Разработка и расчет цилиндрической антенной решетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(национальный исследовательский университет)

«МАИ»

Кафедра «Информатики и информационных технологий» № 409Б

Специальность: 090104

«Комплексная защита объектов информатизации»

Курсовая работа

по дисциплине: «Антенны и устройства СВЧ»

Тема: Разработка и расчет цилиндрической антенной решетки

Выполнил:

студент УЦ МАИ «Интеграция» Славкин А. С.

Группа: № 931

Проверил: Гвозд И. И.

Серпухов 2012



Содержание

Введение

1. Расчет диаграммы направленности цилиндрической АР

2. Расчет основных электрических параметров

2.1 Расчет КНД

2.2 Расчет КПД

2.3 Расчет КУА

2.4 Расчет шумовой температуры.

2.5 Расчет действующей длины антенны.

2.6 Расчет входного сопротивления антенны

3. Расчет геометрических размеров цилиндрической АР

Заключение

Список использованных источников



Введение

Цилиндрическая антенная решётка -- система излучателей, размещённых на цилиндрической поверхности. Частным случаем цилиндрических решёток являются кольцевые и дуговые антенные решётки, излучатели в которых размещены по окружности или дуге. Пространственная ориентация излучателей такова, что направление максимума диаграммы направленности каждого из них совпадает с направлением радиуса соответствующей антенной решётки в месте расположения излучателя.

Основными достоинствами выпуклых цилиндрических антенных решёток являются:

- возможность широкоугольного сканирования (до 3600) лучом неизменных ширины и формы в азимутальной плоскости (в плоскости дуги) и угломестной плоскостях;

- слабая по сравнению с плоскими и линейными антенными решётками взаимная связь излучателей из-за пространственного разворота их осей;

- конструктивное удобство размещения выпуклых антенных решёток на ряде объектов, например в корпусе ракеты, обшивке самолета.

К недостаткам относятся сложность системы возбуждения излучателей и некоторая избыточность их количества. Чаще всего излучатели выпуклых антенных решёток расположены на хорошо проводящей поверхности, из-за экранирующего действия которой в формировании остронаправленного излучения будет участвовать лишь часть излучателей решётки, а именно те из них, которые расположены на освещенном участке антенной решётки.

На выпуклых антенных решётках можно сформировать несколько лучей и независимо сканировать ими, если создать соответствующее число отдельных излучателей. Однако такой режим работы антенны сложен в реализации, требует специальных устройств возбуждения излучателей.

Цилиндрические антенные решётки можно построить как из отдельных излучателей, так и из блоков, представляющих собой ряд либо линейных решёток, расположенных на образующей цилиндра, либо кольцевых решёток, размещенных одна над другой.

Известны два способа распределения энергии между излучателями цилиндрических антенных решёток: фидерный и пространственный. При фидерном возбуждении энергию к излучателям подводят с помощью отрезков линии передачи и делителей мощности. Фидерное возбуждение излучателей реализуется в последовательной, параллельной и смешанной схеме включения излучателей, в каждой из которых по-разному могут включаться фазовращатели и коммутаторы. При пространственном возбуждении излучателей энергия к ним поступает первичного облучателя, в поле излучения которого помещают вспомогательную решётку приёмных излучателей. К каждому приемному излучателю через управляемый фазовращатель подсоединен излучатель основной решётки. Угловой размер излучающего участка определяется шириной диаграммы направленности облучателя. При пространственном возбуждении амплитудное распределение на излучающем участке неравномерно и зависит от формы. Для широкоугольного сканирования лучом необходимо управлять положением диаграммы направленности облучателя, причём для полной реализации возможностей фазированной антенной решётки это необходимо делать электрическим способом.



1. Расчет диаграммы направленности цилиндрической антенной решётки

У многих летательных аппаратов корпус или его средняя часть имеет форму кругового цилиндра. Это позволяет применять на них двухмерные цилиндрические решётки излучателей, расположенные у обшивки летательного аппарата. Расчет цилиндрической решётки можно произвести, если считать, что она представляет собой совпадающую с осью летательного аппарата прямолинейную антенную решётку, каждый элемент которой эквивалентен круговой или дуговой решетке излучателей. Пространственная диаграмма направленности цилиндрической решётки при этом равна произведению диаграмм, определённых для двух главных плоскостей:

F(и,ц)=F1(ц)F2(и) (1)

Такое представление диаграммы направленности F(и,ц) справедливо в том случае, когда амплитудно-фазовое распределение токов на цилиндрической решётке есть функция, которая может быть представлена как произведение двух функций, одна из которых зависит только от азимутальной координаты и, а другая -только от осевой координаты ц.

