Расчет параметров антенной решётки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки

Республики Казахстан

Северо-Казахстанский Государственный

Университет им. М. Козыбаева

Машиностроительный факультет

Кафедра радиоэлектронных и телекоммуникационных систем

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Расчет параметров антенной решётки»

Выполнил:

студент группы МКТС-01

Мельниченко Е.А.

Проверил: преподаватель

Мотвеев В.Я.

Петропавловск, 2004



Введение

Стремление повысить точность определения угловых координат, скорость перемещения луча в пространстве, необходимость в создании управляемых диаграмм направленности, позволяющих обеспечить подавление помех, привели в ряде случаев к отказу от применения традиционных апертурных антенн и использованию вместо них антенных решеток с электрическим управлением диаграммой направленности.

Антенной решеткой называется антенна, представляющая собой совокупность отдельных антенн, расположенных в определённом порядке и возбуждаемых одним или несколькими когерентными источниками. Когерентными называются источники колебаний, разность фаз которых не изменяется в течение достаточно длительного периода. Отдельные антенны, из которых состоят решетки, обычно называются излучающими элементами, независимо от того, работают ли они в режиме передачи или приёма.

В качестве излучающих элементов антенных решёток применяют вибраторные, щелевые, волноводные, рупорные, зеркальные, линзовые антенны, а также антенны бегущей волны - спиральные, волновые каналы, стержневые диэлектрические и пр.

Главным преимуществом антенных решёток по сравнению с антеннами других типов является возможность гибкого управления их характеристиками направленности и возможность параллельной обработки сигналов от каждого элемента.

Первые антенные решётки были синфазными. Современные антенные решётки могут иметь самые разнообразные пространственные структуры, из которых следует выделить следующие, наиболее часто используемые на практике:

поверхностные антенные решётки, излучающие элементы которых расположены на некоторой поверхности (сферической, цилиндрической, конической и на поверхностях подвижных объектов: кораблей, самолётов, ракет и т.д.);плоские антенные решётки, у которых излучающие элементы лежат в одной плоскости;

криволинейные антенные решётки, излучающие элементы которых расположены на кривой линии (в частном случае - замкнутой), например кольцевые и дуговые антенные решётки, излучающие элементы которых расположены на окружности или её части соответственно;

линейные антенные решётки, излучающие элементы которых расположены на прямой линии; из них выделяются два типа антенных решёток: эквидистантные антенные решётки, представляющие собой линейную антенную решётку с одинаковыми расстояниями (шагом решётки) между соседними излучающими элементами, и неэквидистантные антенные решётки, представляющие собой линейную решётку с неодинаковым расстоянием между соседними излучающими элементами.

Реальные излучающие элементы обладают направленными свойствами. Их диаграмма направленности оказывает влияние на диаграмму антенной решётки.

Диаграмма направленности плоской решётки с излучающими элементами, имеющими диаграммы fЭ(), равная произведению диаграммы направленности излучающего элемента fЭ() на диаграмму той же решётки fn(), но из изотропных (ненаправленных) элементов: fЭ() = fЭ() fn(); здесь fn() - множитель антенной решётки. Введение понятия множителя антенной решётки обусловлено тем, что для большинства используемых решёток диаграммы направленности элементов можно считать одинаковыми для всех излучающих элементов решётки, представляющими собой меняющиеся функции угла (по сравнению с множителем решётки), и поэтому некоторые основные характеристики (такие, как уровень боковых лепестков, ширина и точность установки луча) во многом определяются множителем антенной решётки.

Для синфазной решётки заданной длины l уровень боковых лепестков определяется амплитудным распределением по её раскрыву. Ширина диаграммы синфазной линейной антенной решётки определяется размерами и видом амплитудного распределения по её раскрыву и обратно пропорциональна её длине, выраженной в длинах волн (l/). Равноамплитудное синфазное распределение, позволяющее при заданной длине решётки обеспечить максимальные КНД и коэффициент использования площади, равный единице, обладает большим уровнем боковых лепестков, приблизительно равным - 13,2 дБ. Спадающие к краям решётки амплитудные распределения характеризуются меньшими уровнями боковых лепестков и меньшими значениями КНД и коэффициента использования поверхности, а также большей шириной диаграммы по сравнению с равноамплитудным распределением.



