Антенны и устройства СВЧ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский Авиационный Институт

(Государственный Технический Университет)

Курсовая работа

«Антенны и устройства СВЧ»

Работу выполнил:

Студент группы 04-321 Скалий Р.А.

Работу принял:

Профессор Попов В.В.

Москва, 2012



Содержание

Список используемых обозначений

Введение

1. Расчет параметров антенны

1.1 Выбор размеров волновода

1.2 Расчет основных характеристик волновода

1.3 Расчет параметров излучателя

1.3.1 Размеры излучателя

1.3.2 Коэффициент отражения

1.3.3 Диаграммы направленности излучателя

1.3.4 КНД, КУ, КПД

2. Расчет фидерного тракта

2.1 Расчет фазовращателя

2.2 Расчет поглощающей нагрузки

2.3 Расчет изгиба волноводного тракта

3. Амплитудная и фазовая ошибки модуля

3.1 Описание принципиальной электрической схемы модуля

3.2 Описание конструкции модуля

Литература



Список используемых обозначений

а- широкая стенка волновода

b- узкая стенка волновода

ap- размер раскрыва рупора в плоскости вектора Н

bp- размер раскрыва рупора в плоскости вектора Е

ш- дискрет проходного фазовращателя

уm- допустимая амплитудная ошибка фазовращателя

н- допустимая фазовая ошибка фазовращателя

?A- допустимая амплитудная ошибка модуля

? н- допустимая фазовая ошибка модуля

a1- коэффициент отраженя на входе моста

- коэффициент отражения в раскрыве рупора

- коэффициент отражения в горловине рупора

Г_р - коэффициент отражения от излучателя

д- коэффициент отражения от входа направленного ответвителя

- переходное ослабление направленного ответвителя

- направленность

г- фазовая скорость

- групповая скорость

В- коэффициент ответвления мощности

б2- коэффициент прохождения

г3- коефициент энергии прошедшей в поглощающую нагрузку

- угол раскрыва рупора в плоскости Н

- угол раскрыва рупора в плоскости Н

Z- эквивалентное сопротивление

k- волновое число

F(Ц)- диаграмма направленности в плоскости Н

A(И)- диаграмма направленности в плоскости Е

RE- длина рупора в плоскости вектора Е

RH- длина рупора в плоскости вектора Н

з- КПД

Е- напряженность электрического поля

N -число дискретов управления фазой\

x -длина катета для прямоугольного волновода для Е-уголка

x1 - длина катета для прямоугольного волновода для Н-уголка

б- коэффициент затухания

- длина волны колебаний в области щели

- длина волны колебаний в области щели

L- длина щели связи

Q- потери мощности в ОФВ

Kf -коэффициент передачи фазовращателя

Гf - коэффициент отражения фазовращателя

Km - коэффициент передачи модуля

Гm - коэффициент отражения модуля

И - ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости

Ц - ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости



Введение

Антенны современных радиотехнических систем. Антенно-фидерное устройство, обеспечивающее излучение и приём радиоволн, - неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Требования к техническим характеристикам антенн вытекают из назначения радиосистемы, условий размещения, режима работы, допустимых затрат и т.д. Реализуемость необходимых направленных свойств, помехозащищённости, частотных, энергетических и других характеристик антенн во многом зависит от рабочего диапазона волн.

Антенны СВЧ широко применяют в различных областях радиоэлектроники - связи, телевидении, радиолокации, радиоуправлении, а также в системах инструментальной посадки ЛА, радиоэлектронного противодействия, радиотелеметрии и др.

Широкое распространение получили остронаправленные сканирующие антенны. Сканирование позволяет осуществлять обзор пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. Замена слабонаправленных или ненаправленных антенн остронаправленными сканирующими позволяет не только получать энергетический выигрыш в радиотехнической системе за счёт увеличения коэффициента усиления антенн, но и в ряде случаев ослаблять взаимные влияния одновременно работающих различных систем, т.е. обеспечивать их ЭМС. При этом могут быть улучшены помехозащищённость, скрытность действия и другие характеристики системы. При механическом сканировании, выполняемом поворотом всей антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при современных скоростях ЛА оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн.

Применение ФАР для построения сканирующих остронаправленных антенн позволяет реализовать высокую скорость обзора пространства и способствует увеличению объема информации о распределении источников излучения или отражения электромагнитных волн в окружающем пространстве. Современные устройства СВЧ с электронными приборами и электрически управляемыми средами позволяют не только создавать управляемое фазовое распределение в антенной решётке (т.е. осуществить электрическое сканирование), но и первоначально обработать поступающую информацию непосредственно в СВЧ - тракте антенны.

