Проектирование антенных систем СВЧ

Как видно из графиков требования ТЗ по боковым лепесткам (d= -17дб) и ширине ДН в главных плоскостях по уровню -3дб (DQXZ=100, DQYZ=200) выполняются в обоих случаях.  

 

3.2 Схема фазировки антенны.

Электрическое сканирование реализуется в многоэлементных антенных решётках. Различают фазовое, амплитудное и частотное сканирование. В фазовом способе сканирования регулируются только фазовые сдвиги на входах отдельных излучателей решётки при почти не меняющемся амплитудном распределении. В амплитудном способе сканирования перемещение луча осуществляется переключением входов многолучевой антенной системы, т.е. происходит коммутация парциальных ДН. При частотном способе электрического сканирования управление фазовыми сдвигами элементов антенной решётки происходит при изменении только одного параметра - частоты колебаний, что требует создания специальных частотно-зависимых схем возбуждения элементов решётки.   

Практическая реализация управляемых АР осложняется рядом специфических трудностей. К числу мешающих факторов относятся: появление фазовых ошибок в раскрыве из-за неточности действия управляющих устройств, из-за дискретности фазирования, рассогласования и взаимосвязи элементов при сканировании; появление дополнительных потерь мощности СВЧ в управляющих устройствах и т.д. 

Сканирование пространства осуществляется за счёт изменения фазы сигналов излучаемых вибраторами рис.9. Линейное изменение фазы по всей поверхности антенной решётки приводит к повороту луча в пространстве.  БУ- блок управления, вырабатывает сигналы  для фазовращателей всех антенных

каналов (исходя из необходимого угла поворота центра сектора сканирования).

 

 

 

 

    

 

 

 

При создании ФАР используются дискретные фазирующие устройства, с помощью которых фаза возбуждения в каждом излучателе может быть изменена только скачком на величину Dj, называемую дискретом фазирования. Обычно Dj=2p/М, где М=2р (р – целое число). Управление включением необходимого фазового сдвига обычно строится по бинарному принципу (рис.10). Проходной ФВ разбивается на р каскадов, каждый из которых может находиться в одном из двух состояний, характеризуемых фазовой задержкой 0 или p¤2m-1, где m – номер каскада. Для выбора любого из М=2р возможных фазовых состояний ФВ достаточно использовать только р управляющих сигналов, принимающих условные значения 0 или 1.       

 

 

При дискретном фазировании решётки точное значение фазы Фточ. Округляется до ближайшего дискретного значения Фдискр.:

Фдискр.=Dj×Е(0.5+Фточ./Dj),

где Dj - дискрет фазирования,

Е(х) - операция выделения целой части числа х.

Необходимый дискрет фазирования Dj (минимальное изменение фазы в одном ФВ) выбирается с учётом трёх основных факторов [1]:

1)  Снижения коэффициента  направленного действия, определяемого формулой

;

2)  Роста боковых лепестков

;

3)  Дискретности перемещения  луча при сканировании

.

Необходимо так выбрать дискрет фазирования Dj, чтобы

dmax£dзадан.;

dQmin£0.1×DQ0.5.

Этим условиям удовлетворяет Dj=p¤8, значит необходимо реализовать ФВ со сдвигами фаз: (0;p/8), (0;p/4), (0;p/2), (0;p).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Схемы ФВ антенны.

Дискретные ФВ представляют собой устройства с различными временными состояниями. Эти состояния цепи описываются токами и напряжениями, соответствующими различным по составу или значению элементам схемы в разные моменты времени при одной и той же топологии цепи. Для дискретных ФВ это различные значения полного сопротивления управляющих элементов в разных фазовых состояниях. Принцип работы  ФВ основан на скачкообразном изменении фазы проходящей или отраженной электромагнитной волны за счёт изменения электрической длины ФВ. Различают проходные и отражательные ФВ.

Отражательный ФВ представляет собой линейный двухполюсник без потерь, в котором воздействие управляющего сигнала на ключи приводит к дискретному изменению фазы отражённой электромагнитной волны.

Проходной ФВ представляет линейный согласованный по входу четырёхполюсник без потерь, в котором воздействие управляющего сигнала на ключи приводит к дискретному изменению набега фазы проходящей электромагнитной волны.