1. Техническое задание

Линейная решетка излучателей с электрическим сканированием диаграммы направленности.

Рабочая длина волны (см.)	14
Ширина диаграммы направленности по половине мощности гор. (град.)	1,5
Мощность генератора (Вт)	50
Сектор сканирования (град.)	+20
Волновое сопротивление (Ом)	40



2. Теоретическая часть

Во всякой антенне с немеханическим движением луча можно выделить три основные части: излучающую систему; управляющие устройства; распределитель.

Поступающая от генератора электромагнитная энергия разветвляется в распределителе на отдельные части. Каждая из этих частей поступает в соответствующее управляющее устройство и, пройдя его, -- в излучающую систему антенны. Таким образом, напряженность электромагнитного поля или ток в излучающей системе формируются путем сложения напряженности полей или токов, подведенных к ней по нескольким каналам, каждый из которых питается через свое управляющее устройство.

Излучающая система антенны с немеханическим движением луча представляет собой совокупность излучателей, обеспечивающих получение в раскрыве антенны управляемого амплитудно-фазового распределения, которое может изменяться в заданных пределах. Управляющие устройства управляют потоком электромагнитной энергии, в результате чего происходит изменение распределения амплитуд и/или фаз волн в каналах, по которым энергия подводится к излучающей системе. В простейшем случае это пассивные многополюсник и фазовращатели или коммутаторы, встроенные в систему волноводов или передающих линий. В общем случае система управляющих устройств может содержать в себе более сложные элементы, в том числе и активные, преобразователи частоты, усилители мощности и умножители. Распределитель - важный элемент антенны с немеханическим движением луча. При передаче он осуществляет распределение энергии между каналами, таким образом, от него зависит исходное амплитудно-фазовое распределение полей и токов в излучающей системе. При приеме в распределителе происходит суммирование волн, пришедших по различным каналам от излучающей системы. В случае пассивных управляющих устройств с малыми потерями свойства распределителя как многополюсника сказываются еще в том, что при некотором рассогласовании излучающей системы между ней и распределителем образуются стоячие волны, режим которых в значительной мере зависит от свойств распределителя. Положение луча антенны зависит от того, в каком состоянии находятся управляющие устройства. Состояние управляющих устройств определяется электронной схемой, вырабатывающей напряжения или токи, поступающие на управляющие устройства антенны. На вход этой системы подводится сигнал (напряжение, ток, кодовые группы импульсов), который в дальнейшем мы будем называть управляющим воздействием. Таким образом, положение луча антенны является функцией управляющего воздействия. В некоторых случаях выделенные нами структурные части антенны с немеханическим движением луча конструктивно могут представлять одно целое.

Тем не менее, физические процессы, происходящие в системе при излучении, управлении или распределении электромагнитной энергии, различны, и поэтому функции элементов, связанные с излучением, управлением или распределением всегда могут быть разделены.

Различные структурные элементы антенны по-разному влияют на параметры системы в целом.

Так, например, параметры диаграммы направленности и ее движения определяются особенностями излучающей системы; скорость управления лучом, возникающие в системе потери СВЧ энергии, как правило, зависят от особенностей управляющих устройств и связанной с распределителем схемы их включения. В то же время такой весьма важный параметр антенны с немеханическим движением луча, как угловые ошибки, зависит в равной мере от свойств излучающей системы, точности работы управляющих устройств и схемы их включения.

Задачи теоретического исследования любой антенны, как с управляемой, так и с неуправляемой диаграммой направленности обычно разделяют на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя задача - это задача о получении требуемого амплитудно-фазового распределения на излучающей апертуре антенны. Внешняя задача - это задача о формировании диаграммы направленности антенны. Решая последнюю задачу, приходится исследовать связь между амплитудно-фазовым распределением в раскрыве и зависимостью амплитуды и фазы электромагнитного поля в дальней зоне антенны от угловых координат, характеризующих направление от антенны на заданную точку пространства. В случае антенны с немеханическим движением луча осложняются как внутренняя, так и внешняя задачи. Внутренняя задача осложняется наличием управляющих устройств. Элементы антенны, расположенные между входным фланцем антенны и излучающей апертурой, должны уже не просто обеспечивать требуемое фиксированное амплитудно-фазовое распределение в раскрыве, а управлять этим распределением по определенному закону. Внешняя задача имеет дело с диаграммой направленности, которая становится функцией не только углов, но и управляющего воздействия. Поэтому все характеристики диаграммы направленности антенны должны рассматриваться при различных положениях луча или в процессе его движения.