Дальнейшее улучшение характеристик радиотехнических систем с ФАР, таких как разрешающая способность, быстродействие, пропускная способность, дальность обнаружения, помехозащищённость, можно обеспечить, совершенствуя методы обработки сигналов, излучаемых и принимаемых антенной. При этом антенна служит первичным звеном обработки и в значительной мере определяет основные характеристики всей системы. В зависимости от назначения системы и требований к её характеристикам применяют антенны с различными методами обработки. Одним из вариантов является адаптивная антенная решётка, которую в системе обработки радиосигнала можно рассматривать как динамический самонастраивающийся пространственно-временной фильтр с автоматически меняющимися характеристиками направленности, частотными свойствами и другими параметрами. Известны также иные антенны с обработкой сигнала: самонастраивающаяся, с синтезированным раскрывом, с временной модуляцией параметров, с цифровой обработкой, с аналоговой пространственно-временной обработкой методом когерентной оптики и т.д.

Характеристики антенны предопределяют ряд основных параметров всей радиосистемы. Так, в радиолокационных станциях разрешающая способность и точность определения угловых координат, скорость перемещения луча в пространстве, помехозащищённость и т.п. зависят от антенных характеристик.

В последние годы стали широко использовать микроэлектронные устройства СВЧ, полосковые и микрополосковые линии передачи, в том числе выполненные на них фазовращатели, коммутаторы, усилители и т.п. Потенциальные возможности микроэлектроники в уменьшении массы и объёма радиоаппаратуры могут быть реализованы при соответствующем построении антенн, отказе от традиционных их типов и переходе к печатным антенным решёткам.

Многообразие существующих антенн принято классифицировать по рабочим диапазонам волн, электрическим характеристикам, конструкторско-технологическому исполнению, областям применения и т.д. Критерием классификации может служить обработка информации (сигнала), происходящая в антенне и СВЧ-тракте. Такая обработка может осуществляться на частотах принимаемого (излучаемого) сигнала, на более высоких или более низких частотах, быть линейной или нелинейной, аналоговой или цифровой, адаптивной и т.д. Так как поле, падающее на отдельный элемент решётки, характеризуется поляризацией, амплитудой и фазой, то и обработка сигналов должна быть поляризационной по амплитуде и фазе.

Типы антенных решёток и их классификация. Антенные решётки принято классифицировать в зависимости от расположения излучателей в пространстве, размещения их в решётке, шага решёти, способа возбуждения и сканирования, типа применяемого излучателя и т.д. В зависимости от геометрии расположения излучателей в пространстве АР подразделяются на одномерные (линейные, кольцевые, дуговые), двухмерные (поверхностные) и трёхмерные. К одномерным относятся линейные, кольцевые и дуговые решётки; к двухмерным - плоские и выпуклые решётки, наиболее распространёнными из которых являются осесимметричные решётки цилиндрические, конические и сферические. К выпуклым можно отнести и многогранные АР, представляющие пространственную систему плоских решёток, располагаемых на гранях выпуклых многогранников.

Размещение излучателей в решётке можно описать математически с помощью системы, в узлах координатной сетки которой располагаются излучатели. Так как размещение излучателей в плоских и выпуклых решётках может быть эквидистантным, неэквидистантным, разреженным по определённому закону, случайным, то для описания его используют различные ортогональные и неортогональные координатные системы. На практике размещение излучателей в решётке жёстко ограничивается возникновением побочных максимумов (дифракционных максимумов высшего порядка), допустимым УБЛ и падением коэффициента усиления антенны, конструкцией отдельных элементов и всего полотна, устройствами возбуждения и управления луча. Наиболее распространены эквидистантные решётки, у которых все излучатели размещаются с постоянным шагом по каждой координате плоского раскрыва или в отдельных её частях - модулях решётки.

АР классифицируют по способу возбуждения. Различают так называемый пространственный способ возбуждения, при котором антенная решётка, как и зеркальная антенна, возбуждается облучателем. В этом случае возможны два варианта ФАР проходной и отражательный. Второй способ возбуждения - фидерный, при котором решётку возбуждают системой линии передач СВЧ. При этом возможны следующие схемы питания излучателей ФАР: последовательная, параллельная и двоично-этажная (ёлочка).

