Антенны и устройство СВЧ

Московский Авиационный  Институт

(государственный технический  университет)

 

 

Факультет Радиоэлектроники Летательных Аппаратов

кафедра №406.

 

 

Расчётно-пояснительная  записка

по курсовому  проекту 

по дисциплине «Антены и устройства СВЧ».

 

 

 

 

 

 

 

Проектировал: студент группы 04-317

Авдеенко С.А.

 

Консультировал: доцент

Максимов В.М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2003.

1. Введение.

 

 

В данной работе проводится проектирование линейной фазированной антенной решётки (ФАР) с электрическим  сканированием. Одна из самых важных задач проектирования — это нахождение оптимальной антенной решётки при заданных требованиях.

Антенная решётка — это система  излучателей, формирующая диаграмму  направленности какой-либо формы. У линейной ФАР излучатели располагаются на одной линии и управление луча осуществляется фазовращателем. ФАР имеет электрически управляемое фазовое распределение, то есть фаза поля в каждом последующем излучателе отличается от фазы поля в каждом предыдущем излучателе на одну и ту же величину — сдвиг по фазе между соседними излучателями по питанию. Изменяя эту величину, изменяется положение луча в пространстве. Это называется сканированием. При отклонении луча происходит его расширение. Сканирование позволяет осуществлять обзор пространства, обнаружение движущихся объектов и определение их координат.

Таким образом, главное преимущество антенных решёток с электрическим  сканированием заключается в том, что сканирование осуществляется при неподвижной антенне с более высокой скоростью, чем как у антенн с механическим сканированием. ФАР может произвести первоначальную обработку информации в самом тракте СВЧ.

ФАР применяют для  создания сканирующих остронаправленных  антенн, то есть таких антенн, у которых  больше коэффициент усиления, лучше  помехозащищённость и электромагнитная совместимость с другими радиотехническими системами. Решётки применяются в радиолокационных и радионавигационных станциях, в радиосвязи, в космосе и в других областях.

К недостаткам антенных решёток можно отнести то, что  они представляют собой очень сложные системы с большими габаритами и стоимостью, а также требуют сложных методик расчёта.

Применение таких устройств  как, например, фазовращателей и других дополнительных систем приводит к увеличению фазовых ошибок, тепловым потерям, к уменьшению коэффициента усиления.

Поэтому использовать ФАР  с электрическим сканированием  нужно только тогда, когда другие решётки не обеспечивают требуемых характеристик.

 

 

 

2.Расчёт геометрии излучающей  части антенной решетки.

 

 

 

рис.1 Схема ФАР

 

Определим габаритные размеры  решетки.

  2Q_г – это ширина ДН в горизонтальной плоскости,

  2Q_в  - это ширина ДН в вертикальной плоскости.

 

2Q_в  =68.8*l\L_y    2Q_в  =40

2Q_г =50.8*l\L_x        2Q_г =3

 

Находим размеры L_y и L_x   :

 

 L_x=542 мм

 L_y=55 мм

 

Находим размеры ячеек  решетки :

 

 а_р= L_y   а_р=55 мм

 d=l\(1+sin25^o)=22.5 мм

 b_р=d-2t= 20.5 мм

 t = 1 мм

 

 

 

 

Найдём колличество  излучателей :

 

N = L_x + 2t \ d         N = 24

 

Уточняем значение d по формуле :

 

d = L_x + 2t \ N          d = 22.6 мм .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчёт  диаграмм направленности .

 

а) Расчёт ДН одиночного излучателя в горизонтальной плоскости .

 

 

 

 

 

 

 

б) Расчёт ДН одиночного излучателя в  вертикальной плоскости.

 

 

 

 

 

 

 

в) ДН решетки при нулевом  отклонении луча от нормали.

 

 

 

 

 

 

Г) ДН решетки при отклонении луча от нормали на заданный угол сканирования.

 

4. Расчет тракта  СВЧ.

4.1. Выбор электрической  схемы антенны.

 

 

 

 Для возбуждения  излучателей ФАР используются  делители мощности оптического типа и в виде закрытого тракта.

