Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Волноводно-щелевые антенны, получаются при прорезании щелей в волноводах, они являются одним из видов линейных (плоских) многоэлементных антенн и обеспечивают сужение диаграммы направленности (ДН) в плоскости, проходящей через ось волновода.

Основными преимуществами таких антенн являются: - ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность волноводно-щелевой антенны может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата, не внося при этом дополнительного аэродинамического сопротивления (бортовая антенна); - в таких антеннах распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах поэтому могут быть реализованы оптимальные ДН; - щелевая антенна имеет сравнительно простое возбуждающее устройство. Кроме того, она проста в эксплуатации.

Один из недостатков в волноводно-щелевых антеннах является ограниченность диапазонных свойств. При изменении частоты в сканирующей волноводно-щелевой антенне происходит отклонение луча в пространстве от заданного положения, сопровождающееся изменением ширины диаграммы направленности и ее согласования с питающим фидером.

1. Цель и задачи исследования

Целью дипломной работы является проектирование волноводно-щелевой фазированной антенной решетки СВЧ диапазона.

Главные задачи исследования:

  1. Рассмотреть основные особенности распространения радиоволн СВЧ диапазона, использующиеся в волноводно-щелевых антеннах;
  2. Изучить основные понятия и особенности фазированных антенных решеток;
  3. Выполнить проектирование волноводно-щелевой фазированной решетки СВЧ диапазона.

2. Обзор литературы

2.1 Основные принципы распространения радиоволн в атмосфере

Распространение радиоволн в атмосфере зависит от следующих основных факторов: длины волны, кривизны земли, характера почвы, состава атмосферы, времени дня и года, состояния ионосферы, магнитного поля земли, метеорологических условий.

В атмосфере, окружающей земной шар, выделяют две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу. Тропосфера–это приземной слой атмосферы, простирающийся до высоты примерно 10–15 км. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности. Ее электрические параметры зависят от метеорологических условий.

Ионосфера&ndashобласть атмосферы в пределах 60 км–300 км над земной поверхностью [1]. На этих высотах плотность газа весьма мала и газ ионизирован, то есть имеется большое число свободных электронов (примерно 103 - 106 электронов в 1 см3 воздуха). Наличие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы [1].

Таким образом, выделяют два типа радиоволн по способу распространения в атмосфере: - поверхностные; - пространственные.

Поверхностные радиоволны – это радиоволны, распространяющиеся непосредственно над поверхностью Земли и огибающие ее вследствие явления дифракции, что показано кривой 1 на рис. 1.1 [1]. Пространственные радиоволны делятся на тропосферные и ионосферные.

Тропосферные радиоволны распространяются благодаря отражению или рассеянию от неоднородностей (или «зерен») тропосферы, что показано кривой 2 на рис.1.1.

Ионосферные радиоволны распространяются с помощью многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли (кривая 3 на рис. 1.1). Благодаря тому, что ионосфера является неоднородной средой, радиоволны рассеиваются в ней, это обусловливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния.

Пути распространения радиоволн в атмосфере

Рисунок 1 – Пути распространения радиоволн в атмосфере

В ионосфере радиоволны могут отражаться, поглощаться, а также изменять свою траекторию. При воздействии переменного поля падающей волны свободные электроны ионосферы совершают колебательное движение и в ионосфере возникают токи. Токами положительных ионов обычно пренебрегают вследствие их малой по сравнению с электронами подвижностью. Во время движения электроны сталкиваются с молекулами и отдают им кинетическую энергию, полученную от поля радиоволны. Происходит переход энергии радиоволны в тепловую энергию. Длинные волны в ионосфере поглощаются больше, чем короткие, так как чем длиннее волна, тем больший путь проходят электроны при колебаниях за половину периода, тем больше столкновений происходит на этом пути и тем больше поглощение.

