Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Хвилеводно-щілинні антени, виходять при прорізуванні щілин у хвилеводах, вони є одним з видів лінійних (плоских) багатоелементних антен і забезпечують звуження діаграми спрямованості (ДН) в площині, що проходить через вісь хвилеводу.

Основними перевагами таких антен є: - зважаючи на відсутність виступаючих частин випромінює поверхня волноводно-щілинний антени може бути поєднана з зовнішніми обводами корпусу літального апарату, не вносячи при цьому додаткового аеродинамічного опору (бортова антена); - в таких антенах розподіл поля в розкриві може вибиратися в широких межах тому можуть бути реалізовані оптимальні ДН; - щілинна антена має порівняно просте збудливу пристрій. Крім того, вона проста в експлуатації.

Один з недоліків в волноводно-щілинних антенах є обмеженість діапазонних властивостей. При зміні частоти в скануючої волноводно-щілинний антени відбувається відхилення променя в просторі від заданого положення, що супроводжується зміною ширини діаграми спрямованості і її узгодження з живильним фідером.

1.Мета і завдання дослідження

Метою дипломної роботи є проектування волноводно-щілинний фазированной антеною решітки СВЧ діапазону.

Головні завдання дослідження:

  1. Розглянути основні особливості поширення радіохвиль НВЧ діапазону, що використовуються в волноводно-щілинних антенах;
  2. Вивчити основні поняття та особливості фазованих антенних решіток;
  3. Виконати проектування волноводно-щілинний фазированной решітки СВЧ діапазону.

2.Огляд літератури

2.1. Основні принципи поширення радіохвиль в атмосфері

Поширення радіохвиль в атмосфері залежить від наступних основних факторів: довжини хвилі, кривизни землі, характеру грунту, складу атмосфери, часу дня і року, стану іоносфери, магнітного поля землі, метеорологічних умов.

В атмосфері, навколишнього земну кулю, виділяють дві області, які надають вплив на поширення радіохвиль: тропосферу і іоносферу. Тропосфера - це приземної шар атмосфери, що простирається до висоти приблизно 10 - 15 км. Тропосфера неоднорідна як у вертикальному напрямку, так і вздовж земної поверхні. Її електричні параметри залежать від метеорологічних умов.

Іоносфера - область атмосфери в межах 60 км - 300 км над земною поверхнею [1]. На цих висотах щільність газу дуже мала і газ іонізований, тобто є велика кількість вільних електронів (приблизно 10^3 - 10^6 електронів в 1 см3 повітря). Наявність вільних електронів суттєво впливає на електричні властивості газу і обумовлює можливість відображення радіохвиль від іоносфери [1].

Таким чином, виділяють два типи радіохвиль за способом поширення в атмосфері:

  1. - поверхневі;
  2. - просторові.

Поверхневі радіохвилі - це радіохвилі, що розповсюджуються безпосередньо над поверхнею Землі і огинають її внаслідок явища дифракції, що показано кривою 1 на рис. 1.1 [1]. Просторові радіохвилі поділяються на тропосферні і іоносферні.

Тропосферні радіохвилі поширюються завдяки відображенню або розсіюванню від неоднорідностей (або «зерен») тропосфери, що показано кривою 2 на рис.1.1.

Іоносферні радіохвилі поширюються за допомогою багаторазового відбиття від іоносфери і поверхні Землі (крива 3 на рис. 1.1). Завдяки тому, що іоносфера є неоднорідною середовищем, радіохвилі розсіюються в ній, це обумовлює можливість поширення радіохвиль на великі відстані.

Шляхи поширення радіохвиль в атмосфері

Рисунок 1 – Шляхи поширення радіохвиль в атмосфері

У іоносфері радіохвилі можуть відбиватися, поглинатися, а також змінювати свою траєкторію. При впливі змінного поля падаючої хвилі вільні електрони іоносфери здійснюють коливальний рух і в іоносфері виникають струми. Струмами позитивних іонів зазвичай нехтують внаслідок їх малої в порівнянні з електронами рухливістю. Під час руху електрони стикаються з молекулами і віддають їм кінетичну енергію, отриману від поля радіохвилі. Відбувається перехід енергії радіохвилі в теплову енергію. Довгі хвилі в іоносфері поглинаються більше, ніж короткі, так як чим довше хвиля, тим більший шлях проходять електрони при коливаннях за половину періоду, тим більше зіткнень відбувається на цьому шляху і тим більше поглинання.

