Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ВВЕДЕНИЕ
Антенно-фидерное устройство, обеспечивающее излучение и прием радиоволн— неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Требования к техническим характеристикам антенн вытекают из назначения радиосистемы, условий размещения, режима работы, допустимых затрат и т. д.
Широкое распространение получили остронаправленные сканирующие антенны. Сканирование позволяет осуществлять обзор пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. Замена слабонаправленных или ненаправленных антенн, например связных, остронаправленными сканирующими позволяет не только получать энергетический выигрыш в радиотехнической системе за счет увеличения коэффициента усиления антенн, но и в ряде случаев ослаблять взаимные влияния одновременно работающих различных систем, т. е. обеспечивать их электромагнитную совместимость (ЭМС). При этом могут быть улучшены помехозащищенность, скрытность действия и другие характеристики системы. При механическом сканировании, выполняемом поворотом всей антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при современных скоростях летательных аппаратов оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн.
Устройство СВЧ и антенны играют важную роль при решении многих практических задач в таких областях, как организация радиосвязи, радиолокация, радионавигация, телерадиовещание, исследование природных ресурсов и других. Антенно-фидерные устройства, обеспечивающие излучение и прием радиоволн, направленность действия в пространстве, -неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Допустимые размеры, конструктивные решения и технология производства антенн определяют фундаментальные ограничения, накладываемые на характеристики радиотехнических систем: дальность действия, разрешающую способность, точность пеленгации, полосу пропускания.
Наибольшее применение получили сверхвысокие частоты. Это объясняется возможностями реализации в антенных СВЧ таких параметров и характеристик, достижение которых на более низких частотах является проблематичным. Например, в диапазоне СВЧ антенны могут создавать остронаправленное излучение с шириной луча до долей градуса и усиливать подводимую мощность в десятки и сотни тысяч раз, концентрируя ее в нужном направлении в пространстве. Это позволяет использовать антенну не только для излучения радиоволн на большие расстояния, но и для пеленгации, борьбы с помехами, обеспечения электромагнитной совместимости радиосистем и решения ряда других задач.
В данном курсовом проекте стоит задача разработать передающую фазированную антенную решетку (ФАР) для радиолокационной станции (РЛС)коротковолнового диапазона, а также необходимо выбрать тип антенных элементов и их геометрию. Конструктивно антенна будет представлять собой дуновую ФАР. Поляризация поля излучения антенны вертикальная.
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1 Антенные решетки и их классификация
Фазированная антенная решётка (ФАР) — тип антенн, в виде группы антенных излучателей, в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях.
В настоящее время антенные решетки - наиболее распространенный класс антенн, элементами которых могут быть как слабонаправленные излучатели (металлические и щелевые вибраторы, волноводы, диэлектрические стержни, спирали), так и остронаправленные антенны (зеркальные, рупорные и другие).
Применение антенных решеток обусловлено следующими причинами. Решетка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз коэффициент направленного действия (КНД) (и соответственно усиление) антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения точности определения угловых координат источника излучения в навигации, радиолокации и других радиосистемах. С помощью АР удается поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путем размещения в каналах решетки независимых усилителей высокочастотной энергии. Одним из важных преимуществ решеток является возможность быстрого (безынерционного) обзора пространства за счет качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования). Помехозащищенность радиосистемы зависит от уровня боковых лепестков (УБЛ) антенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке. Антенная решетка является необходимым звеном для создания такого динамического пространственно-временного фильтра или просто для уменьшения УБЛ. Одной из важнейших задач современной бортовой радиоэлектроники является создание комплексированной системы, совмещающей несколько функций, например радионавигации, РЛС, связи.
Антенные решетки могут быть классифицированы по следующим основным признакам: геометрии расположения излучателей в пространстве, способу их возбуждения, закономерности размещения излучающих элементов в самой решетке, способу обработки сигнала в решетке, амплитудно-фазовому распределению токов (поля) по решетке и типу излучателей. В зависимости от геометрии расположения излучателей АР подразделяются на линейные, дуговые, кольцевые, плоские, выпуклые (цилиндрические, конические, сферические и др.) и пространственные (трехмерные) (см. рис. 1.1). Пространственная решетка в простейшем случае представляет собой систему из двух плоских решеток, параллельно расположенных в пространстве.
