Проектирование антенных систем СВЧ

Министерство образования и науки РФ 
УГТУ-УПИ 
Кафедра ВЧСРТ 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Проектирование антенных

систем СВЧ

Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу

"Антенны и устройства СВЧ"

 

 

 

 

 

Преподаватель Баранов С.А.

 

Студент Черновалов А.Д.

Группа РТ–415

 

 

 

 

 

Каменск-Уральский

2005

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….3

1. Исходные данные и  задание на проектирование.…..……………………….5

2. Расчет основных конструктивных  элементов антенны и

линии передачи……………………….…………………….….……………..….6

2.1 Выбор типа ЛП, расчет конструктивных и электрических

параметров..………………………………………………….………………..….6

2.2 Расчет геометрии размеров  решетки и числа элементов ..…….………….10

1. Схема питания антенны….……………………………………………….11

3. Электрические характеристики  антенны..…………………….……………..13

3.1 Диаграммы направленности  антенны………………………….……………13

3.2 Схема фазировки антенны  ………………………………………………..…13

3.3 Схемы фазовращателей  антенны ...…….……………………………………15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………..…………….….……………………...20

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………...…………..…………..21

ПРИЛОЖЕНИЕ 1  Конструкция фазовращателя…………………………22

ПРИЛОЖЕНИЕ 2  Распределение тока по элементам решётки…………23

ПРИЛОЖЕНИЕ 3  Схема распределения тока по элементам решётки…24

ПРИЛОЖЕНИЕ 4  Диаграммы направленности АР для нормального

положения луча в плоскости XZ……………….…….25

ПРИЛОЖЕНИЕ 5  Диаграммы направленности АР для нормального

положения луча в плоскости YZ……………………..26

ПРИЛОЖЕНИЕ 6  Диаграммы направленности АР для

отклонённого луча в плоскости XZ…………….…….27

ПРИЛОЖЕНИЕ 7  Диаграммы направленности АР для

отклонённого луча в плоскости XZ………….……….28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Антенная решетка (АР) представляет собой группу излучающих элементов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, причем токи в каждом элементе, в общем случае, имеют определенную амплитуду и фазу. Поле решетки определяется путем суперпозиции полей отдельных элементов. Это приводит к представлению суммарного поля в виде ряда. Принудительное изменение фаз в элементах АР приводит к перемещению луча антенны в пространстве – сканированию. Антенны такого класса называется фазированными антенными решетками – ФАР.

Для формирования узконаправленного излучения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и обеспечения возможностей управления лучом в некотором пространственном секторе углов необходимо использовать двумерную (поверхностную) решетку излучателей.

Многоэлементные антенные решетки были предложены давно, но из-за сложности фидерной системы и трудностей настройки применялись значительно реже, чем, например, зеркальные антенны. Однако в последнее время интерес к антенным решеткам значительно возрос, так как благодаря разработке ряда новых высокочастотных элементов появились возможности реализовать на практике новые способы формирования и управления диаграммой направленности, обусловленные многоэлементностью решеток.

Диаграмма направленности антенной решетки определяется амплитудами и фазами возбуждения излучателей, поэтому путем независимого регулирования этих величин (при помощи фазовращателей, аттенюаторов и других элементов, помещаемых в трактах излучателей) можно получить любую требуемую диаграмму направленности и управлять ее параметрами без изменения конструкции или механического перемещения антенны.

Применение схем построения антенных решеток с повышенной частотной чувствительностью положения максимума излучения позволяет создать антенны с качанием луча (как в одной, так и в двух плоскостях) за счет изменения частоты. Частотное качание луча является простейшим способом немеханического управления диаграммой направленности.

Задача повышения излучаемой мощности в случае антенных решеток довольно просто решается при размещении в каналах излучателей независимых усилителей ВЧ мощности (в частности, выполняемых в виде единого блока с управляемыми фазовращателями). При этом мощность, передаваемая по отдельным каналам, сохраняется невысокой и не возникает проблемы повышения электрической прочности фидерного тракта.

Весьма актуальная задача снижения общего числа излучателей (а следовательно, и управляющих элементов) фазированных решеток без существенного ухудшения параметров антенны (уровня боковых лепестков и ширины диаграммы направленности, сектора качания луча) успешно решается применением решеток с неэквидистантным (разреженным) расположением излучателей.