Конструктивные особенности антенны с немеханическим движением луча в значительной мере зависят от принципа действия и конструктивных особенностей конкретных излучателей и управляющих устройств, использованных в системе. Легко обнаружить и общность этих систем, если основное внимание уделить исследованию излучающей системы в рамках внешней задачи, используя только лишь принципиальные характеристики управляющих устройств и распределителя.

Общность различных конструкций антенн с немеханическим движением луча обусловливается тем, что параметры движения диаграммы направленности зависят от свойств излучающей системы, которая в любой антенне с немеханическим движением луча представляет собой систему излучателей, амплитуда и фаза токов в которых изменяются под действием управляющих устройств.

Таким образом, общность различных конструкций рассматриваемых антенн определяется общностью закономерностей формирования и управления диаграммы направленности системы излучателей. Каждый излучатель антенны с немеханическим движением луча представляет собой самостоятельную элементарную антенну. Излучение i-го излучателя характеризуется его диаграммой направленности ц(и,б). Заметим, что, складывая в дальней зоне поля, можно получить суммарное поле, которое будет характеризоваться суммарной диаграммой направленности антенны.

Антенна с немеханическим движением луча входит в состав радиотехнической системы, обрабатывающей сигнал. Можно считать, что сама антенна не только принимает электромагнитную энергию, но и является первым звеном обработки информации, поступающей в систему из окружающего пространства. Действительно, на антенну могут поступать электромагнитные волны с различных направлений, однако только волны, пришедшие с одного направления, создадут сигнал на входе приемного устройства, подключенного к антенне.

Таким образом, антенна разделяет сигналы, поступающие на нее из внешнего пространства. Это разделение совершается путем подбора фазовых сдвигов в системе «управляющие устройства - распределитель», которые отвечают распределению фаз в плоской волне, падающей на антенну с заданного направления. Возможны схемы весьма сложной обработки сигналов, при которой до того, как происходит сложение или сравнение сигналов, поступающих от различных излучателей, они претерпевают многократные преобразования. Однако общие закономерности, которым подчиняется система излучателей, в этом случае оказываются теми же, что и в элементарных схемах. Как при теоретическом исследовании, так и при конструировании антенны с немеханическим движением луча основное внимание исследователя или конструктора на первом этапе работы уделяется формированию излучающей системы, способной обеспечить заданную форму диаграммы направленности и ее структурной схеме антенны, является первым и в цепи теоретических построений или конструкторских расчетов. Желая оптимизировать антенную систему в целом, т. е. получить или предельно простую, или надежную, или дешевую конструкцию при выполнении всех предъявляемых к ней требований, прежде всего, необходимо знать закономерности, управляющие связями параметров диаграммы направленности антенны и ее движения с параметрами излучающей системы. Использование этих закономерностей позволяет ограничить круг принципиально возможных схем излучающей системы, удовлетворяющих поставленным требованиям. После этого можно выработать требования к управляющим устройствам и распределителю. Найдя определенное решение, пригодное для осуществления этих структурных элементов антенны, нужно снова вернуться к исследованию свойств излучающей системы с учетом ее взаимодействия с конкретными управляющими устройствами и распределителем.

Таким образом, основа как теоретической, так и конструкторской работы в области антенн с немеханическим движением луча закладывается при изучении общих закономерностей системы излучателей.