 Схемы антенных  решеток с делителями оптического  типа бывают двух видов : проходные  и отражательные .В первом  случае энергия от облучателя  падает на коллекторную решетку  ,проходит через высокочастотные  цепи 

и фазовращатели ,а затем переизлучается в требуемом направлении другой решеткой .Во втором коллекторная и переизлучающая решетки совмещены. Мощность ,принятая от облучателя ,переизлучается в требуемом направле-

нии.

 Достоинством делителей  оптического типа является простота при большом числе излучателей .В качестве облучателей можно применять облучатели соответствующих зеркальных антенн ,в том числе и моноимпульсных облу-

чателей  для создания суммарно-разностных ДН .Преимуществом решеток отражательного типа является их конструктивное и эксплуатационное  удобство ,заключающееся в доступности излучающих элементов при настройке и замене с неизлучающей стороны решетки .В проходной решетке можно получить лучшие характеристики ,оптимизируя отдельно коллекторную и переизлучающую решетки .

 К недостаткам решеток с  оптическим спосбом возбуждения  элементов следует отнести “переливание”  энергии через края решетки  ,подобно тому как это имеет  место в зеркальных антеннах .Это  приводит к уменьшению коэффициента  использования поверхности и увеличению фона бокового излучения .

 Делители в виде закрытого  тракта выполняются по схемам  последовательного и параллельного  деления мощности .При последовательном  делении мощности фазовращатели  могут быть включены в боковые  ответвления фидерного тракта ,идущие к излучателям .В этом случае в каждый из N фазовращателей проходит 1/N мощности ,а потери мощности определяются потерями ,вносимыми одним фазовращателем. Недостатком данной схемы является различная электрическая длина пути от входа антенны до излучателей ,что может привести к фазовым искажениям на краях частотного диапазона .Для устранения фазовых искажений в боковые ответвления необходимо включать компенсационные отрезки фидера .

 При параллельной схеме деления  мощности ,которая также позволяет использовать маломощные фазовращатели ,общие потери мощности определяются потерями в одном фазовращателе и имеется возможность выравнивания длин отдельных каналов для обеспечения широкополосности .

 

Недостатком параллельной схемы является сложность согласования при делении мощности на большое число каналов .

 В качестве делителей мощности  могут использоваться различные  узлы: волноводные и коаксиальные  тройники ,волноводные мосты ,направленные  ответвители на связанных полосковых  линиях ,а также кольцевые  резистивные делители мощности на полосковых линиях .

 Примером фидерной системы  ,поглощающей отраженную волну  и обеспечивающей развязку излучателей  ,является делитель мощности ,в  котором в качестве элементов  связи используются направленные  ответвители. Волны ,отраженные от излучателей ,проходят на вход антенны или поглощаются в нагрузках направленных ответвителей ,но не переизлучаются излучателями .

 Анализируя написанное выше ,приходим к выводу ,что для  нашей ФАР подходит схема (рис.2) последовательного деления мощности в виде закрытого тракта в которой в качестве элементов связи используются направленные ответвители .

 

 

 

 

 

 

рис.2 Электрическая схема антены.

 

 

 

 

4.2. Выбор  поперечного сечения волновода  .

 

Расчитаем размеры волновода. Размеры волновода выбираются исходя из следующих условий : 0,6l<а<0,9l , b<0,5l , b =a/2 , где   a  и b – размеры широкой и узкой стенки волновода , соответственно.

 Исходя из выше приведённых  формул находим : 1.92см<а<2.88см ; b<1.6см.

Выбираем волновод размерами 22мм * 10мм ,толщина стенки =1 мм.

 

 Необходимо уточнить ,что выбор размера b ограничен величиной пробивного напряжения ,то есть неогранниченном уменьшении  этого размера может наступить электрический пробой. Предельная мощность, пропускаемая волноводом с воолной H₁₀ определяется соотношением:

 

 

 

Kсв= 1\ Кбв = 1.3

 

 Взяв Е_мax =30кВт/см – напряжонность электрического поля, при которой происходит пробой в воздухе, получим :

 

Р_max=500кВт.