АР принято также классифицировать по типу используемых излучателей. В качестве элемента АР применяют слабонаправленные, направленные и остронаправленные антенны с различными частотными свойствами, поляризацией поля, потерями и максимально допустимой мощностью излучения. Ширина ДН излучателя в решётке должна быть не менее сектора сканирования луча.

Выбор схемы построения АР определяется требованиями к радиотехнической системе, для чего необходимо знать характеристики антенн и учитывать способ обработки СВЧ-сигнала.



1. Расчет параметров антенны

1.1 Выбор размеров волновода

Размеры волновода выбираются исходя из условия:

0.6* < a< 0.9*

0.6*4 < a < 0.9*4

1.92 < a < 2.88

Рабочая частота:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1

Следовательно рассчитываемый волноводный модуль будет работать в диапазоне 6.57 - 9.99ГГц. По таблице параметров стандартных прямоугольных волноводов этому диапазону соответствуют размеры:

а := 2.8499 см

b := 1.2624 см



1.2 Расчет основных характеристик волновода

· Замедление фазовой скорости:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

· Замедление групповой скорости :

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

· Предельная пропускаемая мощность:

кВ/см

где - напряженность электрического поля, при которой происходит пробой в воздухе (предельно допустимая для заданной температуры, давления и влажности напряженность электрического поля)

· Коэффициент затухания:

дБ/м

где - удельная проводимость стенок волновода из латуни.



1.3 Расчет параметров излучателя

Рис. 2. Схема излучателя

1.3.1 Размеры излучателя

Ширина диаграммы направленности связана с размерами раскрыва рупора ap и bp следующими соотношениями:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определим длину рупора в плоскостях H и E:

Для начала заменим неравенства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

,

(где Rh - длина рупора в плоскости вектора Н, а RE - длина рупора в плоскости вектора E.)

Равенствами, и вычислим их. Получим следующие значения:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Затем, примем RH=15.237 и вычислим RE по формуле:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

И сделаем проверку:

Запишем конечный результат:

Длина рупора в плоскости H:

RH=5.417см

Длина рупора в плоскости E:

RE=7.397см

см

1.3.2 Коэффициент отражения

Отражение в рупорной антенне возникает в двух сечениях: в раскрыве рупора и в его горловине .

- волновое число

постоянная распространения в прямоугольном волноводе, поперечное сечение которого равно раскрыву рупора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коэффициент отражения выражается через эквивалентное сопротивление:

- углы раскрыва рупора в плоскостях и соответственно.

-эквивалентное сопротивление

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.3.3 Диаграммы направленности излучателя

В плоскости H:

Рис. 3. Диаграмма направленности в плоскость Н

Табл.1

F(ф)	ф	F(ф)	ф	F(ф)	ф
0.998	1	0.171	31	-0.033	61
0.994	2	0.148	32	-0.032	62
0.986	3	0.126	33	-0.03	63
0.975	4	0.106	34	-0.028	64
0.961	5	0.087	35	-0.027	65
0.944	6	0.07	36	-0.025	66
0.924	7	0.055	37	-0.023	67
0.902	8	0.041	38	-0.022	68
0.878	9	0.028	39	-0.02	69
0.851	10	0.017	40	-0.019	70
0.822	11	6.572e-3	41	-0.017	71
0.792	12	-2.3e-3	42	-0.016	72
0.76	13	-0.01	43	-0.015	73
0.727	14	-0.017	44	-0.013	74
0.692	15	-0.022	45	-0.012	75
0.657	16	-0.027	46	-0.011	76
0.622	17	-0.031	47	-0.01	77
0.585	18	-0.034	48	-9.031e-3	78
0.549	19	-0.037	49	-8.072e-3	79
0.513	20	-0.038	50	-7.165e-3	80
0.477	21	-0.04	51	-6.306e-3	81
0.442	22	-0.04	52	-5.491e-3	82
0.408	23	-0.041	53	-4.716e-3	83
0.374	24	-0.041	54	-3.976e-3	84
0.341	25	-0.04	55	-3.266e-3	85
0.309	26	-0.04	56	-2.582e-3	86
0.279	27	-0.039	57	-1.918e-3	87
0.25	28	-0.037	58	-1.27e-3	88
0.222	29	-0.036	59	-6.325e-4	89
0.196	30	-0.035	60	0	90

В плоскости Е:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Диаграмма направленности в плоскость Е

