1.2 Спосіб живлення випромінювача

Вібраторні ФАР частіше будуються за паралельною схемою живлення. Як фідери використовуються коаксіальні (у метровому і дециметровому діапазонах) або смужкові (у дециметровому і сантиметровому діапазонах) лінії.

Для симетрування і узгодження вібраторних випромінювачів ФАР з лініями фідерів застосовуються симетруючі і узгоджуючі пристрої. Найбільш широко використовуваними типами симетруючих пристроїв є чвертьхвильова щілина (мал. 2, а) (при жорсткому коаксіальному фідері) і U-коліно (мал. 4,6) (в разі гнучких коаксіальних і смужкових ліній). Рідше використовується хвилевідна лінія для збудження вібраторів ФАР при послідовній схемі живлення. Застосовуються також вібраторні ФАР з оптичним живленням: відбивні, такі, що складаються з випромінювача і приймальн-опередавальних вібраторних елементів, навантажених відбивними фазообертачами, і прохідні.

Проте вібраторні ФАР з оптичною схемою живлення мають ряд недоліків, пов'язаних з обмеженістю законів амплітудного розподілу, що реалізовуються, по випромінювачах і великими втратами із-за наявності некерованого випромінювання. Для здобуття кругової поляризації використовуються турнікетні або взаємно ортогональні вібраторні випромінювачі з квадратурним живленням.

Як дільники потужності у вібраторних ФАР з паралельним живленням використовуються кільця (на два канали)

Рис.2. Схематичне зображення симетруючих пристроїв

Рис.3. Топологія смужкових розв'язаних дільників потужності

Рис.4. До розрахунку характеристик вібраторних ФАР

і променеві (на чотири канали) резистивні дільники потужності (рис.3), а також нерозв'язані дільники потужності на два, рідше на більше число каналів [0.8]. Узгодження плечей 1, 2, 4, 5 променевого дільника забезпечується плавною зміною розмірів лінії 3, а для поглинання відбитої хвилі використовується вуглецева плівка 6 (рис.3,б) або резистор R (рис.3, а). У нерозв'язаних дільниках є значний взаємозв'язок каналів, внаслідок чого відбита від випромінювачів енергія, що виникає із-за їх розузгодження з трактом фідера в процесі сканування променем, проходить на вхід сусідніх випромінювачів і змінює первинний закон їх збудження, що зрештою спотворює ДН. Крім того, частина відбитої енергії проходить на загальний вхід ФАР, наводячи до її розузгодження. Схема з резистивними дільниками потужності в значній мірі вільна від цих недоліків. Поєднання кільцевих і променевих дільників потужності дозволяє розділити енергію від загального входу ФАР із заданим законом ділення на число, випромінювачів N= , де n і т—будь-які позитивні цілі числа. Крім того, резистивні дільники потужності зберігають свої характеристики в значній смузі частот (20... 50%).

1.3 Діаграма спрямованості випромінювача Діаграма спрямованості одиночного вібратора в загальному вигляді:

Fh():=1

Де k=2/-хвильове число, L-довжина плеча вібратора.

Діаграма спрямованості вібратора розташованого над ідеальним безконечним провідним екраном в загальному вигляді:

Де h-висота над екраном.

Для узгодження вібратора з навантаженням вибираємо довжину плеча: L=0.25*.

Вибираємо висоту над екраном: h=0.25*.

Тоді діаграма спрямованості вібратора розташованого над ідеальним безконечним провідним екраном має вигляд:

Рис. 5 ДН вібратора в E-площині

2. Розрахунок антенних решіток

2.1 Геометрія решіток

Найбільшого поширення набули лінійні і плоскі ФАР. Більшість плоских ФАР складаються з ідентичних випромінювачів, розташованих у вузлах плоскої координатної сітки з подвійною періодичністю. На мал. 5 показані прямокутна і трикутна (або гексагональна) сітки.

При елементарному розгляді передбачається, що ДН випромінювача, що знаходиться в решітках, не відрізняється від ДН ізольованого випромінювача. Збудження випромінювачів при гостронаправленому випромінюванні забезпечує синфазне складання полів в заданому напрямі і залежить від положення випромінювача в решітках:

Ф(_гл,_гл)=-k(x_nqcos_гл+y_nqsin_гл)sin_гл (2.1)

де k=2/— хвилеве число;

x_nq,y_nq — координати випромінювачів;

_гл,_гл— кути сферичної системи координат, що визначають напрям головного максимуму в просторі (мал. 6).