2.2 Особенности построения многощелевых волноводных антенн

Многощелевые волноводные антенны представляют собой решетки из многих излучающих щелей, питаемых общим волноводом, и применяются преимущественно в качестве бортовых остронаправленных антенн. Чаще всего используются полуволновые резонансные щели, располагаемые различным образом на широкой или узкой стенках обычного прямоугольного волновода с типом волны H10 [3]. Возбуждение одиночной щели в волноводе происходит тогда, когда она своей широкой стороной пересекает электрические токи, текущие по внутренним поверхностям стенок волновода. При распространении волны H10 в прямоугольном волноводе имеются две составляющие магнитного поля [3]:

Типы щелей, используемых в волноводно-щелевых антеннах

Рисунок 2.1 – Типы щелей, используемых в волноводно-щелевых антеннах

Расположение крестообразной щели вправо или влево относительно оси волновода позволяет выбирать правое или левое вращение круговой поляризации. Крестообразные щели могут выполняться также из двух наклонно-смещенных щелей с общим центром, ориентированных под углом 45° и перпендикулярных между собой. Такие щели имеют более широкие конструктивные возможности.

Для возбуждения щелей в волноводе иногда используются специальные реактивные элементы. Рассмотрим, например, продольные полуволновые щели 5, расположенные точно по средней линии волновода как показано на рис. 2.2. Для возбуждения таких щелей рядом с их центром устанавливают емкостные штыри с регулируемой глубиной погружения в волновод (на резьбе). Поле распространяющейся волны H10 наводит в штыре электрический ток, как в приемном несимметричном вибраторе. Этот ток продолжается и на широкой стенке волновода, растекаясь радиально вокруг основания штыря. Часть тока пересекает щель и возбуждает её. Направление тока изменяется на противоположное, если переместить штырь на другую сторону щели. Тогда фаза возбуждения щели изменится на 180° по сравнению с предыдущем случаем [4].

Принцип работы волноводно-щелевой ФАР

Рисунок 2.2 – Принцип работы волноводно-щелевой ФАР

Любая излучающая щель нагружает волновод и влияет на его режим. Часть мощности, идущей по волноводу, излучается щелью, часть отражается обратно к генератору, и часть проходит дальше. При анализе реакции щели на волновод последний заменяют эквивалентной двухпроводной линией передачи единичного характеристического сопротивления, а каждой щели ставят в соответствие схему замещения в виде четырехполюсника с потерями.

Величину нормированного сопротивления рассчитывают методами электродинамики, исходя из баланса мощности в реальном волноводе со щелью в его схеме замещения. В результате получается приближенная формула:

где x0 – расстояние от центра щели до края широкой стенки.

3.Расчет и моделирование волноводно-щелевой ФАР в программном продукте FEKO

Согласно заданию, рабочий диапазон частот составляет 10 ГГц. Проведем расчет питающей линии для центральной частоты f0 = 10 ГГц.

Для рабочей длины волны [5]:

Подставив значения получим:

Проведем расчет одноволнового режима работы полого прямоугольного металлического волновода.

Для обеспечения одноволнового режима работы линии необходимо выполнение следующего условия [5]:

где: а&ndashразмер широкой стенки прямоугольного волновода.

Однако, при приближении рабочей длины волны к критической, резко возрастают потери в линии, и снижается ее электропрочность. Поэтому на практике чаще используют другую формулу:

Отсюда, зная границы рабочей полосы, можно получить следующее условие для выбора размера широкой стенки прямоугольного волновода [3]:

Выбор размера узкой стенки определяется, как правило, соображениями обеспечения наибольшей предельной мощности и уменьшения коэффициента затухания в линии. Поэтому обычно принимают b = a/2.

По справочнику [6] выбираем наиболее подходящий стандартный волновод. Это волновод марки WR-102, для которого:

  1. Диапазон частот для основного типа волн 8,0 - 12,0 ГГц;
  2. Внутренние размеры a = 25,91 мм; b = 12,95 мм;
  3. Толщина стенок t = 1,626 мм;
  4. Внешние размеры a1 = 27,536 мм; b1 = 14,576 мм;
  5. Затухание на частоте 10 ГГц = 0,176 дБ/м.

