементов 6

2.3. Расчет геометрии одиночного излучателя 7

2.4. Выбор структуры и расчет геометрических параметров ФВ 8

2.5. Расчет схемы питания 10

3. Электрические характеристики антенны 12

3.1. ДН одиночного элемента 12

3.2. ДН всей ФАР 12

4. Конструкция модуля ФАР (или конструкция линейки излучателей) 13

5. Алгоритм управления ФВ 14

Заключение 15

ВВЕДЕНИЕ

Для получения высокой направленности излучения, часто требуемой на практике, можно использовать систему слабонаправленных антенн. В этом случае общая направленность, особенно при большом кол-ве излучателей, определяется в основном габаритными размерами всей системы и в гораздо меньшей степени - индивидуальными направленными свойствами отдельных излучателей.

Процесс перемещения основного лепестка ДН в пространстве сканирование. Сканирование может осуществляться механическим и электрическими способами.

Наибольшим быстродействием отличается третий способ, при котором антенна остается неподвижной в пространстве, а ДН перемещается за счет изменения амплитудно-фазового распределения в раскрыв антенны электрическим путем

Электрическое сканирование осуществляется обычно на основе использования многоэлементных антенных решеток (АР). В простейшем случае для линейных случаев АР с распределением токов по закону In=In*e^-jnб положение максимума основного лепестка ДН относительно нормам к оси решетки определяется соотношением:

Отсюда видно, что управлять положением максимума ДН электрическим путем можно, изменяя либо сдвиг фаз между потоками в соседних излучателях , либо длину волны .

Фазовый способ электрического сканирования реализуется в антеннах, получившие название фазированные антенные решетки (ФАР). Наиболее распространены ФАР на основе линейных и плоских решеток. Возможности линейных ФАР более ограничены, т.к. сканирование здесь может осуществляться только в одной плоскости, проходящих через ось решетки Плоские ФАР позволяют сканировать в пространственном секторе углов относительно нормам к плоскости решетки. Однонаправленность излучения достигается применением экранов или элементов с однонаправленным излучением.

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Исходные данные

1. Частота f=1ГГц

2. Ширина ДН в главных плоскостях(по уровню -3дб)

xz=10 ; zx=10

3. Уровень боковых лепестков =13дб

4. максимальный угол отклонения луча m=30

5. мощность передатчика в импульсе Р=1кВт

6. Тип излучателя- симметричный вибратор.

7. Область сканирования- конус.

Выбрать и рассчитать:

Параметр одиночного излучателя.

Кол-во элементов и шаг решетки.

Распределение возбуждения по элементам.

Схема питания и фазирования решетки

Линия передачи

Схема фазовращателя, тип диодов, основные конструктивные размеры фазовращателя.

Диаграммы направленности в главных плоскостях для нормального и отклоненного луча.

Алгоритм управления фазовращателями при заданной ориентации луча.

2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АНТЕННЫ И ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

2.1 Выбор типа ЛП, расчет конструктивных и электрических параметров

Симметричная двухпроводная линия относится к открытым линиям передачи, основными недостатками которых являются подверженность воздействию атмосферных осадков и излучении самой линии (антенный эффект), возрастающие сростом частоты. Поэтому в диапазоне УКВ для питания симметричных вибраторов желательно применять экранированные линии в виде коаксиальных кабелей и жестких коаксиальных линий.

Выбираем жесткую коаксиальную линию с воздушным заполнением РК-50-7-16 Расчет разводящей полосковой линии

Длина волны в линии: Волновое сопротивление полосковой линии составляет 200100 Ом легко регулируется подбором ширины проводников. При t=0,1 мм; h=1мм; b=1мм. Гибкий коаксиальный кабель, ведущий генератора к схеме питания

=50 Ом =60/ln D/d =2,4 (полиэтилен)

Eкр=25 (кв/мм)

D/d=3,5 d=3 D=10

Выбираем кабель РК-50-3-10

2.2 Расчет геометрических размеров решетки и числа элементов

Аx (Ay)- размеры решетки по оси х (у)

(-3дб)-ширина ДН, находимая из таблицы 1 для уровня боковых лепестков

=-13дб(-3дб)=50,8;

(-3дб)xz, yz - заданная ширина ДН в главных плоскостях,

xz=xy=10 Ax= Ay=A

Расстояние между излучателями

Число излучателей

Для бинарной схемы питания

При расчете ДН решетки при помощи IBM с максимальным углом сканирования m=30, появляется побочный главный максимум, уровень которого выше уровня зад. Для того, чтобы этого не происходило необходимо увеличить число излучателей (что не экономично). Для сохранения бинарной схемы питания уменьшаем максимальный угол сканирования на 5 m=25