Говоря о распределении токов в антенне, будем понимать под ними токи в широком смысле, т. е. имея в виду и эквивалентные поверхностные токи в случае дифракционных антенн, и эквивалентные токи смещения в случае диэлектрических антенн. Амплитудно-фазовое распределение токов в антенне может быть непрерывной или разрывной функцией координат. В первом случае его изменение под действием управляющих факторов происходит таким образом, что функция остается непрерывной. Во втором случае антенна в целом представляет собой систему излучателей, в пределах каждого из которых амплитудно-фазовое распределение остается неизменным, а действие управляющих устройств приводит к изменению распределения амплитуд и фаз от излучателя к излучателю. Очевидно, что для антенны в целом амплитудно-фазовое распределение в этом случае описывается ступенчатой разрывной функцией. В соответствии со сказанным, разделим антенны по характеру изменения амплитудно-фазового распределения на два вида: с непрерывным и с дискретным распределением токов в раскрыве.

Примером антенны с непрерывным распределением может служить излучатель, представляющий собой раскрыв волновода, заполненный ферритом. При подмагничивании феррита характер амплитудно-фазового распределения в раскрыве изменяется, что и приводит к управлению диаграммой направленности антенны. Аналогично действует и антенна, представляющая собой круглый рупор, в раскрыве которого расположена ферритовая сфера, намагничивание которой в различных направлениях приводит к изменению распределения поля в рупоре и его диаграммы направленности. Во всех случаях непрерывного распределения среда (в приведенных примерах феррит), изменяющая свои свойства под воздействием управляющих факторов, находится непосредственно в излучающем раскрыве.

Таким образом, излучающий и управляющий элементы совмещены. С одной стороны, это является положительным фактором, так как конструкция получается компактной, но, с другой стороны,-- отрицательным фактором, так как усложняется управление антенной. При больших секторах качания требования к изменению функции распределения тока в раскрыве будут довольно сложными, поэтому необходимое воздействие на среду, заполняющую раскрыв антенны, осуществить очень трудно.

Антенны с дискретным распределением токов в раскрыве представляют собой систему расположенных в пространстве излучателей, в цепях питания которых включены управляющие устройства. Эти устройства регулируют амплитуду или фазу токов в излучателях, изменяя, таким образом, амплитудно-фазовое распределение в антенне.



Рис.2.1 Линейка излучателей с управляемой фазой токов

Общие сведения и принцип действия зеркальной антенны.

Зеркальными антеннами называют антенны, у которых поле в раскрыве формируется в результате отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального рефлектора (зеркала). Источником электромагнитной волны обычно служит какая-нибудь небольшая элементарная антенна, называемая в этом случае облучателем зеркала или просто облучателем. Зеркало и облучатель являются основными элементами зеркальной антенны.

Зеркало обычно изготовляется из алюминиевых сплавов. Иногда для уменьшения парусности зеркало делается не сплошным, а решетчатым. Поверхности зеркала придается форма, обеспечивающая формирование нужной диаграммы направленности. Наиболее распространенными являются зеркала в виде параболоида вращения, усеченного параболоида, параболического цилиндра или цилиндра специального профиля. Облучатель помещается в фокусе параболоида или вдоль фокальной линии цилиндрического зеркала. Соответственно для параболоида облучатель должен быть точечным, для цилиндра - линейным. Наряду с однозеркальными антеннами применяются и двухзеркальные.

Рассмотрим принцип действия зеркальной антенны. Электромагнитная волна, излученная облучателем, достигнув проводящей поверхности зеркала, возбуждает на ней токи, которые создают вторичное поле, обычно называемое полем отраженной волны. Для того чтобы на зеркало попадала основная часть излученной электромагнитной энергии, облучатель должен излучать только в одну полусферу в направлении зеркала и не излучать в другую полусферу. Такие излучатели называют однонаправленными.

В раскрыве антенны отраженная волна обычно имеет плоский фронт для получения острой диаграммы направленности либо фронт, обеспечивающий получение диаграммы специальной формы. На больших (по сравнению с длиной волны и диаметром зеркала) расстояниях от антенны эта волна в соответствии с законами излучения становится сферической. Комплексная амплитуда напряженности электрического поля этой волны описывается выражением

,

где - нормированная диаграмма направленности, сформированная зеркалом.

