Вибраторные ФАР

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

по радиоэлектронике

на тему: Вибраторные ФАР



Введение

Стенд производит измерения матрицы рассеивания фазированной антенной решетки.

При анализе высокочастотных цепей используются понятия падающего, отраженного и переданного (выходного) сигнала бегущей волны, распространяющейся по линиям передач.

Рис. 1:

Измерения амплитуды и фазы падающего, отраженного и выходного сигналов позволяют получить S - параметры исследуемого устройства (параметры рассеяния). S - параметры определяются как отношение комплексных амплитуд двух волн:

Стенд позволяет измерять полную матрицу рассеяния четырехполюсников:

Измерение полной матрицы рассеяния на стенде производится за одно подключение исследуемого устройства.

При измерении пары параметров S11, S21 - порт 1 выступает как источник сигнала. Сигнал отраженной и падающей волны измеряется портом 1, сигнал выходной волны измеряется портом 2.

При измерении пары параметров S12, S22 - порт 2 выступает как источник сигнала. Сигнал отраженной и падающей волны измеряется портом 2, сигнал выходной волны измеряется портом 1.

Рис. 2. - Блок схема:

В качестве измеряемого устройство используется ФАР (фазированная антенная решетка), назначение и описание ФАР приведено ниже.

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 раскрытии регулируется с помощью электронно-управляемых устройств, например полупроводниковых или ферритовых фазовых коммутаторов. Быстродействие сканирования здесь ограничивается инерционностью, обусловленной постоянными времени электрических цепей, причем эта инерция на несколько порядков меньше механической инерции в двух первых способах.

Рис. 3. - Структурная схема ФАР:



Переход от механического сканирования к электрическому приводит к усложнению конструкции антенны, связанному с применением ФАР. Наличие большого числа вращений, увеличение протяженности тракта, использование делителей мощности и других элементов увеличивают тепловые потери в антенне и фазовые ошибки в ее раскрытии, 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 обстановке помех при наличии нескольких прицельных помех.

На рис. 3 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, 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. 4).

Рис. 4. - 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. Расчет антенной решетки и единичного излучателя

1.1 Общая характеристика излучателя

Вибраторные излучатели широко используются как элементы ФАР 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.

Вибраторные излучатели как элементы ФАР при соответствующем выборе конструкции позволяют обеспечить работу в широкой полосе частот или многочастотный режим в совмещенных вибраторных ФАР. Последние обеспечивают электрическое сканирование лучом в достаточно широком секторе углов до ±45-50⁰ от нормали.

Вибраторные излучатели применяются также в качестве облучателей зеркальных антенн и как самостоятельные слабонаправленные антенны.

На рис 5 показаны наиболее широко используемые типы симметричных вибраторных излучателей. На рис. 5 изображен тонкий цилиндрический вибратор диаметром 2а, при л - волны, возбуждаемой от коаксиальной линии.

Для защиты от внешних метеоусловий узел возбуждения такого вибратора может закрываться герметизирующим кожухом. 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. Тонкий вибратор имеет небольшую рабочую полосу частот и обладает сравнительно малой электрической прочностью (в сантиметровом диапазоне допустимая мощность не превышает 10 кВт).

Рабочая полоса частот может быть расширена (до 10-15%) подбором длины 21 и герметизирующего кожуха 3.

В широкополосных вибраторах для соединения коаксиального питающего фидера с воздушной полосковой линией длиной л/4 использован экспоненциальный переход. Эти вибраторы обладают также повышенной электрической прочностью.

Изогнутый вибратор имеет более широкую ДН в E-плоскости, что позволяет получить большой сектор сканирования ФАР. В качестве направленных вибраторных излучателей в ФАР с ограниченным сектором сканирования используются антенны типа волновой канал.

Рис. 5. - Симметричные вибраторы, используемые в качестве излучателей ФАР:

Вибраторные излучатели оказались очень удобны и при миниатюризации антенн за счет комплексирования в одной апертуре нескольких частотных антенн.

В электрически коротких (Н-образных) вибраторах для настройки их в резонанс используются поперечные плечи. Такие вибраторы имеют уменьшенную поверхность рассеяния, и их использование целесообразно при построении совмещенных в одной апертуре частотных вибраторных ФАР, так как взаимные искажения ДН получаются при этом минимальными.

Печатные вибраторные излучатели обладают высокой технологичностью, компактностью, конструктивной жесткостью и перспективны для ФАР, устанавливаемые на подвижных объектах.