Решітку що складається з однакових випромінювачів, можна представити її характеристику спрямованості f(,) у вигляді створення характеристики спрямованості ізольованого випромінювача F(,) на множник решітки F_(,):

f(,)=F(,)*F(,) (2.2)

Мал. 5. Мал. 6.Система координат

Схематичне зображення способів розміщення випромінювачів

Де

F_(,)=_m,n=1A_mnexp[i(Ф_mn+Ф_mn^п)] ,

A_mn— амплітуда збудження елементу грат; Ф(_гл,_гл)=k(x_nqcos_гл+y_nqsin_гл)sin_гл — просторове фазове зрушення для напряму спостереження (,).

При розміщенні випромінювачів у вузлах координатної сітки з подвійною періодичністю синфазне складання полів окремих випромінювачів решіток можливо не лише у напрямі головного максимуму ДН, але і в інших напрямах, яким відповідає просторове фазове зрушення, компенсуюче зрушення фази між випромінювачами за рахунок збудження. В цьому випадку окрім головного максимуму існують ще і дифракційні максимуми вищих порядків, просторова орієнтація яких залежить від відстані між випромінювачами. При зменшенні цієї відстані число дифракційних максимумів, що знаходяться в області дійсних кутів, зменшується. Для нормальної роботи решіток необхідно, щоб в області дійсних кутів знаходився лише один головний максимум, а дифракційні були відсутні.

При використанні прямокутної сітки дифракційні максимуми вищих порядків відсутні, якщо відстань між випромінювачами у напрямі координатних осей задовільняє наступним умовам:

d_x/1/(1+sin_{x max}); d_y/1/(1+sin_{y max}) (2.3)

де —довжина хвилі;

_{x max}, _{y max}—максимальні кути відхилення променя в площинах ZOX і ZOY (див. мал. 6).

Для трикутної сітки відповідна умова має вигляд

d/(2/3)/(1+sin_max) (2.4)

Мал. 7. Діаграми спрямованості ідеального 1 і реального 2 випромінювачів, а також пелюстки множника грат 3

де _max—максимальное відхилення променя від нормалі до сітки. Наприклад, якщо _max=45, то для прямокутної і трикутної сіток отримуємо d_x=d_y=0,58 и d=0,68. Таким чином, використання трикутної сітки дозволяє збільшити відстань між випромінювачами і зменшити їх число зразкова на 13% в порівнянні з числом елементів в решітках з прямокутною сіткою.

Умови (2.3), (2.4) не враховують направлених властивостей випромінювачів сітки і визначають граничні відстані в сітках ізотропних випромінювачів. При обмеженому секторі сканування використання направлених випромінювачів дозволяє збільшити відстань між ними в порівнянні з визначуваним по (2.3), (2.4) і відповідно зменшити загальне число випромінювачів.

Дійсно, якщо ДН одного випромінювача решітки дорівнює нулю або близька до нього поза сектором сканування (рис.7), то можна допустити існування дифракційних максимумів вищих порядків в області дійсних кутів, збільшивши відстань між випромінювачами в порівнянні з (2.3), (2.4) і вимагаючи при цьому, аби при всіх переміщеннях променя дифракційні максимуми не потрапляли в сектор сканування. Оскільки характеристика спрямованості решітки виходить перемножуванням характеристики спрямованості випромінювача і множника грат, то дифракційні максимуми виявляться пригніченими, оскільки вони умножаться на малі або нульові значення характеристики спрямованості випромінювача.

При скануванні в конічному секторі кутів _max виграш в числі випромінювачів в порівнянні з решітками ізотропних елементів для трикутної і прямокутної сіток складе

N_изотр/N=(1+sin_max)²/4sin²_max.

Розрахунок множника решітки.

Множник решітки в загальному вигляді:

Де N–число випромінювачів

Ф(_гл,_гл)=–(x_nqcos_гл+y_nqsin_гл)sin_гл

k=2/— хвилеве число; x_nq,y_nq — координати випромінювачів; _гл,_гл—

к ути сферичної системи координат, що визначають напрям головного максимуму в просторі.

Для плоских гексагональних решіток N_x=14 N_y=12 отримаємо:

В H площини ДН визначається:

В E площини ДН визначається:

Де k=d/2–половина відстані між випромінювачами

h=d*3/2– відстань між рядками.

Грати гексагональні h>k, h(2/3)/(1+sin_max)0.786, k0.463

Підбором отримали h=0.688, k=0.397

Множник решітки в H площині.

Множник решітки в E площині.

ДН решіток з рівноамплітудним розподілом струму.

Діаграма спрямованості решітки дорівнює відтворенню діаграми спрямованості одиночного випромінювача на множник решітки: f(,)=F(,)*F(,).