 

Допустимая передаваемая мощность по волноводу определяется как :

 Р_доп=(1\3  ~ 1\5)Р_max;

 Р_доп=100кВт.

 

Вывод : заданная мощность (30кВт) меньше допустимой передаваемой, при размерах волновода:

 а=22мм;

 B=10мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3. Расчет  направленных ответвителей.

 

Расчёт коэффициентов  связи:

n – номер направленного ответвителя

N – кол-во излучателей

Ln – длинна щели

h - ширина щели

 

h=l*0.0384

h=1.2288мм

С_n=1/[N-(n-1)]

Значения Ln  и h определяется по графику [1. стр.244]

 

 

       

 

 

                                        Рис.3  Направленный ответвитель.

 

 

 

 

 

 

 

 

n	Cn	Cn, дБ	ln,мм
1	0.042	-13,768	8,64
2	0.043	-13,665
3	0.045	-13,468
4	0.048	-13,188
5	0.05	-13,01
6	0.053	-12,757	8,96
7	0.056	-12,518
8	0.059	-12,291
9	0.063	-12,007
10	0.067	-11,739
11	0.071	-11,487	9,28
12	0.077	-11,135
13	0.083	-10,809
14	0.091	-10,41
15	0.1	-10
16	0.111	-9,547	10,56
17	0.125	-9,031
18	0.143	-8,447
19	0.167	-7,773
20	0.2	-6,99
21	0.25	-6,021	13,12
22	0.333	-4,776
23	0.5	-3,01
24	1	0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4. Расчёт волноводного  моста.

 

 

 

 

 

Рис.4 Волноводный мост.

 

 Этот мост представляет  собой два прямоугольных волновода  с общей стенкой l, которая вырезается. И получается прямоугольный волновод размером А*b. Размер А выбирается так, чтобы в волноводе распространяющимися были волны Н₁₀ и Н₂₀. Таким образом l <А< 1.5l.

 Расчитаем длину моста [3, стр.44] :

 

.

А=2а+2t= 44+2=46мм ,что соответствует А=1.43l.

 

Расчитываемм коэффициент волны  Н₁₀ [ 3, cтр.43] :

 

 

   Kzh10=0.13

 

 

    K=0.19625

    

  Длина моста  l=27мм.

4.5. Расчёт отражающего  фазовращателя.

 

 

Рис.5  Отражающий фазовращатель.

 

 Фазовращатели СВЧ предназначены  для изменения фазы отраженной  или проходящей волны на требуемую  величину. Различают проходные и  отражательные фазовращатели СВЧ.

 Расстояние между диафрагмами  дэльта l выбирается от требуемого дискрета фазы, в нашем случае он равен 3.14\2 ,то есть 90⁰ :

 

 

 Kzh10 определяется из  формулы в предыдущем пункте K_zh10=0.13 находим дэльта l :

 

 

Расчитаем размеры щелей в отражающем фазовращателе. В случае равномерного амплитудного распределения, когда  излучаемая антеной мощность делится  поровну между щелями, амплитуда  напряжения в пучности равна :

 

 

,где Р- подводимая к антене мощность

       N_щ- число щелей =2N

       G_S- проводимость излучения щели

       R_S- cопротивление излучателя

 

 G_S=0.00093

R_S=73.1 Ом

 U_m=1159 B.

 

Ширина щели определяется из формулы :

 

d₁=0.77 мм.

 

Длину щели можно найти  полльзуясь графиком [ 4, стр.120 ]:

x₁=a\2=11мм , x₁\l=0.3437 , 

d\l=2.41*10^-2

l\l=0.244 , следдовательно  длина щели l=0.244*32=7.8мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.6. Выбор поглащающей  нагрузки.

 

 Выберем волноводную  нагрузку, выполненную из радиопоглащающего материала. Берем ферроэпоксидную нагрузку. Качество нагрузки зависит от длинны  l [ 3 ,cтр.34 ].