Отсюда критическая длинна волны = 51,82 мм.

В соответствии с заданием, допустимый уровень боковых лепестков по напряженности поля составляет - 13 дБ.

Тогда, можно сделать вывод, что необходимый уровень бокового излучения может быть достигнут при равномерном амплитудном распределении вдоль щелевой антенны. Поляризация излучаемого поля - вертикальная, поэтому в качестве излучающих элементов используем продольные переменнофазные щели. Для обеспечения лучшего согласования антенны с питающей линией в качестве волноводно-щелевой антенны выбираем нерезонансную антенну.

В нерезонансной волноводно-щелевой антенне расстояние между соседними излучателями d должно отличаться от половины длины волны в волноводе. Однако наличие фазового набега по элементам решетки приводит к отклонению главного лепестка от нормали и появлению бокового излучения повышенного уровня.

Поэтому выберем [7]:

Значит:

d = 0,515*36,8=18,952 (мм).

Тогда длина щелевой антенны на 2, 4, 8 и 16 щелей будет определяться [8]:

L=N*d, (3.6)

Подставим значения и получим:

  1. L = 2*18,952=37,904 (мм),
  2. L = 4*18,952=75,808 (мм),
  3. L = 8*18,952=151,616 (мм),
  4. L = 16*18,952=303,232 (мм).

Моделирование волноводно-щелевой ФАР проводилось в программном продукте FEKO, предназначенном для проектирования и электродинамического моделирования трехмерных СВЧ устройств, основанный на нескольких методах расчета.

Модель волновода с 2 щелями

Рисунок 3.1 – Модель волновода с 2 щелями

Диаграмма направленности волноводно-щелевой ФАР с 2 щелями.

Рисунок 3.2 – Диаграмма направленности волноводно-щелевой ФАР с 2 щелями.

Рисунок 3.3 – Модель волновода с 4 щелями.

Диаграмма направленности волноводно-щелевой ФАР с 4 щелями.

Рисунок 3.4 – Диаграмма направленности волноводно-щелевой ФАР с 4 щелями.

Модель волновода с 8 щелями.

Рисунок 3.5 – Модель волновода с 8 щелями.

Диаграмма направленности волноводно-щелевой ФАР с 8 щелями.

Рисунок 3.6 – Диаграмма направленности волноводно-щелевой ФАР с 8 щелями.

Модель волновода с 16 щелями.

Рисунок 3.7 – Модель волновода с 16 щелями.

Диаграмма направленности волноводно-щелевой ФАР с 16 щелями.

Рисунок 3.8 – Диаграмма направленности волноводно-щелевой ФАР с 16 щелями.

Проанализировав полученные диаграммы направленности волноводно-щелевых ФАР на 2, 4, 8 и 16 щелей можно сделать вывод, что последовательное увеличение количества щелей оказывает значительное влияние на параметры антенны. Это сказывается в том, что происходит сужение ДН и увеличение коэффициента усиления антенны на рабочей частоте.

Выводы

В ходе выполнения данного исследования были изучены особенности распространения радиоволн в атмосфере Земли, в частности волны СВЧ диапазона. Использование радиоволн СВЧ диапазона является главной, определяющей особенностью волноводно-щелевых антенн. Это обусловлено тем, что размеры волновода рассчитываются исходя из длины волны, и, следовательно, чем меньше длина волны, тем меньше габариты использующегося волновода, а также тем, что УКВ обладают следующими свойствами: большая частотная емкость, практическое отсутствие атмосферных и промышленных помех, малая дифракционная (огибающая) способность и возможность создания антенных устройств узконаправленного излучения и приема электромагнитных колебаний.