1.Проходные ФВ, в которых  изменение фазы коэффициента  прохождения осуществляется коммутацией различных периодически включенных в линию параллельных реактивностей - проходных шлейфных ФВ. На них реализуем сдвиги фаз (0;p/2), (0;p/4), (0;p/8).

2.Проходные ФВ, в которых  скачкообразное изменение фазы  проходящего сигнала достигается  переключением с помощью диодов  каналов с различной электрической длиной. Такие ФВ называются проходными с переключаемыми каналами. На них реализуем (0;p).

Проходной шлейфный ФВ (ПШФ).  

Одноступенчатый ПШФ представляет собой отрезок линии передачи с волновым сопротивлением r1 и электрической длиной Q1, который  нагружен с двух сторон на одинаковые параллельные проводимости Y (рис.11). 

Для четырёхполюсника без потерь Y=jB. Коммутируя два значения проводимости ВÎ(В1,В2), можно получить два значения коэффициента передачи с фазами j1 и  j2 и фазовый сдвиг Dj = j1- j2.

Реактивности Y реализуются обычно с помощью параллельных шлейфов, нагруженных на конце линии на pin-диод. В месте подключения шлейфов к основной линии образуется трансформатор. Эквивалентная схема такого ПШФ показана на рис.12 и представляет собой два параллельно включенных в линию передачи одноступенчатых отражательных ФВ (ООФ).

Методика синтеза такого ПШФ изложена в [2] и её можно сформулировать следующим образом:

1)  Для выбранного pin-диода с параметрами СД, r- и r+ из условия оптимизации

по потерям определяются значение волнового сопротивления отрезка линии  в которую включен pin-диод и y = arctg(`BC), где`ВС нормированная реактивная проводимость pin-диода:

    .

Возьмём pin-диод - 2А547А-3, его параметры:

r+=0.5 Ом, r-=2 Ом, Сд=0.8 пФ.

В результате получим r2 = 82 Ом (w=2pf, где f =1.4 ГГц) и y =0.52 (ВС=wСд, ВС=7*10-3, `ВС=ВС*r2=0.58)

2) Электрическая длина  отрезка линии ООФ определяется  из условия   оптимизации по  фазе:

.

Q2 = 2.09

3) Исходя из требуемого фазового сдвига определяются необходимая реактивность В, отношение волновых сопротивлений n12=r1/r0 и требуемый коэффициент трансформации n22 (трансформатор представляет собой отрезок линии передачи длиной в четверть длины волны и волновым сопротивлением r3, которое находится из выражения n22=r3/r0):

 

Для различных фазовых сдвигов получим следующие значения параметров:

а) Dj=p/2

`В = 1,   n1 = 0,84,   n2 = 2,02 (r1 = 35 Ом, r3 = 220 Ом).

б) Dj=p/4

`В = 0,41,   n1 = 0,96,   n2 = 1,82 (r1 = 46 Ом, r3 = 166 Ом).

в) Dj=p/8

`В = 0,19, n1 = 0,99, n2 = 1,59 (r1 = 49 Ом, r3 = 127).

4. Два ООФ необходимо включить параллельно в линию передачи на расстоянии Q1 = p/2 друг от друга.

 

 

ФВ на переключаемых линиях.

Принципиальная схема такого ФВ представлена на рис.13, схема построения на рис.14.

В простейшем случае четырёхполюсники представляют собой отрезки регулярных линий передачи длиной Q1 и Q2 (рис.12)  и фазовый сдвиг

Dj = j1 - j2 = Q1-Q2.

Реализуем ФВ на том же диоде 2А507А:

Dj = p = Q1-Q2, пусть Q1 = 9p/8, тогда Q2 = p/8.

r0 = 50 Ом.

 

Ячейка ФВ с установленными диодами приведена в приложении 1.