Принцип действия простейшей зеркальной антенны приведен на рисунке:



1 - зеркало, 2 - облучатель, 3 - сферический фронт волны облучателя, 4 - плоский фронт волны облучателя, 5 - диаграмма направленности облучателя, 6 - диаграмма направленности зеркала.

Точечный облучатель (например, маленький рупор), расположенный в фокусе параболоида, создает у поверхности зеркала сферическую волну. Зеркало преобразует ее в плоскую, т.е. расходящийся пучок лучей преобразуется в параллельный, чем и достигается формирование острой диаграммы направленности.

Геометрические характеристики параболоидного зеркала.

Вспомним основные геометрические свойства параболоида.

Нормаль к поверхности параболоида в любой точке лежит в плоскости, содержащий ось Z, и составляет угол с прямой, соединяющей эту точку с фокусом.

Любое сечение параболоида плоскостью, содержащее ось Z, является параболой с фокусом в точке F. Кривая, получающаяся при сечения параболоида плоскостью, параллельной оси Z, является также и параболой с тем же фокусным расстоянием f.

Из первого свойства следует, что если поместить точечный источник электромагнитных волн в фокусе параболоида, то все лучи после отражение будут параллельны оси Z.

Это означает, что отраженная волна будет плоской с фронтом, перпендикулярным оси Z параболоида.

Из второго свойства следует, что для анализа вопросов отражения волн от поверхности зеркала и наведения на нем токов можно ограничиться рассмотрением любого сечения зеркала плоскостью, проходящей через ось Z или параллельно ей. Кроме того, из второго свойства вытекает, что для контроля точности изготовления параболического зеркала достаточно иметь только один шаблон.

При анализе параболических зеркал удобно одновременно использовать различные системы координат, переходя в процессе анализа от одной к другой, более удобной для последующих расчетов. Такими системами координат являются:

Прямоугольная с началом в вершине параболоида и осью Z, совпадающей с осью его вращения. Уравнение поверхности зеркала в этой системе координат имеет вид

.

Цилиндрическая система . Здесь и - полярные координаты, отсчитываемые в плоскости Z=const. Угол отсчитывается от плоскости XOZ. Уравнение параболоида в этих координатах будет

.

Цилиндрическую систему координат удобно использовать при определении координат точек истока (т.е. точек источников поля).

Сферическая система координат с началом в фокусе F и полярной осью, совпадающей с осью Z. Здесь - полярный угол, отсчитываемый от отрицательного направления оси - азимут, тот же, что в цилиндрической системе. Уравнение поверхности зеркала в этой системе координат нами уже было получено: . Эта система координат удобна для описания диаграммы направленности облучателя.

Сферическая система координат с началом в фокусе параболоида. Здесь - полярный угол, отсчитываемый от положительного направления оси Z; - азимут, отсчитываемый от плоскости XOZ. Эта система координат удобна для определения координат точки наблюдения и будет использована при расчете поля излучения.

Поверхность, ограниченная кромкой параболоида и плоскостью , называется раскрывом зеркала. Радиус этой поверхности называется радиусом раскрыва. Угол , под которым видно зеркало из фокуса, называется углом раскрыва зеркала.

Форму зеркала удобно характеризовать либо отношением радиуса раскрыва к двойному расстоянию (параметру параболоида) либо величиной половины раскрыва . Зеркало называют мелким, или длиннофокусным, если , глубоким, или короткофокусным, если .

Легко найти связь между отношением и углом .

Из рис.1 следует, что

;

откуда



.

У длиннофокусного параболоида , у короткофокусного . При (фокус лежит в плоскости раскрыва зеркала) .



3. Расчетная часть

3.1 Выбор числа излучателей

При проектировании антенных решеток с управляемой диаграммой направленности следует стремиться к наименьшему числу излучателей, так как только в этом случае система получится наиболее простой, надежной и дешевой.

Минимальное число излучателей mmin в антенной решетке связано с заданным сектором качания луча и требуемой шириной диаграммы направленности решетки зависимостью

(3.1.1)

где k = 2мм - заданный сектор движения луча; 20,5 - требуемая ширина диаграммы направленности решетки на уровне половинной мощности.

Возьмем количество излучателей равное 15.