Размещение излучателей в самой решетке может быть эквидистантное, у которого шаг (расстояние между излучателями) - величина постоянная (см. рис. 1.1,а-д), и неэквидистантое, у которого шаг меняется по определенному закону или случайным образом (см. рис. 1,1,з).
Рисунок 1.1 - Антенные решетки: а – линейная, б – дуговая, в – кольцевая, г – плоская, д – цилиндрическая, е – коническая, ж – сферическая, з – неэквидистантная.
Большой практический интерес представляют антенны с управляемым положением главного лепестка ДН. Управление (сканирование) можно осуществить, например, смещая облучатель линзы или зеркала из фокуса перпендикулярно оптической оси. При этом происходит наклон фронта волны, и лепесток отклоняется в сторону отставания фазы поля в раскрыве антенны.
Хотя такой электромеханический способ сканирования широко применяется, его возможности ограничены относительно небольшой угловой скоростью перемещения лепестка из-за механической инерционности подвижной части антенны (сканера).
На несколько порядков большую скорость перемещения можно получить с помощью антенн с электрическим сканированием. У таких антенн нет подвижных частей, а изменение фазового распределения в раскрыве антенны осуществляется чисто электрически: путем изменения токов или напряжений на управляющих устройствах. Опыт показал, что электрическое сканирование удобно осуществлять с помощью многоэлементных антенн (решеток). Антенные решетки (АР) с электрически управляемым лучом получили наименование антенных решеток с электрическим сканированием.
Существует три способа электрического сканирования:
Наиболее распространен фазовый способ, позволяющий строить сканирующие антенные системы как средних, так и очень больших электрических размеров.
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.
Рисунок 1.2- Плоская решетка вибраторных антенн
1.2 Фазированная антенная решетка
Электрическое сканирование, обеспечивающее наибольшую скорость перемещения луча в пространстве и управление характеристиками направленности антенны, наиболее часто реализуется в фазированных антеннах решетках (ФАР), направление максимального излучения и (или) форма диаграммы которых изменяется с помощью изменения фазы радиосигналов в элементах.
Фазированная антенная решетка состоит из канализирующей системы, обеспечивающей возбуждение ее раскрыва, фазовращателей, изменяющих фазу сигналов, поступающих к элементам через фазовращатели от канализирующей системы и непосредственно элементов, излучающих и (или) принимающих энергию электромагнитных колебаний. Функционирует ФАР совместно с системой управления лучом (СУЛ), подающей управляющие сигналы на фазовращатели (рис. 1.3).
Рисунок 1.3 - Структура фазированной антенной решетки
1 — излучающие элементы; 2 — фазовращатели: 3—система управления лучом; 4 — канализирующая система; 5 — выход или вход антенной решетки
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.
Основные достоинства выпуклых цилиндрических антенных решёток:
Недостатки: сложность системы возбуждения излучателей и некоторая избыточность их количества.
Цилиндрические фазированные 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.
По типу канализирующей системы различают виды антенных решеток:
Существует два типа схем оптического питания решеток:
1.3 Излучатели
В качестве излучателей антенной решетки используются вибраторы, открытые концы волноводов, диэлектрические стержни, спирали, щели и др. Вибраторные излучатели в АР обычно располагают над плоской проводящей поверхностью, играющей роль экрана и предотвращающей обратное излучение. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что на характеристики вибраторного излучателя в составе АР сильнее всего влияют два фактора: их размещение в решетке и положение относительно проводящего экрана. Уменьшение шага решетки позволяет не только подавить высшие дифракционные максимумы, но и улучшить их согласование в широком секторе углов сканирования. Изменение высоты вибраторного излучателя над экраном приводит к улучшению согласования в крайних положениях луча при сканировании в плоскостях Е и Н.
Направленные свойства любой антенны характеризуются ДН и КНД. Диаграмма направленности вибратора зависит от его длины и является поверхностью вращения, ось которой совпадает с осью вибратора. На КНД вибратора влияют два основных фактора: ширина главного лепестка ДН и уровень боковых лепестков.