Схема координат для расчёта излучения цилиндрической антенной решётки с излучателями в узлах прямоугольной сетки:



Рисунок 1

Рисунок 2

Угол между излучателями равен:

(2)

антенный решетка излучатель цилиндрический

Где Z -- общее количество излучателей. Рассмотрим диаграмму направленности решётки, состоящей из Z=15 полуволновых излучателей, расположенных на одинаковом друг от друга расстоянии. При формировании луча в направлении плоскости ц0 принимают участие N-излучателей, находящихся в пределах эффективного угла раскрыва ц (рисунок 2), оптимальное значение для которого:

ц =(1100ч1600).

Для приближенного вычисления диаграммы направленности удобен метод эквивалентного линейного излучателя. Суть его заключается в том, что диаграмма направленности антенны рассчитывается как диаграмма направленности синфазной линейной антенны, в которой амплитудное распределение соответствует проекции амплитудного распределения по кольцу в пределах излучающего участка на линейную антенну, длинной Lэкв. (рисунок 3), расположенную перпендикулярно направлению формируемого луча. Множитель решётки вычисляется по выражению:

(3)

Рисунок 3

Фазовое распределение на антенне, состоящей из N излучателей отличается от синфазного на величину:

(4)

Поэтому множитель решётки принимает вид:

(5)



Нормированное логарифмическое значение множителя:

(6)

Нормированное графическое изображение множителя решётки (при Z=15):

Диаграмма направленности данной антенной решётки определяется по теореме умножения:

(7)

где F(бn,ц) -- диаграмма направленности одного излучателя в плоскости;

I(бn) -- нормируемое на максимум амплитудное распределение в отдельной решётке.

Если в качестве излучателей выбрать полуволновый вибратор, диаграмма направленности которого определяется выражением:

(8)

Нормированная диаграмма направленности цилиндрической F1(ц) решётки при Z=15 имеет вид:

При увеличении количества излучателей до Z=35:



Диаграмма направленности цилиндрической антенной решетки будет иметь вид (при горизонтальной поляризации (4 dB)):

Рисунок 4 -- ДН в горизонтальной плоскости.



2. Расчет основных электрических параметров

Рисунок 5 -- Конструктивная схема цилиндрической антенной решетки

2.1 Расчет КНД

Коэффициент направленного действия цилиндрической антенны рассчитаем по формуле:

(9)

излучаемая мощность;

П ? плотность потока мощности;

поле антенны;

Следовательно:

2.2 Расчет КПД

Коэффициент полезного действия ФАР существенно зависит от рабочею диапазона волн (УКВ, СВЧ, КВЧ и т.д.) и элементной базы. В СВЧ потери в фазовращателях могут составлять приблизительно 1...1,5 дБ; потери в системе возбуждения, включая формирователи суммарно-разностных ДН антенны, -- такого же порядка. В результате КПД может составлять 50...60 %, пусть

2.3 Расчет КУА

Наиболее важным для радиотехнической системы является коэффициент усиления (КУ) антенны в секторе сканирования. Этот коэффициент -- интегральный параметр, учитывающий все изменения направленности и все тепловые потери в фазовращателях, излучателях и системе возбуждения. На стадии проектирования ФАР произвести точный расчет ожидаемого КУ в секторе сканирования и диапазоне частот оказывается затруднительно.

Коэффициент усиления антенны:

(10)



2.4 Расчет шумовой температуры

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

Шумовая температура антенны, обусловленная фоновым шумом (Тант) -- чем меньше диаметр антенны, тем шире ее диаграмма направленности и больше разброс боковых лепестков, улавливающих шумы теплой земли, и, следовательно, тем больше фонового шума собирается антенной.

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;

2.5 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:

2.6 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:



3. Расчет геометрических размеров цилиндрической антенной решетки

Для точного расчета геометрических размеров ФАР зададимся рабочей длинной волны , и уровнем боковых лепестков (дБ).