2.2 Особливості побудови багатоцільових хвилеводних антен

Багатощілинні хвильове антени представляють собою грати з багатьох випромінюючих щілин, що живляться загальним волноводом, і застосовуються переважно в якості бортових гостронаправлених антен. Найчастіше використовуються полуволновой резонансні щілини, наявні різним чином на широкій або вузькій стінках звичайного прямокутного хвилеводу з типом хвилі H_(10 )[3].

Порушення одиночної щілини у хвилеводі відбувається тоді, коли вона своєю широкою стороною перетинає електричні струми, поточні по внутрішніх поверхнях стінок хвилеводу. При поширенні хвилі H_10 в прямокутному хвилеводі є дві складові магнітного поля [3]:

Типи щілин, використовуваних в волноводно-щілинних антенах

Рисунок 2.1 – Типи щілин, використовуваних в волноводно-щілинних антенах

Розташування хрестоподібної щілини вправо або вліво щодо осі хвилеводу дозволяє вибирати праве або ліве обертання кругової поляризації. Хрестоподібні щілини можуть виконуватися також з двох похило-зміщених щілин із загальним центром, орієнтованих під кутом = 45° і перпендикулярних між собою. Такі щілини мають ширші конструктивні можливості.

Для збудження щілин в волноводе іноді використовуються спеціальні реактивні елементи. Розглянемо, наприклад, поздовжні полуволновой щілини 5, розташовані точно по середній лінії хвилеводу як показано на рис. 2.2. Для збудження таких щілин поруч з їх центром встановлюють ємнісні штирі з регульованою глибиною занурення в хвилевід (на різьбі). Поле хвилі, що розповсюджується H10 наводить в штирі електричний струм, як в приймальному несиметричному вибраторе. Цей струм триває і на широкій стінці хвилеводу, розтікаючись радіально навколо підстави штиря. Частина струму перетинає щілину і збуджує її. Напрямок струму змінюється на протилежне, якщо перемістити штир на іншу сторону щілини. Тоді фаза збудження щілини зміниться на 180 ° в порівнянні з попереднім випадком [4].

Принцип роботи волноводно-щілинної ФАР

Рисунок 2.2 – Принцип роботи волноводно-щілинної ФАР

Будь-яка випромінює щілину навантажує хвилевід і впливає на його режим. Частина потужності, що йде по волноводу, випромінюється щілиною, частина відбивається назад до генератора, і частина проходить далі. При аналізі реакції щілини на хвилевід останній замінюють еквівалентної двухпроводной лінією передачі одиничного характеристичного опору, а кожної щілини ставлять у відповідність схему заміщення у вигляді чотириполюсника з втратами.

Величину нормованого опору розраховують методами електродинаміки, виходячи з балансу потужності в реальному хвилевіді зі щілиною в його схемі заміщення. В результаті виходить наближена формула:

де x0 – відстань від центру щілини до краю широкої стінки.

3.Розрахунок і моделювання волноводно-щілинний ФАР в програмному продукті FEKO

Згідно з завданням, робочий діапазон частот становить 10 ГГц. Проведемо розрахунок живильної лінії для центральної частоти f0 = 10 ГГц.

Для робочої довжини хвилі [5]:

Підставивши значення отримаємо:

Проведемо розрахунок однохвильова режиму роботи полого прямокутного металевого хвилеводу.

Для забезпечення однохвильова режиму роботи лінії необхідно виконання наступної умови [5]:

де: а - розмір широкої стінки прямокутного хвилеводу.

Однак, при наближенні робочої довжини хвилі до критичної, різко зростають втрати в лінії, і знижується її електропрочность. Тому на практиці частіше використовують іншу формулу:

Звідси, знаючи межі робочої смуги, можна отримати таку умову для вибору розміру широкої стінки прямокутного хвилеводу [3]:

Вибір розміру вузької стінки визначається, як правило, міркуваннями забезпечення найбільшої граничної потужності і зменшення коефіцієнта загасання в лінії. Тому зазвичай приймають b = a / 2.