Очень важным параметром любой антенны является входное сопротивление. Чем быстрее меняется Zвх при изменении частоты колебаний, тем хуже диапазонные свойства вибратора, которые зависят от его толщины. Чем толще вибратор, тем медленнее изменяется Zвх при изменении частоты. Добротность одного и того же вибратора на параллельном резонансе примерно в восемь раз больше, чем на последовательном. Кроме того добротность зависит от волнового сопротивления вибратора: чем больше волновое сопротивление, тем больше добротность. Волновое сопротивление вибратора, в свою очередь, зависит от толщины вибратора: чем толще вибратор, тем меньше волновое сопротивление. Таким образом, при увеличении толщины вибратора уменьшается его добротность и, следовательно, улучшаются его диапазонные свойства.
Наиболее широко используемыми типами симметричных вибраторных излучателей являются:
1) Тонкий цилиндрический вибратор диаметром 2а << λ, где - длина волны, возбуждаемой от коаксиальной линии. Тонкий вибратор имеет небольшую рабочую полосу частот, которая может быть расширена подбором длины 2L герметизирующего кожуха 3 (2L =λ/5).
2) Широкополосный вибратор. В широкополосных вибраторах для соединения коаксиального питающего фидера с воздушной полосковой линией длиной λ/4 использован экспоненциальный переход. Эти вибраторы обладают повышенной электрической прочностью.
3) Изогнутый вибратор. Он имеет более широкую ДН в Е - плоскости, что позволяет получить большой сектор сканирования АР. В качестве направленных вибраторных излучателей в АР с ограниченным сектором сканирования используются антенны типа волновой канал.
4) Электрические (Н - образные) вибраторы. Для настройки их в резонанс используются поперечные плечи. Такие вибраторы имеют уменьшенную поверхность рассеяния, и их использование целесообразно при построении совмещенных в одной апертуре разночастотных вибраторных АР, так как взаимные искажения ДН получаются при этом минимальными.
5) Печатные вибраторные излучатели. Они обладают высокой технологичностью, компактностью, конструктивной жесткостью и перспективны для АР, устанавливаемые на подвижных объектах.
6) Коротко замкнутые вибраторы, или диполи. Широко применяются в последнее время при создании частотно - и поляризационно-селективных пространственных структур или фильтров. Они используются для обеспечения ЭМС близко расположенных антенн, уменьшения уровня боковых лепестков, построения многофункциональных антенн и облегчения рефлекторов зеркальных антенн, уменьшения эффективной площади рассеяния антенн.
Симметричный вибратор — это вибратор в виде двух симметрично рас- положенных в одной плоскости проводников одинаковой длины и формы, к смежным концам которых подводится фидер. В том случае, когда оси проводников симметричного вибратора располагаются на одной прямой, он называется линейным. На рисунке 1.6 изображен линейный симметричный электрический вибратор, представляющий собой тонкий цилиндрический проводник радиусом а, расположенный в свободном воздушном пространстве. [3, ]
Рисунок 1.4 - Линейный симметричный электрический вибратор
Короткие волны (также декаметровые волны) — диапазон радиоволн с частотой от 3 МГц (длина волны 100 м) до 30 МГц (длина волны 10 м).
Короткие волны отражаются от ионосферы с малыми потерями. Поэтому, путём многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли, они могут распространяться на большие расстояния. Короткие волны используются для радиовещания, а также для любительской и профессиональной радиосвязи. Качество приёма при этом зависит от различных процессов в ионосфере, связанных с уровнем солнечной активности, временем года и временем суток. Так днём лучше распространяются волны меньшей длины, а ночью — большей. Для связи между наземными станциями и космическими аппаратами они непригодны, так как не проходят сквозь ионосферу.
На коротких волнах наблюдаются замирания — изменение уровня принимаемого сигнала, они проявляются как кратковременное снижение амплитуды несущей частоты или вовсе пропадание последней. Замирания возникают из-за того, что радиоволны от передатчика идут к приёмнику разными путями, в разной фазе и, интерферируя на антенне приёмника, могут ослаблять друг друга.
Для любительской радиосвязи радиолюбителям выделены 9 коротковолновых (КВ) диапазонов.