Форма и линейные размеры рассчитываются по формуле:

,

отсюда выражаем:

Рассчитываем шаги решетки . В соответствии с заданием выбираем сетку расположения излучателей. Тогда дифракционные максимумы высших порядков отсутствуют, если расстояние между излучателями в направлении координатных осей удовлетворяет следующим условиям:

Данные углы соответствуют половине угла сканирования антенны в соответствующей плоскости.



Рисунок 8 -- Максимальные углы отклонения

По заданному значению ширины ДН в главных плоскостях определяем геометрические размеры АР:

(м)

Число излучателей в ФАР зависит от размеров апертуры и шагов решетки . Рассчитываем число излучателей, с округлением в большую сторону: Число излучателей в ФАР равно 15.

Для обеспечения минимальных габаритов и стоимости цилиндрической антенной решетки необходимо оптимизировать размеры излучающего участка. Критериями оптимизации являются минимальное число излучателей и управляемых элементов на излучающем участке и излучающей антенне, ее минимальный радиус:

(13)

Минимальный радиус антенны достигается при

Найдем площадь поверхности цилиндрической антенной решетки:

Известны два способа распределения энергии СВЧ между излучателями цилиндрических и кольцевых ФАР: фидерный и пространственный. При фидерном возбуждении энергию к излучателям подводят с помощью отрезков линии передачи (волноводной, коаксиальной, полосковой и др.) и делителей мощности. Для регулирования АФР поля на излучающем участке в цепи каждого излучателя устанавливают управляемый фазовращатель и коммутатор. Использование обычных коммутаторов (типа «включено-выключено») позволяет реализовать равномерное амплитудное распределение, которое приводит к высокому УБЛ антенны. Для их уменьшения необходимо создать амплитудное распределение, спадающее к краям излучающею участка, и, что более сложно, обеспечить его неизменность при коммутационном перемещении излучающего участка по поверхности антенны. Это требует более сложных коммутаторов с регулируемым коэффициентом деления или электрически управляемых аттенюаторов, из-за которых возрастают сложность системы возбуждения и ее потери.

Фидерное возбуждение излучателей реализуется в последовательной, параллельной и смешанной схеме включения излучателей, в каждой из которых по-разному могут включаться фазовращатели и коммутаторы.



Рисунок 6 -- Схема фидерного возбуждения цилиндрической ФАР

При пространственном возбуждении излучателей цилиндрических ФАР энергия к ним поступает от первичного облучателя, в поле излучения которого помещают вспомогательную решетку приемных излучателей К каждому приемному излучателю через управляемый фазовращатель подсоединен излучатель основной решетки. Угловой размер излучающего участка определяется шириной ДН облучателя. При пространственном возбуждении амплитудное распределение на излучающем участке неравномерно и зависит от формы ДН облучателя. Для широкоугольного сканирования лучом необходимо управлять положением ДН облучателя, причем для полной реализации возможностей ФАР это необходимо делать электрическим способом.

Пространственное возбуждение позволяет регулировать амплитудное распределение на излучающем участке подбором облучателя с нужной формой ДН, использовать сложные (например, моноимпульсные) облучатели, исключать громоздкую фидерную распределительную систему, резко уменьшать необходимое число коммутаторов, существенно снижать потери в системе распределения.

К его недостаткам можно отнести занятость внутреннего объема антенны и возможность использования только в решетках большого радиуса, поскольку приемные излучатели должны находиться в дальней зоне облучателя.

Рисунок 7 -- Схема пространственного возбуждения цилиндрической ФАР



Заключение

В ходе выполнения курсовой работы был выполнен приближенный расчет цилиндрической антенной решетки и построена ее диаграмма направленности.

Далее в соответствии с заданием на курсовую работу, были рассчитаны следующие параметры:

- коэффициент направленного действия:

- коэффициент полезного действия:

- коэффициент усиления антенны:

- действующая длина антенной решетки:

- входное сопротивление антенны:

- шумовая температура:

Также были рассчитаны геометрические размеры цилиндрической антенной решетки.



Список использованных источников

1 Антенны и устройства СВЧ. Учебник /под ред. Д. И. Воскресенского. М.:МАИ, 1999.

2 Антенно-фидерные устройства и РРВ. Учебник /под ред. Г. А. Ерохина. М.: Горячая линия - Телеком, 2004.

3 Антенны и устройства СВЧ. Проектирование и расчет ФАР /под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1981, стр. 129.

Размещено на Allbest.ru