У H площини ДН грат визначається:

У E площини ДН грат визначається:

ДН решітки в H площини з рівноамплітудним розподілом струму.

ДН грат з розподілом струму, що спадає до країв.

Рівень бічних пелюстків заданий –21дБ, а при рівно амплітудному розподілі струму рівень бічних пелюстків –17дБ (Для зменшення рівня бічних пелюстків потрібно ввести розподіл струмів випромінювачів, що спадає до країв решітки:

F_(,)=_m,n=1I()exp(iФ_mn)

Для рівня бічних пелюстків –21дБ, добре личить косинусоїдальний розподіл струму:

I()=+(1–)cos(/2),

Де =2x/L (x–координати випромінювачів, L–довжина решітки)

Для УБЛ=–21дБ, =0,15

ДН грат в H площині:

ДН решітка в E площині:

ДН решітка з розподілом струму, що спадає до країв, в H

площини.

ДН решітка з розподілом струму, що спадає до країв, в E площини.

Розрахунок сканування.

Максимальний кут сканування 26° При цьому вугіллі сканування ДН решітки має вигляд:

У H площини:

В E площини:

Висновок

В результаті проведеної роботи отримали наступні результати:

Довжина хвилі: =с/f=3*10⁸/1.4*10⁹= 0.214м

Розміри решітки: L_x= L_y =N_xh= 0.059*14= 0.124м

Коефіцієнт підсилення фазованої антенної решітки приблизно рівний КНД який визначається при ск=0:

D₀=4S/²=4L_xL_y/²,

для використаного амплітудного розподілу =0.9,

D₀=4**0.214*0.18*0.9/0.124²= 28.333 раз.

Ширина діаграми спрямованості на рівні 0.5 по потужності одиночного випромінювача: при ск=0 _E0.5=36.48.

Ширина діаграми спрямованості на рівні 0.5 по потужності одиночного випромінювача над ідеально провідним екраном: ск=0 _E0.5=40.4, _H0.5=78.72.

Ширина діаграми спрямованості на рівні 0.5 по потужності антенної решітки лінійних випромінювачів: при ск=0 _E0.5=10.7, _Н0.5=8.9. Рівень бокового пелюстка в Е площині = 0.16, а в Н площині = 0.2.

Застосування введення спадаючого до країв решітки розподілу струмів випромінювачів, дозволили зменшити рівень бокових пелюстків в Е площині = 0.02, а в Н площині = 0.13.

Список літератури

1. Хмель В.Ф. и др. Антенны и устройства СВЧ. Сборник задач. – К.: Выща шк., 1990.

2. Пособие по расчёту антенн сверхвысоких частот. Ч.1. Веселкова Г.П., Климов В.А., Манойлов В.Ф., Петров Б.М. - Таганрог, 1974.

3. Фомин А.А. Прокетирование элементов антенных решеток. Расчет электромагнитных полей неоднородных, анизотропных рефлекторов и экранов.: Учеб. пособие. - М., 1987.

4. Сборник задач по электродинамике. Батыгин В.В., Топтыгин И.Н. Изд. 2-е, перераб., учебное пособие. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", 1970.

5. Бова Н.Т., Черняк Л.И., Гойгивский В.А. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие по курсовой работе. - Киев, 1960.

6. Гастон М.А.Р. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ. Пер с англ. под ред. А.З. Фрадина. - М.: Связь, 1976.

7. Гупта К. и др. Машинное проектирование СВЧ устройств. - М.: Советское радио, 1987.

8. Демирчян К.С., Чечурин В.Л. Машинные расчёты электромагнитных полей. Учебное пособие для электротехн. и энерг. спец. вузов. - М.: Высшая школа, 1986.

9. Дмитриев В.И., Березина Н.И. Численные методы решения задач синтеза излучающих систем. - М.: Изд-во ун-та, 1986.

10. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер М. Машинные методы математических вычислений. - М.: Мир, 1980.

11. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П. и др. Коротковолновые антенны. - 2-е, перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985.

12. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решёток). Учебн. пособие для вузов. Д.И. Воскресенский, Р.А. Грановская, Н.С. Давыдова и др./ Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981.

13. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решёток. Под ред. Д.И. Воскресенского. - М., Радио и связь, 1994.

14. Антенны и устройства СВЧ. Бова Н.Т., Резников Г.Б. 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1982.

15. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решёток.: Учеб. пособие для студ. учеб. завед., обуч. по спец. "Радиотехника". Филиппов В.С. и др. Под ред. Д.И. Воскресенского. - М., Сов. радио, 1994.

Додаток 1. Програма розрахунку параметрів антенної решітки