Размеры полосковых линий для различных сопротивлений рассчитываются по формулам приведённым в пункте 2.2:

r3 = 220 Ом Þ b = 0,16 мм, lЛ = 169 мм и lЛ/4 = 42 мм;

r3 = 166 Ом Þ b = 0,84 мм, lЛ=166 мм и lЛ/4 = 41 мм;

r3 = 127 Ом Þ b=1,7 мм, lЛ  = 164 мм и lЛ/4 = 41 мм;

r2 = 82 Ом Þ b = 3,65 мм, lЛ  = 161 мм, lЛ/4 = 40 мм и Q = 2.07 Þ l = 40 мм;

r = 50 Ом Þ b = 7,2 мм, lЛ = 158 мм, lЛ/4 = 39,5 мм, Q = 9p/8 Þ l = 72 мм  и

Q = p/8 Þ l = 10 мм;

r1 = 49 Ом Þ b = 7,4 мм, lЛ  = 158 мм, lЛ/4 = 39,5 мм и Q = p/2 Þ l = 39,5 мм;

r1 = 46 Ом Þ b = 7,8 мм, lЛ  = 158 мм, lЛ/4 = 39,2 мм и Q = p/2 Þ l = 39,2 мм;

r1 = 35 Ом Þ b = 11 мм, lЛ  = 156 мм, lЛ/4 = 39 мм и Q = p/2 Þ l = 39 мм.

 

 

 

Для подобной структуры можно составить таблицу состояний (табл.1), в левом столбце которой указан фазовый сдвиг, а в правой части соответствующий ему бинарный код:

Таблица 1

Dj	N
	1	2	3	4	5
0	0	1	0	0	0
p/8	0	1	0	0	1
p/4	0	1	0	1	0
3p/8	0	1	0	1	1
p/2	0	1	1	0	0
5p/8	0	1	1	0	1
3p/4	0	1	1	1	0
7p/8	0	1	1	1	1
p	1	0	0	0	0
9p/8	1	0	0	0	1
5p/4	1	0	0	1	0
11p/8	1	0	0	1	1
3p/2	1	0	1	0	0
13p/8	1	0	1	0	1
7p/4	1	0	1	1	0
15p/8	1	0	1	1	1
2p	0	1	0	0	0

 

В таблице:

N- номер контактной площадки для подачи управляющих сигналов;

Dj- требуемый фазовый сдвиг;

1-подача на контактную площадку IПР=80 мА;

0-подача на контактную площадку UОБР=10 В.

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Целью данного курсового проекта являлся расчет ФАР по некоторым известным параметрам, таких как: частота излучения, максимальные углы отклонения луча от нормали к решётке, уровень боковых лепестков и т.д. В качестве одиночного излучателя предлагался симметричный четвертьволновый вибратор. Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что полученные параметры ФАР практически не отличаются от заданных в ТЗ:

1. Для нормального луча DQ0.5Р XZ, град = 8,98, для отклоненного 9,65 град, в то время как по ТЗ DQ0.5Р XZ, град = 10.
2. Для нормального луча DQ0.5Р YZ, град = 18,22, для отклоненного 19,04 град, в то время как по ТЗ DQ0.5Р YZ, град = 20.
3. Максимальный угол отклонения луча Qm XZ = 29,6 град, Qm YZ = 28,33 град, в то время как по ТЗ Qm, град = 30.
4. Уровень боковых лепестков d для нормального луча в плоскости

 XZ = -17,4 дБ, в плоскости YZ = -21,1 дБ, в то время как по ТЗ –17 дБ.

 Максимальный уровень  боковых лепестков d для отклоненного луча в плоскости  XZ = -15,8 дБ, в плоскости YZ = -17,2 дБ, в то время как по ТЗ –17 дБ.

Характеристики ФАР удовлетворяют требованиям ТЗ.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1.Наймушин   М.П.,   Панченко  Б.А.,   Шабунин  С.Н.   Проектирование

антенных систем СВЧ: Методические указания и задания к курсовому проекту. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1993. 48с.

2.Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ фазовращатели и переключатели: Особенности создания на pin-диодах в интегральном исполнении. М.: Радио и связь, 1984. 184с.

3.Наймушин М.П. Согласование  линий передачи с нагрузкой: Учебное  пособие для вузов. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1999. 42с.

4.Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решёток: Учебное пособие для вузов / Филиппов В.С., Пономарёв Л.И., Гринёв Ю.А. и др.; Под ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1994. 592с.

5.Полосковые платы и  узлы: Проектирование и изготовление / Котов Е.П., Каплун В.Д., Тер-Маркарян А.А. и др.; Под ред. Е.П. Котова и В.Д. Каплуна. М.: Сов. радио, 1979. 248с.

6.Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные  приборы. Справочник / Баюков А.В., Титцевич  А.Б., Зайцев А.А. и др.; Под ред. Н.Н. Горюнов. М.: Энергоатомиздат, 1983. 744с.