Расположение излучателей решетки по криволинейным поверхностям открывает дополнительные возможности формирования диаграммы направленности, в том числе неизменной по форме при широкоугольном качании луча.

Из сказанного ясно, как важны и актуальны задачи, решаемые при помощи антенных решеток. Неудивительно, что количество работ, посвященных антеннам этого типа, неуклонно растет и достигает многих сотен наименований.

В данном курсовом проекте рассмотрена пассивная ФАР, в которой в качестве излучателей используются полуволновые вибраторы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Исходные данные и задание на проектирование.

 

Целью данного курсового проекта является разработка фазированой антенной решотки (ФАР) по заданным в ТЗ параметрам.

 

Исходные данные для расчёта:

Плоская фазированная антенная решётка с дискретным фазированием.

Тип излучателя - симметричный вибратор.

Область сканирования- конус.

Частота, ГГц – 1,4

Ширина диаграммы направленности в плоскости XZ, град - 10

Ширина диаграммы направленности в плоскости YZ, град - 20

Уровень боковых лепестков, дБ - 17

Максимальный угол отклонения луча, град - 30

Мощность передатчика в импульсе, кВт - 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        

2. Расчет основных конструктивных элементов антенны и линии передачи.

 

2. Выбор типа ЛП, расчет конструктивных и электрических параметров излучателя.

 

Выбор ЛП.

Практически все аналогичные устройства выполняются на несимметричных полосковых линиях (НПЛ), геометрия которых для данной диэлектрической подложки определяется ее толщиной h, шириной полоскового

 

Рисунок 1.

 

Поэтому  необходимо так подобрать размеры НПЛ, чтобы обеспечить необходимые нам параметры, а также механическую прочность и реализацию. Рассчитаем их при ε = 2,1 (фторопласт):

εЭФ = 0,5(ε+1) + 0,5(ε-1)(1+10b-1h)-0.5 = 1,83.

ρ = 314εэф-0,5(1+bh-1) -1 *(1-h-1t)  РКР = 1,7ЕКР2h2(t/h)(3,5+2b/h)√ε

Откуда получим: ρ = 50 Ом, РКР = 3,3 ГВт, ширина полоски b = 7,2 мм, толщина диэлектрика h = 2,1 мм, толщина напыления (полоски) t = 0,1 мм.

 

Расчет параметров одиночного излучателя.

Вибраторные излучатели в ФАР 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 решётке и положение относительно проводящего экрана. Уменьшение шага решётки позволяет не только подавить высшие дифракционные максимумы, но и улучшить согласование в широком секторе углов сканирования. Изменение высоты подвеса вибраторного излучателя над экраном приводит к улучшению согласования в крайних положениях луча при сканировании в плоскостях Е и Н.

Параметры одиночного излучателя (вибратора) нужно выбирать таким образом, чтобы ширина его ДН по уровню –3дб превышала ширину сектора сканирования луча 2Qm:

DQ-3дб > Qm

Qm=300 Þ 2Qm=600

ДН полуволнового вибратора рассчитывается по следующей формуле:

где d- расстояние между осью вибратора и экраном (см. рис.3).

Обычно d выбирается из условия: 0,25l<d<0,35l. Возьмем d = 0,35l

d = 75 мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Конструкция вибратора на ФАР

Вибратор располагается на расстоянии d=0,35l, т.е. для l=214 мм,

d = 75 мм (см. рис. 3). Входное сопротивление полуволнового вибратора составляет 73.1+j32 Ом.

Для подвода мощности к излучателю от НПЛ используем жесткий закрытый волновод круглого сечения (коаксиальная линия передачи), причем КЛП также будет являться и механической опорой для вибратора.

Рисунок 3.

DК (внутренний диаметр внешнего проводника) = 10 мм;

dК (диаметр внутреннего проводника) = 4,35 мм.

 

Т.к. КЛП, также как и НПЛ имеет волновое сопротивление 50 Ом, то она не требует дополнительного согласования с НПЛ, причём сплошной металлический проводник НПЛ электрически соединен с экраном ФАР.

В связи с тем, что заполнение КЛП воздушное, то необходимо поддерживать внутренний проводник в центре, для сохранения структуры КЛП. Для этого воспользуемся диэлектрической шайбой из полистирола (er=2.5) рис.4 (В - толщина шайбы, dШ - внутренний диаметр шайбы).

Рисунок 4.