Табл.2

F(и)	и	F(и)	и	F(и)	и
0.998	1	0.171	31	-0.033	61
0.994	2	0.148	32	-0.032	62
0.986	3	0.126	33	-0.03	63
0.975	4	0.106	34	-0.028	64
0.961	5	0.087	35	-0.027	65
0.944	6	0.07	36	-0.025	66
0.924	7	0.055	37	-0.023	67
0.902	8	0.041	38	-0.022	68
0.878	9	0.028	39	-0.02	69
0.851	10	0.017	40	-0.019	70
0.822	11	6.572e-3	41	-0.017	71
0.792	12	-2.3e-3	42	-0.016	72
0.76	13	-0.01	43	-0.015	73
0.727	14	-0.017	44	-0.013	74
0.692	15	-0.022	45	-0.012	75
0.657	16	-0.027	46	-0.011	76
0.622	17	-0.031	47	-0.01	77
0.585	18	-0.034	48	-9.031e-3	78
0.549	19	-0.037	49	-8.072e-3	79
0.513	20	-0.038	50	-7.165e-3	80
0.477	21	-0.04	51	-6.306e-3	81
0.442	22	-0.04	52	-5.491e-3	82
0.408	23	-0.041	53	-4.716e-3	83
0.374	24	-0.041	54	-3.976e-3	84
0.341	25	-0.04	55	-3.266e-3	85
0.309	26	-0.04	56	-2.582e-3	86
0.279	27	-0.039	57	-1.918e-3	87
0.25	28	-0.037	58	-1.27e-3	88
0.222	29	-0.036	59	-6.325e-4	89
0.196	30	-0.035	60	0	90

1.3.4 Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коэффициент направленного действия вычисляется по формуле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для рупорных антенн можно считать, что мощность потерь значительно меньше мощности излучения, благодаря чему КПД антенны можно принять равным:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Качество антенн характеризуется коэффициентом усиления антенны, равным произведению коэффициента направленного действия на коэффициент полезного действия антенны (167 стр. разд. мат.):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



2. Расчет фидерного тракта

2.1 Расчет фазовращателя

Структурная схема и изображение модуля, расчет которого ведется в данной работе, представлены ниже на рисунках:

Рис. 5. Схема излучающего модуля с отражающим фазовращателем.

Рис. 6. Конструкция излучающего модуля с поглощающей нагрузкой.

Данный модуль конструктивно представляет собой два ортогонально расположенных друг над другом волновода и , связанных по широкой стенке отверстием связи . К верхнему волноводу подключается поглощающая нагрузка и отражательный фазовращатель , к выходу которого подключен излучатель . антенна волновод амплитудный фазовый

В зависимости от амплитудного распределения по раскрыву ФАР выбирается коэффициент ответвления мощности через элемент связи. Коэффициент характеризует энергию, прошедшую в поглощающую нагрузку из-за неидеальности элемента связи. Часть энергии, которая проходит через волновод для возбуждения последующих модулей, характеризуется коэффициентом прохождения . Коэффициент отражения от входа модуля - .

Эти коэффициенты связаны между собой соотношением:

Коэффициент в определяется из формулы:

, откуда в := 0.8414

Коэффициент г₃ определяется из формулы:

,откуда

Следовательно, из соотношения находим б :

б = 0.527

На характеристики фазовращателя влияют тепловые потери его коммутаторов, из-за которых в фазовращателе происходит потеря мощности:

где - коэффициент, характеризующий качество используемых в фазовращателе диодов, - число дискретов управления фазой.

Коэффициенты передачи модуля и отражения от модуля выражаются по формуле:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

где Г_р - общий коэффициент отражения, от раскрыва излучателя.

Максимальная амплитудная и фазовая ошибки модуля вычисляются по формулам:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

- допустимая амплитудная ошибка модуля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

-допустимая фазовая ошибка модуля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чтобы определить влияние направленности C₂₄ на амплитудную и фазовые ошибки, при C₂₄ изменяющемся в диапазоне от -10дБ до -35дБ через -5дБ. Вычислим значения амплитудной и фазовой ошибки для каждого значения C₂₄ из заданного диапазона и построим графики.