Короткозамкнутые вибраторы, или диполи, широко применяются в последнее время при создании частотно- и поляризационно-селективных пространственных структур или фильтров. Они используются для обеспечения ЭМС близкорасположенных антенн, уменьшения уровня боковых лепестков, построения многофункциональных антенн и облегченных рефлекторов зеркальных антенн, уменьшения эффективной площади рассеяния антенн и т. д.

1.2 Способ питания излучателя

Вибраторные ФАР чаще строятся по параллельной схеме питания. В качестве фидерных используются коаксиальные (в метровом и дециметровом диапазонах) или полосковые (в дециметровом и сантиметровом диапазонах) линии.

Для симметрирования и согласования вибраторных излучателей ФАР с фидерными линиями применяются симметрирующие и согласующие устройства.

Наиболее широко используемыми типами симметрирующих устройств являются четвертьволновая щель (при жестком коаксиальном фидере) и U-колено (в случае гибких коаксиальных и полосковых линий). Реже используется волноводная линия для возбуждения вибраторов ФАР при последовательной схеме питания. Применяются также вибраторные ФАР с оптическим питанием: отражательные, состоящие из облучателя и приемопередающих вибраторных элементов, нагруженных отражательными фазами и проходными.

Однако вибраторные ФАР с оптической схемой питания имеют ряд недостатков, связанных с ограниченностью реализуемых законов амплитудного распределения по излучателям и большими потерями из-за наличия неуправляемого излучения.

Для получения круговой поляризации используются турникетные или взаимно ортогональные вибраторные излучатели с квадратурным питанием.

В качестве делителей мощности в вибраторных ФАР с параллельным питанием используются кольцевые (на два канала).

Ниже приведено схематическое изображение симметрирующих устройств.

В не развязанных делителях имеется значительная взаимосвязь каналов, в результате чего отраженная от излучателей энергия, возникающая из-за их рассогласования с фидерным трактом в процессе сканирования лучом, проходит на вход соседних излучателей и изменяет первоначальный закон их возбуждения, что в конечном итоге искажает ДН. Кроме того, часть отраженной энергии проходит на общий вход ФАР, приводя к ее рассогласованию.

Схема с резистивными делителями мощности в значительной степени свободна от этих недостатков.

Сочетание кольцевых и лучевых делителей мощности позволяет разделить энергию от общего входа ФАР с заданным законом деления на число, излучателей 2, 3, n и т - любые положительные целые числа. Кроме того, резистивные делители мощности сохраняют свои характеристики в значительной полосе частот (20-50%).

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 фазы включены по параллельной схеме.

Рис. 6. - Схематическое изображение симметрирующих устройств:

Рис. 7:

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 излучаются.

Учитывая длину волны в фидере л = 0.1 м., 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.

1.3 Диаграмма направленности излучателя

Диаграмма направленности одиночного вибратора в общем виде: Fh1.

В качестве излучателя будем использовать тонкий цилиндрический вибратор диаметром 2а, при л - волне, возбуждаемой от коаксиальной линии:

Где:

k = 2р / л

- волновое число;

L - длинна плеча вибратора.

Диаграмма направленности вибратора расположенного над идеальным бесконечным проводящим экраном в общем виде:



Где:

h - высота над экраном.

Для согласования вибратора с нагрузкой выбираем длину плеча:

L = 0.25 * л

Длина вибратора 2L будет определяться по формуле:

Выбираем высоту над экраном:

h = 0.25 * л

Тогда диаграмма направленности вибратора расположенного над идеальным бесконечным проводящим экраном имеет вид:

Построим диаграммы направленности (Д.Н.) в Н и Е-плоскости. ДН в декартовой системе координат вибратора в E-плоскости.

Наибольшее распространение получили линейные и плоские ФАР. Большинство плоских ФАР состоит из идентичных излучателей, расположенных в узлах плоской координатной сетки с двойной периодичностью.

При элементарном рассмотрении предполагается, что ДН излучателя, находящегося в решетке, не отличается от ДН изолированного излучателя.



Рис 8. - ДН вибратора в декартовой системе координат Е-плоскости:

Рис. 9. - ДН вибратора в Н-плоскости:



1.4 Расчет антенной решетки

Возбуждение излучателей при остронаправленном излучении обеспечивает синфазное сложение полей в заданном направлении и зависит от положения излучателя в решетке:

Рис. 10. - Система координат и схематическое изображение способов размещения излучателей:

Полагая решетку состоящей из одинаковых излучателей, можно представить ее характеристику направленности f(и,ц) в виде произведения характеристики направленности изолированного излучателя F(и,ц) на множитель решетки F(и,ц):

При использовании прямоугольной сетки дифракционные максимумы высших порядков отсутствуют, если расстояние между излучателями в направлении координатных осей удовлетворяет следующим условиям:



Рис. 11. - Диаграммы направленности идеального 1 и реального 2 излучателей, а также лепестки множителя решетки 3:

Таким образом, использование треугольной сетки позволяет увеличить расстояние между излучателями и уменьшить их число примерна на 13% по сравнению с числом элементов в решетке с прямоугольной сеткой.