Основными из них являются 160, 80, 40, 20, 15 и 10- метровый диапазоны.
Любительская радиосвязь
В радиолюбительской связи важен интерес, здесь нет никакой обязаловки. Не получилось провести QSO - да и х... с ним, в другой раз получится. Изначально, любительская связь была экспериментальной и не предусматривала соревнований, контестов, экспедиций и тд.
В последнее время, появилась устойчивая тенденция к тому что радиолюбителю вообще не важен процесс радиосвязи - главное какая аппаратура стоит у него дома. Чем дороже трансивер - тем лучше. Навыки оператора, в расчет не берутся.
Для любительской связи важное значение имеет дальность, так называемые DX-ы. Поэтому большое значение уделяется узкополосным, направленным антеннам с прижатыми к горизонту лепестками.
Типовая мощность радиостанции 100Вт, так как большенство трансиверов для радиолюбителей, имеют эту мощность передатчика. Дополнительные усилители мощности используются, но не всегда. Обычно в соревнованиях или чтобы 'задавить' кого-нибуть своим сигналом.
Самые популярные режимы работы, это SSB, CW и разные виды модуляции формируемые с помощью компьютера. Их очень много, около 30.
Любительские диапазоны строго ограничены определенными и довольно узкими участкими, многие из них кратны. Поэтому антенны как правило резонансные и часто, с возможностью работать на гармониках.
Подавляющее большенство радиолюбителей сидят по домам (находятся в стационарных условиях)соответственно аппаратура питается от сети 220В. Только в последнее время, появился интерес к экспедициям с использованием носимой и возимой аппаратуры. Но тема эта новая и слабо освоенная.
Любительские трансиверы отличаются наличием кучи кнопок, ручек, большими дисплеями и другими функциями которые часто не связаны с процессом проведения QSO, а нужны лишь для коммерческой привлекательности изделия.
Подавляющее большенство радиолюбителей работающих в эфире, при покупке трансивера, смотрят на внешний вид и навороты, а не на схемотехнику покупаемой
радиостанции.
Любительские радиостанции, как правило не отвечают (или отвечают частично) жестким нормам и требованиям для профессиональных радиостанций.
Радиолюбители очень трепетно относятся к качеству сигнала, в большенстве случаев, стандартный телефонный сигнал с подьемом +6дб на октаву, ими оценивается негативно.
Извесные мировые фирмы, используют радиолюбителей как полигон, для испытания новых узлов и решений, для дальнейшего внедрения их в профессиональной и военной аппаратуре.
В последние годы, интерес к радиолюбительской связи на КВ упал, так как есть много других интересных технических направлений для творчества. А связь как таковая, доступна по другим каналам.
Экспериментальная составляющая радиолюбительской связи, в последние годы, потеряла свою актуальность и это хобби используется в основном для времяпровождения, когда нечем заняться.
Длительность сеанса связи не ограничена и может доходить до нескольких часов.
Диапазон 27МГц не относится к радиолюбительским, для работы там нужна другая лицензия.
Профессиональная радиосвязь
Под этим термином понимается любая связь на производстве, это геологи, моряки, колхозники, авиаторы, подразделения МЧС и тд.
Обратите внимание, что профессиональной связью пользуются не связисты-профессионалы, а работники других профессий.
Профессиональная радиосвязь, это не хобби. Тут изначально другие основы. Связь должна быть в нужный момент, потому что от этого может зависеть чьято жизнь или деньги и тд.
Главное условие - провести радиосеанс, получить информацию и выполнить свою непосредственную работу, которая уже не связана со связью. Длительность радиосеанса, обычно 3 - 10 минут.
Вид модуляции на КВ - всегда USB (на УКВ - FM, только в авиации осталась АМ).
Радиостанции для этой группы пользователей должны быть простыми в эксплуатации, надежными, иметь мало ручек и кнопок.
В профессиональной связи, почти не используются резонансные антенны, это и понятно, здесь нет заранее установленных частот.
Самый используемый диапазон частот на КВ, это 2 - 10МГц, потому что здесь легко заранее спрогнозировать возможную связь, в зависимости от времени суток и других условий.