Для -10дБ

Для -15дБ

Для -20дб

Для -25дБ

Для -30дБ

Для -35дБ

Запишем конечные результаты:

С₂₄=-10дБ

С₂₄=-15дБ

С₂₄=-20дБ

С₂₄=-25дБ

С₂₄=-30дБ

С₂₄=-35дБ

Построим графики того, как изменяются амплитудные и фазовые ошибки в зависимости от изменения С₂₄

Рис.7 Изменение амплитудной ошибки в зависимости от изменения С₂₄

Рис.8 Изменение фазовой ошибки в зависимости от изменения С₂₄

Из графиков видно что чем выше значение направленности C₂₄ тем больше значение амплитудной и фазовой ошибок.

2.2 Расчет поглощающей нагрузки

Функцией поглощающих нагрузок является поглощение падающей волны СВЧ мощности с малым отражением последней. Такая оконечная нагрузка представляет собой пленочный или объемный поглотитель СВЧ энергии. В большинстве случаев поглотитель имеет специальные скосы со стороны падающей волны для уменьшения отражений.

Рис.9 Одноэкспоненциальный и двуэкспоненциальный клин

Расчет экспоненциального профиля клина при заданной его длине производится по формуле экспоненты , где - коэффициент, _к- определяется заданными значениями и .

Для одноэкспоненциального клина , для двуэкспоненциального . Коэффициент , имеющий размерность длины, определяет величину «прогиба» экспоненты. Графический анализ влияния его величины на форму экспоненциального профиля, измерение КСВ двух клиньев одинаковых размеров, отличающихся значениями , и соображения технологичности изготовления привели к выводу о целесообразности выбора .

В данной курсовой работе для поглощающих нагрузок используется двуэкспоненциальный клин:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

2.3 Расчет изгиба волноводного тракта

При выполнении волноводного тракта часто приходится 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). Для данной работы возьмем одинарный уголковый изгиб, так как антенная решетка работает на фиксированной частоте и не требует широкополосности.

Оптимальные размеры Е и Н одинарных уголковых изгибов для прямоугольного волновода могут быть определены по графикам для 1-КБВ=%:

Рис.11

Рис.12



Для л=3.2 мм и а=2.85 мм отношение л/a =1.123, следовательно, для Е-уголка =0.385; и для Н-уголка =0.6; Из этих соотношений можно вычислить, что длина катета изгиба прямоугольного волновода для Е-уголка: х=1,097 мм; для Н-уголка: х₁=1.71 мм

Высокое значение КБВ=1 обеспечивается за счет тщательности изготовления изгиба.



3. Амплитудная и фазовая ошибки модуля

3.1 Описание принципиальной электрической схемы тракта СВЧ модуля

Передаваемый импульсный сигнал от генератора 2 поступает в рупорную антенну 17 через четырехплечий церкуляр 4, развязывающий генератор и приемник (ПРМ). Сопротивление 5 используется при настройки генератора как эквивалент модуля. Принимаемый сигнал из модуля через этот же циркуляр поступает а приемник. Приемник защищен от попадания мощного импульса передатчика диодным выключателем 6. Генератор и приемник соединены с трактом СВЧ через вентиль 1, обеспечивающий излучение рупорной антенной полной энергии генератора, а так же передачу в приемник всей энергии, принятой модулем. В тракте СВЧ сигнал проходит через большое количество фланцев 7, волноводных переходов 2, 10,12, уголок 8, скрутку 11, изгиб 9, устанавливаемые для минимизации объема, занимаемого СВЧ аппаратурой и модулем, а так же обеспечивающие её технологичность и ремонтопригодность. Далее сигнал от генератора попадает в СВЧ модуль и через направленный ответвитель 16, фазовращатель 20 излучается рупорной антенной 17.

Конструкция данной схемы предусматривает установку нескольких таких же однотипных СВЧ модулей к питающему волноводу 14 и создания на их базе фазированной антенной решетки.

3.2 Описание конструкции волноводного модуля

Основой всей конструкции модуля является питающий волновод, выполненный из латуни. С противоположного конца волновода расположена поглощающая нагрузка предназначенная для поглощения отраженных волн.

В целом волноводный модуль состоит из рупорного излучателя, направленного ответвителя, одного отражательного фазовращателя.



Литература

1. «Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих решеток» под ред. Воскресенского Д.И., 1972 г.

2. «Расчет антенн СВЧ», часть 1. Пособие к курсовому проектированию по антенно-фидерным устройствам.

3. «Конструирование и конструкции устройств СВЧ» Попов В.В.

4. «Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приемников» Клич С.М.

5. «Антенны и устройства СВЧ. Проектирование ФАР» под ред. Воскресенского Д.И., 1981г.

Размещено на Allbest.ru