Один из недостатков в волноводно-щелевых антеннах является ограниченность диапазонных свойств. При изменении частоты в сканирующей волноводно-щелевой антенне происходит отклонение луча в пространстве от заданного положения, сопровождающееся изменением ширины диаграммы направленности и ее согласования с питающим фидером.

Многощелевые волноводные антенны представляют собой решетки из многих излучающих щелей, питаемых общим волноводом, и применяются преимущественно в качестве бортовых остронаправленных антенн. Возбуждение одиночной щели в волноводе происходит тогда, когда она своей широкой стороной пересекает электрические токи, текущие по внутренним поверхностям стенок волновода.

Основные преимущества таких антенн:

  1. отсутствие выступающих частей и компактность волноводной распределительной системы, что особенно важно при применениях антенн на борту летательных аппаратов;
  2. возможность сравнительно легкой реализации в раскрыве требуемых амплитудных распределений поля (путем регулирования связи щелей с волноводом). Однако существенным недостатком волноводно-щелевых антенн является ограниченность рабочей полосы частот, в первую очередь из-за нежелательных отклонений луча при изменении частоты (в нерезонансных антеннах), а также из-за нарушения согласования входа.

Существуют три способа электрического сканирования:

  1. фазовый способ путем регулирования только фазовых сдвигов возбуждения элементов решетки;
  2. амплитудный способ путем коммутации парциальных диаграмм направленности в многолучевой антенной системе; .
  3. способ частотного сканирования, когда фазовые сдвиги в излучающих элементах решетки регулируются за счет изменения частоты колебаний.

Выделяют 2 метода питания ФАР: последовательный и параллельный. Построение решеток выполняется по оптическому методу, который делится на 2 типа: отражательный и проходной

Был выполнен расчет волноводно-щелевых ФАР НА 2, 4, 8 и 16 щелей. Рассчитаны соответствующие длины волноводов, размеры щелей, а также выбран соответствующий тип волновода.

Моделирование волноводно-щелевой ФАР проводилось в программном продукте FEKO, предназначенном для проектирования и электродинамического моделирования трехмерных СВЧ устройств, основанный на нескольких методах расчета.

Проанализировав полученные диаграммы направленности волноводно-щелевых ФАР на 2, 4, 8 и 16 щелей можно сделать вывод, что последовательное увеличение количества щелей оказывает значительное влияние на параметры антенны. Это сказывается в том, что происходит сужение ДН и увеличение коэффициента усиления антенны на рабочей частоте.

Список источников

  1. Калинин, А. И.Распространение радиоволн и работа радиолиний /А. И. Калинин, Е. Л. Черенкова. – М.: Связь, 1971. – 440 с.
  2. Грудинская, Г. П. Распространение радиоволн / Г.П. Грудинская. – М.: Высшая школа, 1967. – 244 с.
  3. Калашников, А. М. Колебательные системы: учеб. пособие / А. М. Калашников, Я. В. Степук. – М.: Воениздат, 1972. – 376 с.
  4. Долуханов, М. П. Распространение радиоволн: учебник для вузов / М. П. Долуханов. –М.:Связь, 1972. – 336 с.
  5. Справочник по радиорелейной связи / Н. Н. Каменский [ и др.] ; под ред. С. В. Бродича. – М. : Радио и связь, 1981. – 416 с.
  6. Мордухович, Л. Г. Системы радиосвязи. Курсовое проектирование : учеб. пособие для вузов / Л. Г. Мордухович, А. П. Степанов. – М. : Радио и связь, 1987. – 192 с.
  7. Радиорелейные и спутниковые системы передачи : учебник для вузов / А. С. Немировский, О. С. Данилович [и др.] ; под ред. А. С. Немировского . – М. : Радио и связь, 1986. – 392 с.
  8. Лобач, В. С. Цифровые микроволновые системы связи : учеб. пособие по курсовому проектированию для вузов / В. С. Лобач. – СПб. : СПбГУТ, 1998. – 23 с.