За довідником [6] вибираємо найбільш підходящий стандартний хвилевід. Це хвилевід марки WR-102, для якого:

  1. - діапазон частот для основного типу хвиль 8,0 - 12,0 ГГц;
  2. - внутрішні розміри a = 25,91 мм; b = 12,95 мм;
  3. - товщина стінок t = 1,626 мм;
  4. - зовнішні розміри a1 = 27,536 мм; b1 = 14,576 мм;
  5. - затухання на частоті 10 ГГц = 0,176 дБ / м.

Звідси критична довжина хвилі = 51,82 мм.

Відповідно до завдання, допустимий рівень бічних пелюсток по напруженості поля становить - 13 дБ.

Тоді, можна зробити висновок, що необхідний рівень бічного випромінювання може бути досягнутий при рівномірному амплитудном розподілі уздовж щілинний антени. Поляризація випромінюваного поля - вертикальна, тому в якості випромінюючих елементів використовуємо поздовжні переменнофазние щілини. Для забезпечення кращого узгодження антени з живильної лінією як волноводно-щілинний антени вибираємо нерезонансну антену. У нерезонансна волноводно-щілинний антени відстань між сусідніми випромінювачами d має відрізнятися від половини довжини хвилі в хвилеводі. Однак наявність фазового набігу за елементами решітки призводить до відхилення головної пелюстки від нормалі і появі бічного випромінювання підвищеного рівня.

Тому виберемо [7]:

Значить: d = 0,515*36,8=18,952 (мм).

Тоді довжина щілинний антени на 2, 4, 8 і 16 щілин буде визначатися [8]:

L = N * d

де N - кількість щілин в антені.

Підставимо значення і отримаємо:

  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).

      Моделювання волноводно-щілинний ФАР проводилося в програмному продукті FEKO, призначеному для проектування і електродинамічного моделювання тривимірних НВЧ пристроїв, заснований на декількох методах розрахунку.

      Модель хвилеводу з 2 щілинами.

      Рисунок 3.1 – Модель хвилеводу з 2 щілинами.

      Діаграма спрямованості волноводно-щілинний ФАР з 2 щілинами.

      Рисунок 3.2 – Діаграма спрямованості волноводно-щілинний ФАР з 2 щілинами.

      Модель хвилеводу з 4 щілинами.

      Рисунок 3.3 – Модель хвилеводу з 4 щілинами.

      Діаграма спрямованості волноводно-щілинний ФАР з 4 щілинами.

      Рисунок 3.4 – Діаграма спрямованості волноводно-щілинний ФАР з 4 щілинами.

      Модель хвилеводу з 8 щілинами.

      Рисунок 3.5 – Модель хвилеводу з 8 щілинами.

      Діаграма спрямованості волноводно-щілинний ФАР з 8 щілинами.

      Рисунок 3.6 – Діаграма спрямованості волноводно-щілинний ФАР з 8 щілинами.

      Модель хвилеводу з 16 щілинами.

      Рисунок 3.7 – Модель хвилеводу з 16 щілинами.

      Діаграма спрямованості волноводно-щілинний ФАР з 16 щілинами.

      Рисунок 3.8 – Діаграма спрямованості волноводно-щілинний ФАР з 16 щілинами.

      Проаналізувавши отримані діаграми спрямованості волноводно-щілинних ФАР на 2, 4, 8 і 16 щілин можна зробити висновок, що послідовне збільшення кількості щілин значно впливає на параметри антени. Це позначається в тому, що відбувається звуження ДН і збільшення коефіцієнта посилення антени на робочої частоті.

      Висновки

      В ході виконання даного дослідження були вивчені особливості поширення радіохвиль в атмосфері Землі, зокрема хвилі НВЧ діапазону. Використання радіохвиль НВЧ діапазону є головною, визначальною особливістю волноводно-щілинних антен. Це обумовлено тим, що розміри хвилеводу розраховуються виходячи з довжини хвилі, і, отже, чим менше довжина хвилі, тим менше габарити використовується хвилеводу, а також тим, що УКХ мають наступні властивості: велика частотна ємність, практична відсутність атмосферних і промислових перешкод, мала дифракційна (огинає) здатність і можливість створення антенних пристроїв узконаправленного випромінювання і прийому електромагнітних коливань.