2.3 Расчет геометрии одиночного излучателя

Согласно заданию одиночный излучатель - симметричный вибратор, который представляет собой прямолинейный проводник цилиндрической формы с симметричным относительно середины проводника распределением тока

Ширина диаграммы направленности одиночного излучателя по уровню -3дб должна превышать ширину спектра сканирования луча 2 m=50

Выбираем полуволновод вибратор, его ширина ДН:

КПД полуволнового вибратора близко к 100. Питание происходит в пучности тока (геометрическом центре), и следовательно, входное сопротивление равно сопротивлению излучения Диаметр трубок вибратора 2р обычно выбирается 1020мм. Выбираем 2р=10мм.

Входное сопротивление полуволнового вибратора = 73,1 Ом. Входное сопротивление полуволнового вибратора имеет реактивную составляющую положительного знака. Для компенсации этой составляющей длина вибратора берется несколько меньше /2. Вибратор в этом случае является резонансным, и длина вибратора определяется по формуле:

Для определения коэффициента ускорения воспользуемся графиком

Сопротивление излучения вибратора:

R11-собственное сопротивление излучения в свободном пространстве; R11=73,1 Ом.

R12-взаимное сопротивление 2 параллельных равновеликих вибраторов, разнесенных на 2d.

(Для создания однонаправленного излучения вибратор располагается параллельно плоскому проводящему экрану-рефлектору; d-расстояние между осью вибратора и экраном.)

Обычно d/=0,3; d=90мм. Из табл. 1.1. определяем R12=-22 Ом.

Максимальное значение КНД одиночного излучателя:

Питание симметричного вибратора в разделе 2.5

2.4 Выбор структуры и расчет геометрических параметров фазовращателя

Для ориентации максимума ДН в требуемом направлении фазовращателем (ФВ) в тракте каждого излучателя должны обеспечивать фазовый сдвиг:

Фазирование можно реализовать 2 способами:

Непрерывный способ. Изменение фазы в каждом фазовращателе осуществляется плавно, что обеспечивает точную реализацию необходимого значения рд. Но этот способ требует сложных управляющих схем, вырабатывающих плавно изменяющиеся сигналы; высокие требования к идентичности и стабильности работы ФВ;

Дискретный способ. Изменение фазы осуществляется скачком на величину Ф (дискрет фазирования). Реализуется этот способ обычно с помощью операций включения или выключения в устройствах, управляющих работой ФВ. Этот способ получил в настоящее время более широкое практическое применение.

Выбор дискрета фазирования:

Для реализации любого фазового состояния (с дискретом Ф=) в интервале 0рд2 требуется 4 каскада проходного ФВ, причем каждый каскад с номером m (m=1,2,3,4) находится в одном из двух состояний, характеризуемых вносимым фазовым сдвигом 0 или 2/2^m

Для управления каждым ФВ требуется m=4 сигналов, принимающих условные обозначения 0 или 1. Так сигналу 0000 соответствует нулевой фазовый сдвиг, сигналу 0001-фазовый сдвиг и т.д., сигналу 1111- фазовый сдвиг 15

Конкретный выбор управляющих сигналов осуществляется так, чтобы значение фазового сдвига, реализуемого в тракте каждого излучателя, минимально отличалось от рд.

Для этого округление рд до ближайшего дискретного значения д.

При этом максимальная фазовая ошибка не превосходит Ф/2.

ФВ современных ФАР выполняют либо на p-i-n диодах: малые габариты и масса, большая скорость переключений, стабильность, взаимный характер фазовых сдвигов, возможность использования печатной технологии производства. Такие ФВ строятся на основе полосковых линий передачи. Управляющие элементы p-i-n диоды 2А517А, используемые в качестве последовательного включенных в линию ключей. Каскады 3,4 являются ФВ типа нагруженная линия, а каскады 1,2-переключаемая линия.

Ширина дорожки в=1мм; толщина дорожки t=0,1мм; толщина диэлектрика h=1мм; =50 Ом (разд.2.1)

Смещение на диоды подается через контактные площадки и четвертьволновые отрезки линий с высоким волновым сопротивлением Топология ФВ в приложении 4

Параметры диода 2А517А:

Критическая частота………………………………………..75 ГГц

Максимальная мощность……………………………………0,5 Вт

Максимальный прямой ток…………………………………100 мА

Максимальное обратное напряжение………………………150 В

Прямое сопротивление диода………………………………5 Ом

Рабочий диапазон температур………………………… -60…+125С.