Используемые антенны, это как правило: укороченные штыри - для связи до 60км во время движения, налонные лучи и симметричные вибраторы - для связи до 600км.
В профессиональной связи нет нужды проводить радиосеансы дальностью в тысячи километров. Типовые дальности это 50 - 300км. Поэтому так популярны низковесящие симметричные вибраторы, веть они излучают строго вверх и хорошо накрывают 'ближнюю зону'. Пожалуй только в авиации и морской связи, на береговых радиоцентрах используют полноразмерные штыри или высоко поднятые вибраторы, для дальней связи.
Любительская аппаратура, как правило не подходит для профессионального использования (есть многочисленный печальный опыт), правда, последнее время появились универсальные станции, двойного и тройного назначения (например: VX-1210, Q-MAX, КВАРЦ).
В проф.связи, с давних лет, используются носимые возимые и стационарные радиостанции с относительно небольшой мощностью, всего 2 - 10Вт. и здесь накоплен большой опыт их эксплуатации.
Радиосвязь силовых ведомств
В целом, требования предьявляемые в профессиональным станциям, подходят и военным, но у последних есть свои специфические требования к аппаратуре.
Виды модуляции у военных: ОМ - однополосная модуляция с верхней или нижней боковой.
АТ - амплитудная телеграфия,
ЧТ - частотная телеграфия (два или четыре тона с разносом 250Гц).
Связь должна быть защищенной от прослушивания, поэтому радиостанция должна иметь соответствующие интерфейсы для ЗАС, маскираторов, скачкообразного изменения частот и тд.
Ограничения по частотам у военных практически нет, они могут работать на любых частотах.
У радиостанции, должна быть возможность дистанционного управления от телефонного аппарата, по двухпроводной линии. Это для того чтобы, когда ее засекут и уничтожат, радисты остались живы.
Радиосвязь в армии - не самоцель, а вспомогательное звено для оперативного управления подразделениями и ей отводится строго определенное место.
Красивые кнопки и дисплеи не нужны, только самое необходимое, все должно быть просто, крепко и функционально. Военные станции красят обычно в зеленый цвет.
Поскольку КВ радиосвязь легко подавить, интерес к ней последнее время упал, надежнее использовать другие системы. Но и полностью отказываться от КВ связи, пока не собираются, потому что она очень удобна на учениях, при проведении спасательных работ, и во время локальных конфликтов.
2 Расчет характеристик антенны
2.1. Выбор типа антенны
В качестве излучателей для передающей ФАР для РЛС выберем логопериодическую антенну. Исходя из начального условия , диапазон рабочих частот нашего устройства находится в пределах от 4 до 30МГц. Значит ФАР будет работать в коротковолновом диапазоне (4-30МГц).Длинна волны на максимальной частоте будет находиться в декаметровом диапазоне и составит:
(2.1.1)
(2.1.2)
Логопериодические антенны (ЛПА) могут обеспечивать равномерность электрических характеристик (коэффициент направленного действия, входное сопротивление) в широкой полосе частот, при этом возможно создание антенн с коэффициентом перекрытия по диапазону частот, достигающим 10. Интерес также представляют дуговые антенные решетки (АР), составленные из ЛПА. АР такого типа могут обеспечивать узконаправленную ДН в широком диапазоне частот с возможностью азимутального сканирования.
В рамках данного исследования проведем математическое моделирование и моделирование в среде NEC характеристик таких ЛПА и АР.
ЛПА описывается параметрами: τ – знаменатель геометрической прогрессии длин вибраторов и расстояний между ними; σ – коэффициент-расстояние в длинах волн между полуволновым в середине диапазона вибратором и меньшим, соседним с ним; N – количество вибраторов. Длина L ЛПА определяется параметрами τ и σ, а также количеством элементов.
. В результате расчета по заданным параметрам ЛПА определяются токи в вибраторах, ДН и другие характеристики ЛПА.
Рассмотрим, каким образом может быть вычислена диаграмма направленности АР, образованной такими ЛПА. Геометрия дуговой АР представлена на рисунке 1. АР состоит из одинаковых элементов, имеющих номера . Каждый из элементов представляет собой ЛПА, ориентированную в вертикальной плоскости, то есть вибраторы ЛПА параллельны оси , причем высокочастотная часть ЛПА обращена к центру дуги. Этим обеспечивается постоянство электрических размеров АР при изменении частоты.
