Линейная ФАР с рупорными излучателями

В качестве делителей мощности могут  быть использованы волноводные мосты, направленные ответвители и другие подобные устройства.

Если рассматривать влияние  рассогласования излучателей на форму диаграмм направленности и режим работы фидерной системы, то отражения в цепях питания излучателей можно рассматривать в виде следующей схемы: плоская волна, идущая с направления, которое зеркально направлению главного максимума, возбуждает излучатели, а далее происходит переотражение волн, возбуждаемых в фидерной системе от излучателя и делителя мощности. Если в решетке большое число излучающих элементов, то коэффициенты отражения можно считать примерно равными между собой и равными коэффициенту отражения бесконечной решетки. Что происходит с отраженными волнами? Они частично проходят на вход антенны, а частично возвращаются к излучателям, попутно вновь проходя через фазовращатели. Эти волны опять частично излучаются и отражаются, порождая бесконечный цикл. Излучение каждой повторной волны дает дополнительный боковой лепесток в диаграмме направленности.

Примеров фидерной системы, которая  поглощает отраженную волну и, что  очень важно, обеспечивает развязку излучателей, является делитель мощности, у которого направленные ответвители использованы в качестве элементов связи. Рисунок такой системы, у которой только вместо проходных фазовращателей использованы отражательные, представлен ниже. Принцип работы таков: волны, которые отражаются от излучателей, или проходят на вход антенны, или поглощаются в нагрузках направленных ответвителей, но не переизлучаются излучателями. Такой принцип работы делает данную систему оптимальной из всех представленных.

Оценив все преимущества и недостатки, была выбрана последовательная не резонансная (с нагрузкой) схема питания с фазовращателями отражательного типа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электрическая схема проектируемой  ФАР:       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет делителей  мощности (энергетический метод расчета)

Относительная мощность излучения  любой n-ой щели рассчитывается по формуле:

 квадрат заданного распределения  амплитуды по раскрыву.

Принимаем Тогда КПД антенны

На входе мощность принята за единицу.

 коэффициент связи щелей  с волноводом.

N=13 (излучателей)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет отражательного фазовращателя

Типичная конструкция отражательного фазовращателя имеет вид, изображенный на рисунке ниже:

Такой фазовращатель требуется  для изменения фазы проходящей волны  на заданную величину. Характерным  параметром, определяющим конструктивную схему фазовращателя, является величина L, которая определяется из заданного дискрета фазы через соотношение

где – продольная постоянная распространения волны в волноводе.

_{По заданию} 

Расчетная формула для

 

 

 

 

 

 

 

Выбор поглощающей  нагрузки

В данном проекте применяются клиновидные  ферроэпоксидные нагрузки. Главным  ее параметром является длина, расчет которой приведен ниже:

 

 

Длина волны в волноводе:

Искомая длина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет результирующего  коэффициента отражения

При работе рупорной антенны неизбежно  возникает отражение, которое происходит в двух плоскостях: от горла и  от раскрыва. Расчет производится так:

Рассчитаем коэффициент отражения от раскрыва :

Постоянная распространения в волноводе:

 

И соответственно

Найдем коэффициент отражения от горла. Расчет коэффициента отражения от горла производится через эквивалентное сопротивление излучения и затрагивает непосредственно геометрические параметры рупорной антенны. Для начала найдем эквивалентное сопротивление излучения для H-секториального рупора:

 

Рассчитаем сам коэффициент  отражения от горла:

Результирующий коэффициент отражения  рассчитывается через соотношение

Параметр  определяется их равенства:

Эта функция определяет вероятность  появления модуля суммарного коэффициента отражения при исследовании на фиксированной  частоте множества экземпляров  одного и того же тракта.

параметр расчета:

Где:

Отсюда получаем

И

И наконец:

И в завершении проверим КБВ:

В заданное КБВ (0.75) попали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет характеристик  решетки

Расчет КНД решетки

 КНД одиночного излучателя:

где 

 – коэффициент использования  поверхности (КИП) антенны.

Подставим значения в итоге имеем:

  
КНД решетки:

 

Расчет КУ решетки

КУ=КНД КПД – коэффициент усиления антенны. 

 

 

 

 

Описание конструкции  системы

Условно всю рассчитываемую систему  можно разделить на четыре основные части: излучательный рупор, фазовращатель, направленных ответвителей и поглощающая нагрузка. Начнем последовательное их описание. Для удобства можно воспользоваться принципиальной схемой антенны.

На своем пути от генератора к излучательному рупору волна проходит через направленный ответвитель. Основное назначение направленного ответвителя – разделить идущую по волноводу мощность волны в заданном соотношении между  третьим и четвертым плечами, оставив второе плечо без мощности. В нашем случае в качестве направленного ответвителя был выбран двухдырочный направленный ответвитель в виде моста СВЧ.

 

Отделившись от основного волновода, часть мощности волны пойдет по направлению  к фазовращателю. Фазовращатель  используется для изменения фазы проходящей через него волны на заданное значение. В данной антенне был использован дискретный отражательный фазовращатель на основе полупроводникового выключателя. Данное фазоизменяющее устройство состоит из ряда диафрагм с n-i-p-i-n диодами. Расстояние между такими пластинами было рассчитано в соответствующем разделе данной работы на основании заданного дискрета изменения фазы.

Что касается нагрузки, то они могут  иметь различные формы, к примеру, клиновидные или экспоненциальные. Идеальная нагрузка имеет нулевой коэффициент отражения, что говорит о полном выделении на ней отраженной мощности. Основными параметрами нагрузки является ее длина и форма. Если нагрузка экспоненциальная, то ее длина существенно меньше длины волны, в противном же случае ее длина выбирается примерно равной .

Излучателем является рупорная антенна, которая образуется в результате расширения прямоугольного или круглого волновода. При расширении прямоугольного волновода в одной плоскости  образуется секториальный рупор. В  данном курсовом проекте был выбран H-секториальный рупор. Материал рупора – медь.

Так как  антенная решетка устанавливается  на корабле, автомобиле, ЛА необходимо обеспечить защиту от внешних воздействий  уменьшить аэродинамическое, установив  радиопрозрачный обтекатель, выполненный из полиамидного пластика, армированного кварцевым волокном.

 

 

 

 

Список литературы:

1.  «Антенны и устройства СВЧ.  Проектирование фазированных антенных  решеток», Под ред.      Д. И. Воскресенского, М.:  Радиотехника, 2003.

2. «Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток»,  Под. ред.     Д. И. Воскресенского , М.:  Радиотехника, 1994.

3. «Антенны и устройства СВЧ.  Расчет и проектирование антенных  решеток и их излучающих элементов». Под ред. Д.И. Воскресенского. М: Радио и связь,1981.

4. «Антенны и устройства СВЧ.»  Под ред. Д.И. Воскресенского. М:  Советское радио,1972.

5. «Справочник по элементам волноводной  техники». А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич. М.-Л. Госэнергоиздат, 1963.

6. «Антенны и устройства СВЧ». Д.М. Сазонов. М.: Высшая школа, 1988.