      Один з недоліків в волноводно-щілинних антенах є обмеженість діапазонних властивостей. При зміні частоти в скануючої волноводно-щілинний антени відбувається відхилення променя в просторі від заданого положення, що супроводжується зміною ширини діаграми спрямованості і її узгодження з живильним фідером.

      Багатощілинні хвильове антени представляють собою грати з багатьох випромінюючих щілин, що живляться загальним волноводом, і застосовуються переважно в якості бортових гостронаправлених антен.

      Порушення одиночної щілини в волноводе відбувається тоді, коли вона своєю широкою стороною перетинає електричні струми, поточні по внутрішніх поверхнях стінок хвилеводу.

      Основні переваги таких антен:

      1. відсутність виступаючих частин і компактність хвилеводної розподільної системи, що особливо важливо при застосуваннях антен на борту літальних апаратів;
      2. можливість порівняно легкої реалізації в розкриві необхідних амплітудних розподілів поля (шляхом регулювання зв'язку щілин з хвилеводом). Однак суттєвим недоліком волноводно-щілинних антен є обмеженість робочої смуги частот, в першу чергу через небажаних відхилень променя при зміні частоти (в нерезонансних антенах), а також через порушення узгодження входу.

          Існують три способи електричного сканування:

          1. амплітудний спосіб шляхом комутації парціальних діаграм спрямованості в багатопроменевої антеною системі;
          2. спосіб частотного сканування, коли фазові зрушення в випромінюючих елементах решітки регулюються за рахунок зміни частоти коливань.
          3. фазовий спосіб шляхом регулювання тільки фазових зрушень збудження елементів решітки.

          Виділяють 2 методу харчування ФАР: послідовний і паралельний. Побудова решіток виконується по оптичному методу, який ділиться на 2 типу: відбивний і прохідний.

          Було виконано розрахунок волноводно-щілинних ФАР НА 2, 4, 8 і 16 щілин. Розраховані відповідні довжини хвилеводів, розміри щілин, а також чи правильно вибрано тип хвилеводу.

          Моделювання волноводно-щілинний ФАР проводилося в програмному продукті FEKO, призначеному для проектування і електродинамічного моделювання тривимірних НВЧ пристроїв, заснований на декількох методах розрахунку.

          Проаналізувавши отримані діаграми спрямованості волноводно-щілинних ФАР на 2, 4, 8 і 16 щілин можна зробити висновок, що послідовне збільшення кількості щілин значно впливає на параметри антени. Це позначається в тому, що відбувається звуження ДН і збільшення коефіцієнта посилення антени на робочої частоті.

          Перелік посилань

          1. Калінін, А. І.Распространеніе радіохвиль і робота радіоліній / А. І. Калінін, Є. Л. Черенкова. - М .: Связь, 1971. - 440 с.
          2. Грудинська, Г. П. Поширення радіохвиль / Г.П. Грудінская. - М .: Вища школа, 1967. - 244 с.
          3. Калашников, А. М. Коливальні системи: навч. посібник / А. М. Калашников, Я. В. Степуки. - М .: Воениздат, 1972. - 376 с.
          4. Долуханов, М. П. Поширення радіохвиль: підручник для вузів / М. П. Долуханов. -М.: Зв'язок, 1972. - 336 с.
          5. Довідник по радіорелейного зв'язку / Н. Н. Каменський [и др.]; під ред. С. В. Бродіча. - М.: Радио и связь, 1981. - 416 с.
          6. Мордухович, Л. Г. Системи радіозв'язку. Курсове проектування: навч. посібник для вузів / Л. Г. Мордухович, А. П. Степанов. - М.: Радио и связь, 1987. - 192 с.
          7. Радіорелейні та супутникові системи передачі: підручник для вузів / А. С. Немирівський, О. С. Данилович [и др.]; під ред. А. С. Немирівського. - М.: Радио и связь, 1986. - 392 с.
          8. Лобач, В. С. Цифрові мікрохвильові системи зв'язку: навч. посібник по курсовому проектування для вузів / В. С. Лобач. - СПб. : СПбГУТ, 1998. - 23 с.