Простейшим вариантом дуговой АР является симметричная относительно оси АР с одинаковыми углами между элементами. Ее размеры определяются следующим образом. Пусть — количество элементов в «полной» кольцевой АР, а дуговая АР представляет собой «вырезку» из нее. Тогда — угол между осями элементов АР, а — угол между осью -го элемента и осью . Если — радиус дуги АР, проведенной по центрам высокочастотных вибраторов, то — радиус дуги АР, проведенной по центрам низкочастотных вибраторов, — длина элемента АР. Координаты опорной точки (центр низкочастотного вибратора) -го элемента АР: , .
Так как все элементы АР одинаковы, то координаты каждого из вибраторов, составляющих АР, можно найти по координатам исходной ЛПА следующим образом: , , где — положение -го вибратора исходной ЛПА вдоль ее оси, — количество вибраторов в ЛПА. Для самого низкочастотного вибратора исходной ЛПА , для высокочастоного вибратора .
L
r0
Y
X
γ0
αm
X0m,Y0m
R0
0
Рисунок 1 – Дуговая АР
Определив координаты вибраторов, несложно вычислить общую ДН антенной решетки по теореме перемножения. ДН -го вибратора исходной ЛПА описывается выражением
,
где — длина плеча вибратора, . Так как все элементы АР одинаковы, то совпадают и ДН их отдельных вибраторов, то есть . Окончательно, ДН АР:
,
,
где — разность хода для отдельных вибраторов, составляющих АР.
Проведем расчет характеристик ЛПА и АР в диапазоне коротких волн (3-30 МГц) на основе описанной модели. ЛПА с параметрами τ = 0,75; σ =0,13 состоит из N =12 вибраторов и имеет длину L = 50 м. Вид данной антенны приведен на рисунке 2.
На рисунках 3-5 показаны графики распределения тока по вибраторам ЛПА рассчитанные при помощи математической модели и в САПР NEC, причем здесь и далее сплошная линия – модель, пунктир – САПР NEC. На рисунке 6 приведены зависимости входного сопротивления антенны от частоты.
Рисунок 2 – Логопериодическая антенна
Точный расчет логопериодической антенны довольно сложен, но существует и простая методика расчета. Она позволяет сконструировать антенну, задавшись такими параметрами, как коэффициент направленного действия (КНД) и рабочий интервал частот.
Длины вибраторов логопериодической антенны и расстояния между ними должны изменяться в геометрической прогрессии со знаменателем τ, а расстояние (выраженное в длинах волн) между полуволновым наибольшим и соседним, меньшим, вибратором характеризуется параметром σ. Параметры τ и σ связаны между собой соотношением:
σ = 0,25 (1 – τ) ctgα,
где α представляет собой угол между осью антенны и линией, проходящей через концы вибраторов. Выбор параметров τ и σ носит компромиссный характер и влияет на число вибраторов и размеры антенны (на ее длину L между наименьшим и наибольшим вибраторами).
В соответствии с этим, в нашем случае при КНД=10, σ=0,17 τ=0,925. Следует отметить, что число вибраторов антенны N зависит, в основном, от значения τ, а ее размеры возрастают с увеличением σ. Кроме того, оптимальному значению σ соответствует минимуму коэффициента стоячей волны (КСВ), а при больших значениях σ диаграмма направленности становится многолепестковой.
Задав параметры σ и τ вычисляем угол α по формуле:
Следовательно, α=70
Для определения ориентировочной длины антенны L и числа вибраторов N находят ширину «активной» области антенны Bs, под которой понимают зону, где находится резонансный вибратор с двумя другими, примыкающими к нему, из соотношения:
Bs= B*Bar,
где B = fmax/fmin – заданный коэффициент перекрытия рабочего интервала частот, а Bar – коэффициент, характеризующий ширину «активной» области.