Условия представленные на рис. 10, не учитывают направленных свойств излучателей решетки и определяют предельные расстояния в решетке изотропных излучателей.

При ограниченном секторе сканирования использование направленных излучателей позволяет увеличить расстояние между ними по сравнению с определяемым, и соответственно уменьшить общее число излучателей.

Действительно, если ДН одного излучателя решетки равна нулю или близка к нему вне сектора сканирования, то можно допустить существование дифракционных максимумов высших порядков в области действительных углов, увеличив расстояние между излучателями, так, чтобы при всех перемещениях луча дифракционные максимумы не попадали в сектор сканирования.

Поскольку характеристика направленности решетки получается перемножением характеристики направленности излучателя и множителя решетки, то дифракционные максимумы окажутся подавленными, так как они умножатся на малые или нулевые значения характеристики направленности излучателя.

При сканировании в коническом секторе углов выигрыш в числе излучателей по сравнению с решеткой изотропных элементов для треугольной и прямоугольной сеток составит:

Где:

N - число излучателей.

Расчет множителя решетки.

Где:

xnq, ynq - координаты излучателей.

Т. к., количество входов 20, то для плоской прямоугольной решетки Nx=5 или Ny=4.

Исходя из вышеуказанных формул рассчитаем размеры АР(антенной решетки).

Зная что F1=2.5 Ггц, F2=3.5 Ггц, а F=3 Ггц, найдем:



Найдем Lх и Ly:

Где:

dx и dy расстояние между излучателями в направлении координатных осей удовлетворяющих следующим условиям...

Решетка прямоугольная:

Расстояния между излучателями:

Рис. 12. - АР построенная по полученным данным в MANAA:



Диаграмма направленности решетки равна произведению диаграммы направленности одиночного излучателя на множитель решетки:

В H плоскости ДН решетки определяется:

В E плоскости ДН решетки определяется:

Рис. 13. - Диаграмма направленности антенной решетки в Microwave studio при частоте 2.5 Ггц:



Рис. 14. - Дн решетки при f=3Ггц 3D модель:

Рис. 15. - Диаграмма антенной решетки при частоте 3.5 Ггц:

Произведем построения горизонтальной и вертикальной плоскостях в Microwave studio и MANNA. ДН решетки при частоте 2.5 ГГц.



Рис. 16. - Диаграмма направленности антенной решетки в MANNA при частоте 3 Ггц:

Рис. 17. - Диаграмма направленности антенной решетки в MANNA при частоте 3 Ггц:



2. Выбор коммутатора

В качестве коммутатора выберем устройство фирмы (Agilent Technologies 34903A.

Это 20-канальный коммутатор общего применения.

Так как сканирующее устройство имеет 2 канала вход и выход то в дальнейшем будем использовать 2 коммутатора данной фирмы.

Рис. 18. - 20-канальный коммутатор 34903A:

Данный модуль коммутатора общего применения имеет 20 независимых реле (однополюсных переключателей на два направления - SPDT). Рекомендуется для циклического включения-выключения питания испытываемых изделий, управления индикаторами и лампочками накаливания, а также в качестве пускателя внешних мощных реле и соленоидов. При комбинировании этого модуля с матричными модулями можно построить коммутационную систему для конкретного применения. Контакты модуля, рассчитанные на 300 В, 1 А, могут успешно управлять электрическими сигналами мощностью 50 Вт, что вполне достаточно для решения задач коммутации питающей сети.



3. Выбор устройства для измерения матриц рассеивания

В качестве устройства для измерения матриц рассеивания будем использовать ИККПО «Обзор-804/1». ИККПО «Обзор-804/1» состоит из измерительного блока, различных дополнительных устройств и управляющего персонального компьютера. Связь измерительного блока с персональным компьютером осуществляется через USB-интерфейс.

Функциональная схема ИККПО приведена на рисунке 17.

ИККПО «Обзор-804» и «Обзор-804/1» имеют два измерительных порта. Измерительный блок включает в себя генераторы испытательного и гетеродинного сигнала, аттенюатор регулировки мощности испытательного сигнала, коммутатор испытательного сигнала на два идентичных блока ответвителей направленных, заканчивающимися соединителями портов 1 и 2.