2.5 Расчет схемы питания

Разводка по решетке реализована на полосковых отрезках линии передачи по ветвистой схеме питания

Для заданного уровня боковых лепестков =-13дб из табл. 3.1 находим распределенные поля в раскрыве. Получаем равномерное распределение

Следовательно, в каждом ответвлении мощность должна делиться пополам (используем тройниковые делители мощности.) (Рис.9)

Из раздела 2.1. =50 Ом л=96,8мм; л/4=24,2мм

Ширина дорожки (при =50 Ом) b1=1мм.

Такие делители мощности с четвертьволновыми трансформаторами ставим на каждое ответвление.

Питание от генератора к разводке осуществляется жестким каоксиальным кабелем РК-50-7-16 в точку 0. От точки 0 идут четвертьволновые трансформаторы, показанные на (Рис.9)

Питание симметричного вибратора несимметричной жесткой коаксиальной линией должно осуществляться с помощью специального симмитрирующего устройства, устраняющего возбуждение внешней поверхности наружного проводника коаксиальной линии. Применим схему шелевого возбуждения вибратора (Рис.10). Оболочка жесткой коаксиальной линии разрезается двумя узкими щелями; при этом оболочки можно рассматривать как двухпроводную линию. Внутренний провод линии короткозамкнутой перемычкой К соединен с одной из половин оболочки. В точках а и в присоединяются плечи вибратора.

Двухпроводная линия, образованная 2 частями разрезанной оболочки, возбуждается в режиме Т-влн.

Соответственно плечи вибратора возбуждаются синфазно с равной амплитудой при любой длине щелей. Длина щели обычно берется л/4=300/4=75мм

Т.к. Rвх. Вибратора (Rвх.=95 Ом) не равно волновому сопротивлению кабеля =50 Ом, то применим четвертьволновый согласующий трансформатор с волновым сопротивлением

Реализуется трансформатор изменением диаметра внутреннего проводника коаксиальной линии на длине л/4 вблизи точек питания

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕННЫ

3.1 ДН одиночного элемента

ДН полуволнового вибратора, расположенного параллельно плоскому проводящему экрану рассчитывается по формуле:

d-расстояние между осью вибратора и экраном.

Максимальное значение КНД:

3.2 ДН всей ФАР

Т.к. распределение возбуждения по элементам имеет “закон косинус на пьедестале” и Х=У=1, то ДН в этом случае:

КНД всей ФАР:

При 0=0

При 0=25

ДН ФАР при m=0=0 и m=25 в приложении 2 и 3.

4. КОНСТРУКЦИЯ МОДУЛЯ ФАР

Разделим всю ФАР на 16 модулей, состоящих из четырех излучателей.

В конструкции модуля объеденены: двоичный равномерный делитель мощности, излучателя, находящиеся над экраном и соединенные жесткой коаксиальной линией со схемой питания.

Структурная схема модуля приведена на

Управление ФВ реализуется с помощью IBM. Конструкция модуля ФАР в приложении 5.

5. АЛГОРИТМ УПРОВЛЕНИЯ ФАЗОВРАЩАТЕЛЯМИ

Фазовые сдвиги излучателей с координатами Хр, Уд:

m, m- направление максимума излучения.

Область сканирования - конус 0 m 25

0 m 360

Задавая m и m можно вычислить фазовый сдвиг каждого излучателя и управлять ФВ, подавая (или не подавая) сигналы на диоды.

Принимая Х1=0 и У1=0, покажем как вычислить фазовый сдвиг для излучателя, например 27, при m=25 и m=45

Максимальная ошибка полдискрета.

Для излучателя 27 необходимый фазовый сдвиг -9/8, причем ошибка фазирования будет:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате курсового проектирования была рассчитана ФАР, состоящая из 64 излучателей с максимальным углом сканирования m=25. Для увеличения m до 30 необходимо увеличить число излучателей до 256 (для сохранения бинарной схемы питания), следовательно, конструкция ФАР станет более громоздкой и дорогой.

Фазирование осуществляется с дискретом фазировании =/8. Для уменьшения ошибок фазирования (а в проекте максимальная ошибка фазирования равна /16) необходимо уменьшить , что усложнит структуру фазовращателя.