Зададимся коэффициентом Bar:
Bar=1,6
Тогда:
Поскольку длина самого длинного вибратора равна λmax/2, то длину антенны можно определить по формуле:
Необходимое число вибраторов можно найти из соотношения:
После этого рассчитываем длину вибраторов и расстояние между ними, начиная с самого длинного, равного половине максимальной длины волны рабочего интервала частот, по формулам:
ln+1=ln*τ,
dn=0.5(ln-ln+1)ctgα,
где dn – расстояние между двумя вибраторами с номерами n и n+1.
Расчет геометрии антенны производился с помощью программы MMANA.
Ниже на рис.2.1.1 приводится вид антенны после поведенной оптимизации.
Рисунок 2.1.1 Общий вид антенны.
На рис.2.1.2,2.1.3,2.1.4 представлены диаграммы направленности антенны, рассчитанные в свободном пространстве, на высоте λ/4 и на высоте 5м соответственно.
Рисунок 2.1.2. Диаграмма направленности антенны на частоте 4МГц.
Рисунок 2.1.3 Диаграмма направленности антенны 18МГц.
Рисунок 2.1.4 Диаграмма направленности антенны на высоте 5м.
Далее покажем, как ведут себя КСВ, усиление и Z в заданном диапазоне частот:
Рисунок 2.1.5 Графики зависимости усиления и коэффициента F/B от изменения частоты в заданном диапазоне частот.
Рисунок 2.1.6 График зависимости КСВ от изменения частоты в заданном диапазоне частот.
Рисунок 2.1.7 График зависимости активного и реактивного сопротивления от изменения частоты в заданном диапазоне частот.
По этим графикам можно сказать, что в заданном диапазоне частот мы добились необходимого усиления (14дБ), а КСВ не превышает отметки в 2.6.
2.2 Расчет антенной решетки
Далее проведем моделирование дуговой АР. АР состоит из четырех одинаковых ЛПА, рассчитанных выше. Угол между осями ЛПА , что соответствует 16-элементной кольцевой АР, внутренний радиус м.
Рисунок 2.2.1 - Элементная дуговая антенная решетка
Диаграммы направленности антенной решетки в горизонтальной плоскости, , приведены на рисунках 2.2.2-2.2.3.
Рисунок 2.2.2– Диаграммы направленности на частоте 3 МГц
Рисунок 2.2.3– Диаграммы направленности на частоте 9,5 МГц
В качестве питающего фидера используем двухпроводную линию передачи. Двухпроводная линия передачи представляет собой два провода, между которыми расположены изоляторы (рис.2.2.4). Сопротивление двухпроводной линии лежит в пределах 200-600-Ом и определяется как
Zл = 276 log10 (D/d),
где D – расстояние между центрами проводников,
d – диаметр проводников.
Электромагнитное поле сосредоточено как внутри, так и за линией (рис.2.2.5).Это обуславливает влияние на линию различных близлежащих предметов на расстоянии до 10D. Происходит увеличение излучения линии на высоких частотах из-за рассимметрирования антенны. При рассимметрировании, токи, протекающие в разных проводах линии находятся не в фазе, и не компенсируют друг друга, что приводит к излучению фидера. При использовании двухпроводных линий, провода которых проходят в диэлектрике, будем иметь больше потери в нем на ВЧ. Двухпроводная линия переносит режим работы с КСВ значительно легче. Действительно, она обычно выполнена из достаточно толстого провода, способного пропустить значительные токи, и большое расстояние между проводами защищает линию от пробоя.
Рисунок 2.2.4– Двухпроводная линия передачи
Рисунок 2.2.5– Электромагнитное поле двухпроводная линии передачи
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Курсовой проект по разработке фазированной антенной решетки для РЛС коротковолнового диапазона включает в себя следующие разделы:
В первом разделе было дано описание существующих конструкций и методов анализа облучателя и элемента передающей решетки.
Во втором и третьем разделах были сформулированы расчетные соотношения для определения геометрических размеров антенной решетки, КНД, диаграммы направленности.
В четвертом разделе была выбрана электрическая система ФАР.
В пятом разделе был произведен выбор геометрии излучателя и построены его диаграммы направленности в разных плоскостях.
В результате проделанной работы была разработана фазированная антенная решетка коротковолнового диапазона. По расчетным данным были построены диаграммы направленности ФАР, КНД и КПД, которые соответствуют нормам и стандартам.