3.2 Расчет параметров решетки

Принцип работы ФАР связан с изменением фазы колебаний, подводимых к отдельным излучающим элементам (в передающем режиме) с помощью фазовращателей таким образом, чтобы обеспечить синфазное сложение полей отдельных излучателей в требуемое направлении, т.е. формирование главного максимума ДН. Нормальное функционирование ФАР предполагает, что в решетке устранена возможность появления вторичных максимумов.

При ограниченном секторе сканирования возможно использование направленных излучателей, что позволяет увеличить допустимое расстояние между элементами (и соответственно уменьшить их число при заданных требованиях к ширине ДН, определяющих размеры раскрыва ФАР). Действительно, если ДН одного элемента имеет секторную форму с шириной, равной сектору сканирования 2max, или близкую к ней, то вторичные главные максимумы вне сектора сканирования отсутствуют в результате направленных свойств одного элемента, поскольку результирующая ДН решетки определяется произведением множителя системы на ДН одного элемента. Однако при чрезмерном увеличении d вторичные главные максимумы могут попасть в сектор сканирования, при этом они не будут подавлены. Чтобы этого не произошло, необходимо шаг линейной решетки выбирать из условия

Возьмем d=20,4см.

Определим длину решетки :

где m- число излучателей; d- шаг линейной решетки.

3.3 Расчет излучателя

Так как по условию технического задания в качестве излучателя должен быть использован полуволновой вибратор, но не обозначены его геометрические размеры, то определяем его длину согласно формуле:

2l = л/2

так как л=14 (см), то получаем l = л/4 = 3,5 (см).

Для большего удобства при расчетах предположим, что вибратор является тонким и, следовательно, значение его диаметра бесконечно мало.

Рис.3.3.1 Полуволновой вибратор.

Диаграмма направленности полуволнового вибратора в плоскости, проходящей через ось вибратора, определяется выражением:

,(3.3.1.)

где и - угол относительно оси вибратора.

Рис.3.3.2. Диаграмма направленности полуволнового вибратора в декартовой системе координат.

Рис.3.3.3. Диаграмма направленности полуволнового вибратора в полярной системе координат

Одним из параметров, определяющих направленность антенны, является коэффициент направленного действия, который является отношением квадратов напряженностей поля, создаваемых в точке приема направленной и ненаправленной антеннами при одинаковых мощностях излучения. Коэффициент направленного действия определяется формулой:

излучатель полуволновой вибратор зеркальный

.(3.3.2.)

Данный интеграл не может быть выражен через элементарные функции, но может быть вычислен приближенно с помощью специальных функций или графическим путем, и равен 1,22. Тогда

D = 1.64илиD = 2.15 дБ

Эффективная площадь антенны равна:

А = D л2/4 р = 0,13 л2 (3.3.3.)

А = 0,0025 (см2)

Определим действующую длину рассматриваемого вибратора для любых направлений в экваториальной плоскости, т.е. в плоскости, перпендикулярной оси вибратора и проходящей через его середину. В этой плоскости поля от любых отдельных элементов тока на больших расстояниях от вибратора не будут отличаться между собой по фазе. Для определения действующей длины полуволнового вибратора воспользуемся выражением:

hд = л/ р(3.3.4.)

hд = 14/ р = 4,46 (см)

Сопротивление излучения - это коэффициент, связывающий мощность излучения антенны с квадратом действующего значения тока. Для полуволнового вибратора сопротивление излучения равно:

R?п = 73,1 Ом

Зная сопротивление излучения вибратора, отнесенное к току в пучности, легко найти приближенное значение активной составляющей входного сопротивления вибратора в средних точках питания.

RА = R?п /sin2 kl.(3.3.5.)

Для полуволнового вибратора ( l = л/4)

RА = R?п =73,1 Ом

Входное сопротивление симметричного вибратора, как и всякой проволочной антенны, определяется отношением напряжения на входных зажимах к току питания. К симметричному вибратору питание, как правило, подводится через фидер. Поэтому входное сопротивление вибратора будет являться нагрузочным сопротивлением для фидера и определяться по формуле:

, (3.3.6.)

где R?п - сопротивление излучения вибратора,

- волновое сопротивление вибратора.