Падающие и отраженные волны блоков ОН преобразуются смесителями в колебания первой промежуточной частоты 5,03 МГц, поступают в четырехканальный приемник обработки на ПЧ, в котором после фильтрации и переноса на вторую ПЧ около 30 кГц, преобразуются в цифровые коды и подаются на последующую обработку (фильтрация, измерение разности фаз, измерение амплитуды) в сигнальный процессор. Измерительные фильтры на ПЧ2 реализованы в цифровой форме и имеют полосу пропускания от 1 Гц до 30 кГц.

Каждый из портов может быть источником испытательного сигнала или приемником сигнала, прошедшего исследуемое устройство. При этом если порт 1 является источником, то порт 2 будет приемником. Наименования «падающая и отраженная» волна справедливы для порта - источника испытательного сигнала. Сочетание узлов ОН, СМ и четырехканальный приемник обработки на ПЧ образуют четыре идентичных измерительных приемника сигнала.

Рис. 19:

Работа узлов измерительного блока выполняется под управлением управляющего компьютера, внешнего для ИККПО «Обзор-804/1» и «Обзор-808/1». Принцип измерения комплексных коэффициентов передачи заключается в подаче на исследуемое устройство от соединителя одного из портов испытательного сигнала на заданной частоте, последующего измерения амплитуды и фазы, прошедших и отраженных исследуемым устройством сигналов и сравнения их с амплитудой и фазой испытательного сигнала.

Для непосредственной работы с «Обзор-804/1» требуется установить требуемое программное обеспечение на ПК.

Установка программного обеспечения для модификации измерителя «Обзор-804/1» производится на внешний персональный компьютер, работающий под управлением ОС «WINDOWS».

Подключение измерителя «Обзор-804/1» к внешнему персональному компьютеру осуществляется через USB интерфейс.

Рис. 20. - Обзор-804/1:

Процедура установки программного обеспечения осуществляется в два этапа.

Первый этап включает установку драйвера. Второй этап включает установку исполняемого модуля, документацию и другие необходимые файлы.

Общий вид экрана измерителя приведен на рисунке в 3 главе. В данном разделе описаны следующие элементы экрана: панель программных кнопок, строка меню, строка состояния измерителя.

Панель программных кнопок в правой части экрана является основным меню программы. В модификации измерителя «Обзор-804» управление программными кнопками осуществляется функциональными клавишами, расположенными справа от экрана, мышью, либо с помощью сенсорного экрана. В модификации измерителя «Обзор-804/1» управление программными кнопками осуществляется мышью.

Кроме того, управление программными кнопками возможно с клавиатуры при помощи клавиш: «^», «v», «<», «>», «Enter», «Esc», «Home».

Рис. 21. - Общий вид экрана измерителя:

Сохранение данных графика. Измеритель позволяет сохранять данные отдельных графиков в файле типа (*.CSV (comma separated values)).

Файлы формата (*.CSV) содержат цифровые данные, разделенные запятыми. Измеритель сохраняет в файле (*.CSV) значения стимула графика и измеряемой величины в текущем формате.

В файле сохраняются измерения одного (активного) графика. Измеритель сохраняет данные графика в файле (*.CSV).

Рис. 22:

Сохранение файлов данных формата Touchstone.

Измеритель позволяет сохранить S-параметры устройства в файле типа Touchstone.

Файл формата Touchstone содержит значения частот и S-параметров. Файлы этого формата являются стандартными для многих программных пакетов моделирования.

Для сохранения всех четырех S-параметров двухпортовых устройств служат файлы с расширением (*.s2p).

Для сохранения параметров однопортовых устройств (S11 или S22) служат файлы с расширением (*.s1p).

В файле сохраняются измерения одного (активного) канала.

Файла типа Touchstone состоит из комментариев, заголовка и строк данных.

Комментарии начинаются с символа «!».

Заголовок начинаются с символа «#». Формат файла типа Touchstone для однопортовых измерений (*.s1p):



Заключение

сигнал антенный электромеханический

В данной работе производится разработка стенда производящего измерения матриц рассеивания фазированной антенной решетки.

1) Расчет антенной решетки и единичного излучателя;

1.1 Общая характеристика излучателя;

1.2 Способ питания излучателя;

1.3 Диаграмма направленности излучателя;

1.4 Расчет антенной решетки;

2) Выбор коммутатора;

3) Выбор устройства для измерения матриц рассеивания.

Размещено на Allbest.ru