внутреннего проводника и, соответственно, внутренний диаметр шайбы. Из формулы (1) находим необходимый диаметр dШ = 2,7 мм. Толщину шайбы нужно брать как можно меньше, т.к. в полистироле потери больше чем в воздухе, но в тоже время не бесконечно тонкую, иначе шайба станет механически непрочной. Поэтому выберем оптимальную толщину В = 3 мм. Шайбу установим в верхней части КЛП (ближе к резонатору).

Из-за разницы в сопротивлениях антенны и КЛП необходимо согласование нагрузки с линией передачи.

 

 

Пояснение к согласованию отображено на рис.5:

  ZК= 50 Ом,

  ZА=73,1+j32 Ом,

`ZА=ZА/ZК=1.46+j0.64.

Коэффициент отражения находим по формуле . Коэффициент стоячей волны   находим по формуле: КСВ = (1+Г)/(1-Г) = 1,9.

            Рисунок 5.

Для выполнения условия согласования необходимо чтобы в точке подключения трансформатора напряжение или ток имели минимум или максимум. Найдем это расстояние:

Т.к. вибратор симметричный, а ЛП несимметричная, то появляется паразитный ток IП (рис. 6), который создаёт ортогональную поляризацию, его необходимо блокировать.

Рисунок 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Расчет геометрических  размеров решетки и числа элементов

 

Шаг решётки (расстояние между соседними излучателями) выбирается с таким расчётом, чтобы побочный, главный максимум решётки не входил в главный лепесток одиночного излучателя при максимально отклонённом луче:

 

D = 0.67l= 143 мм – шаг решётки.

Исходя из заданного уровня боковых лепестков (d= -17 дб), можно, пользуясь табл.3.1[1], выбрать закон распределения возбуждения (тока) по элементам решётки:

Выберем cos2 на пьедестале, для d= -17дб :

,

,

А - размер ФАР по оси Х, 

В - размер ФАР по оси Y.

Число излучателей по стороне Х: nX = A/D + 1 = 1156/143 +1 = 9,01

Число излучателей по стороне Y: nY = A/D + 1 = 578/143 +1 = 5,04

Т.к. количество излучателей должно быть 2м, то nX = 16, nY = 8

Пересчитаем размеры решетки: A = 143(16-1) = 2145 мм, В= 143(8-1) = 1001 мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Схема питания  антенны

 

Исходя из закона возбуждения тока по элементам решётки, рассчитаем распределение тока (а значит и мощности) по элементам решетки. Расчет производиться по формуле:

  ,

при Δx = Δy = 0,7.

Результаты расчета в приложении 2.

В качестве делителей мощности для создания требуемого распределения воспользуемся реактивным параллельным делителем мощности (тройниковым делителем) рис.7. Все входные линии имеют одинаковые волновые сопротивления r. К точке разветвления подключены четвертьволновые трансформаторы с волновыми сопротивлениями r1, r2, r3.

Пусть r0=50 ОМ = r1, тогда r2=80 ОМ и r3=64 ОМ

 

Величина eэф зависит от геометрии НПЛ, а длина волны в линии от eэф:

, поэтому длина трансформаторов  будет различной.

В качестве материала диэлектрика возьмём фторопласт (e=2,1) толщиной 2,1 мм, и проведём расчёт такой полосковой линии по формулам:

,

Имеем: r1 = 50 Ом Þ b = 7,2 мм, λЛ/4 = 39,6 мм,

r2 = 80 Ом Þ b = 3,8 мм, λЛ/4 = 40,2 мм,

r3 = 64 Ом Þ b = 5,2 мм, λЛ/4 = 39,9 мм.

Аналогичным образом рассчитываются делители на остальные излучатели.

Рисунок 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Электрические характеристики антенны

 

1. Диаграммы направленности.

 

По формулам 2.4, 2.5 и 2.6 из [1] с помощью ЭВМ были построены ДН антенны: для нормального луча в плоскости XZ (приложение 4), нормального луча в плоскости YZ (приложение 5), отклонённого на Qm луча в плоскости XZ (приложение 6) и отклонённого на Qm луча в плоскости YZ (приложение 7). После расчетов возникла необходимость изменить размеры ФАР для достижения необходимых результатов: расстояние между элементами D стало равным 85 мм, размер решетки А = 85(16-1) = 1275 мм, В = 85(8-1) = 595 мм.