Как показывают опытные данные, у тонкого вибратора, общая длина которого равна половине длины волны

Ом.

3.4 Расчет диаграмм направленности

Диаграмма направленности линейной решетки одинаково ориентированных идентичных излучателей, расположенных на равных расстояниях d друг от друга, определяется выражением

Так как в качестве излучателей используются полуволновые вибраторы, то диаграмма направленности одиночного излучателя F1() будет иметь вид

(3.4.2.)

Тогда ДН линейной решетки полуволновых вибраторов можно представить следующим приближенным выражением:



(3.4.3.)

Для заданной линейной решетки полуволнового вибратора ДН будет иметь вид:

Рис.3.4.1. Диаграмма направленности решетки излучателей в декартовой системе координат.



Рис.3.4.2. Диаграмма направленности решетки излучателей в полярной системе координат.

3.5 Расчет полосковой линии передачи

В последнее время начали широко применяться в качестве фидерных линий и как элементы различных узлов в диапазоне СВЧ так называемые полосковые линии передачи. Они составляют серьезную конкуренцию элементам из отрезков волноводных и коаксиальных линий из-за простоты конструкции и меньших габаритов, а также вследствие того, что в ряде случаев могут включаться в печатные схемы. Различают два основных типа полосковых линий: симметричные и несимметричные. Так как по условию технического задания тип линии - несимметричный, то предлагается краткое его рассмотрение. Несимметричная линия представляет собой узкую металлическую полоску 1, расположенную над экранирующей пластиной 2 и изолированной от неё диэлектриком 3. Изоляционная диэлектрическая прокладка обычно имеет толщину 1 - 2мм.

Рис.3.5.1. Несимметричная полосковая линия передачи

Картина поля в несимметричной полосковой линии напоминает картину поля соответствующего проводника над бесконечным плоским экраном или картину поля в полупространстве соответствующей двухпроводной симметричной линии с расстоянием между проводниками, равным двойному расстоянию от провода до экрана. В указанной полосковой линии распространяются волны, близкие к волнам типа ТЕМ. При малом расстоянии между металлической полоской и экранирующей пластиной вся энергия распространяющейся волны сосредоточена в непосредственной близости от проводящей полоски.

Одними из основных параметров несимметричной полосковой линии являются: коэффициент укорочения волны и волновое сопротивление линии.

Коэффициент укорочения волны полосковых линий

(3.5.1.)

По заданию е = 10, тогда =2,8.

Волновое сопротивление полосковой линии можно определить по приближенной формуле

(3.5.2.)

Пусть b = 6 мм, h = 2,3 мм, е = 10

Ом.

Затухание полосковых линий обусловлено потерями в проводниках, диэлектрике и на излучение. Однако потери на излучение у полосковых линий меньше, чем у обычных двухпроводных линий соизмеримых размеров. Коэффициент затухания полосковых линий больше, чем у металлических волноводов, и имеет примерно ту же величину, что у коаксиальных линий с диэлектрическим заполнением. Полосковые линии по сравнению с волноводами более широкополосны, обладают меньшими габаритами, весом и более простой конструкцией.



3.6 Согласование линии с нагрузкой

В технике антенно-фидерных устройств большую роль играет вопрос согласования антенны с фидерной линией. Под согласованием подразумевается преобразование сопротивления нагрузки линии в сопротивление, равное её волновому сопротивлению, в результате чего в линии устанавливается бегущая волна. Наиболее простой и удобный способ согласования линии с антенной, имеющей входное сопротивление, не равное волновому сопротивлению линии осуществляется с помощью реактивного шлейфа В.В. Татаринова. Этот способ нашел широкое распространение в антенно-фидерной технике коротких и ультракоротких волн.

Рис.3.6.1. Схема включения индуктивного шлейфа Татаринова.

Рис.3.6.2. Эквивалентная схема линии до подключения шлейфа.



На рисунке изображена схема антенны, входное сопротивление которой Zа является комплексным и не равно волновому сопротивлению линии Z0. В точках B - B наблюдается максимум распределения напряжения вдоль линии. При подключении к точкам C - C реактивного шунта, например короткозамкнутого на конце отрезка линии длиной y0, в линии от генератора до сечения C - C установится бегущая волна. Для этого расстояние x0 от максимума напряжения до точек подключения шлейфа должно быть таким, чтобы активная составляющая проводимость линии равнялась величине, обратной волновому сопротивлению линии, реактивная составляющая компенсируется соответствующей реактивной проводимостью шлейфа. В результате сопротивление линии Zвх в сечении C - C становится равным волновому сопротивлению линии и таким образом нагрузка оказывается в точности согласованной с линией.

Для определения параметров схемы согласования - расстояния вдоль линии x0 и длины индуктивного шлейфа y0 - можно воспользоваться следующими выражениями:

(3.6.1.)

Допустим, волновые сопротивления линии и шлейфа равны, тогда:

(3.6.2.)

Определим КБВ из следующих соотношений:

,(3.6.3.)

где Р - мощность, проходящая через сечение линии, в котором получится максимум напряжения.

Rmax - активное сопротивление, измеренное в указанном сечении линии.

,(3.6.4.)

где Z0 - волновое сопротивление линии.

Используя данные выражения, находим, что КБВ = 0,55.

;

.

x0 = 0.021м

y0 = 0.8 м

3.7 Дискретные фазовращатели на p-i-n - диодах

Дискретным фазовращателем называется устройство, обеспечивающее скачкообразное изменение фазы электромагнитной волны без изменения ее амплитуды. Простейший одноступенчатый фазовращатель характеризуется двумя различными фазовыми состояниями. Переключение из одного состояния в другое, как правило, обеспечивается выключателями, входящими в состав фазовращателя. Идеальный выключатель представляет собой линейный двухполюсник, имеющий два различных состояния, в одном из которых он является идеально пропускающим, в другом - идеально отражающим.

Выключатели содержат ключи, которые в идеальном случае являются двухполюсниками с двумя состояниями, которым соответствуют два значения сопротивления ключа: нуль и бесконечность. Перевод ключа из одного состояния в другое осуществляется внешним управляющим воздействием. Функцию ключа в рассматриваемых дискретных фазовращателях выполняют p-i-n-диоды.

Фазовращатели можно представить в виде двух основных типов - отражательных и проходных

Отражательный фазовращатель (ОФ) - это линейный двухполюсник, содержащий выключатели, которые под воздействием управляющего напряжения изменяют фазу коэффициента отражения электромагнитной волны. Коэффициенты отражения в двух состояниях:

Г1=ејц1 и Г2=ејц2 (3.7.1)

Проходной фазовращатель (ПФ) - это линейный четырёхполюсник, содержащий выключатели, которые под воздействием управляющего напряжения изменяют фазу коэффициента передачи электромагнитной волны. Коэффициенты передачи в двух состояниях:

Т1=ејц1 и Т2=ејц2 (3.7.2)

Фазовый сдвиг определяется разностью фаз в двух состояниях:

?ц= ц1-ц2 (3.7.3)

В реальных устройствах переключательный p-i-n-диод представляется сосредоточенным элементом, параметры которого в двух различных состояниях описываются линейной эквивалентной схемой.

При описании простых схем выключателей предполагается, что собственная реактивность p-i-n- диода имеет предельно малое значение и два состояния выключателя соответствуют двум разным значениям активного сопротивления p-i-n-диода; при прямом смещении r+ ???1?, а при обратном (нулевом) r_???1.

Для p-i-n-диодов различной конструкции параметры эквивалентной схемы

r+ r_???0,5-1,5?Ом, и С = 0,2 … 1,5 пФ.

В реальной ситуации собственной реактивностью p-i-n-диода (емкостью) нельзя пренебречь, и она учитывается при расчете создания фазового сдвига.



Список литературы

1. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией Воскресенского Д.И. М.: «Советское радио», 1972 г.

2. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. «Антенно-фидерные устройства». М.: «Советское радио», 1974г.

3. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. «Антенно-фидерные устройства». М.: «Радио и связь», 1989 г.

4. Антенны УКВ. Под редакцией Айзенберга Г.З. Ч.1,Ч.2, М.: «Связь», 1977г.

Размещено на Allbest.ru