Главная База знаний "Allbest" Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника Проектирование фазированных антенных решеток

Проектирование фазированных антенных решеток

Структурная схема модуля приемной активных фазированных антенных решеток. Расчёт относительного уменьшения возбуждения на краю антенны. Энергетический потенциал приемной фазированных антенных решеток. Точность выставки луча. Выбор и расчет излучателя.

Рубрика	Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	08.11.2014
Размер файла	830,4 K

посмотреть текст работы

скачать работу можно здесь

полная информация о работе

весь список подобных работ

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Последние десятилетия характеризуются широкими исследованиями в области теории и техники проектирования фазированных антенных решеток (ФАР). Одной из главных причин медленного внедрения ФАР в существующие радиотехнические системы является относительно высокая стоимость системы электронного сканирования, включающей устройства управления фазой СВЧ сигналов с малыми потерями, вычислительную машину и схемы управления фазовращателями.

Вопросы удешевления радиотехнических систем связаны с областью применения низкомощных управляющих элементов, работающих с малыми токами, при больших вносимых потерях. Стоимость фазовращателей может быть снижена за счет ослабления допусков на их электрические характеристики, перехода к работе на достаточно малых уровнях мощности с более высокими потерями. При этих потерях, а также при использовании большого числа однородных элементов в одной ФАР дешевые фазовращатели в микроэлектронном исполнении становятся более возможными.

Использование «дешевых» фазовращателей с более плохими электрическими характеристиками приводит к необходимости введения компенсации дополнительных потерь. Одним из способов преодоления этой трудности является использование активных фазированных антенных решеток (АФАР) в современных радиотехнических системах.

Отличительная особенность АФАР состоит в наличии активных усилителей в непосредственной близости от излучателей, что позволяет компенсировать потери в фидерном тракте и фазовращателях. В результате подобного изменения функциональной схемы система распределенных по раскрыву сравнительно маломощных когерентных передатчиков (для передающих АФАР) и малошумящих приемников (для приемных АФАР), работающих на излучатель, может обеспечивать высокие энергетические характеристики.

Другой особенностью активных фазированных антенных решеток является их необратимость, т.е. передающую АФАР нельзя использовать как приемную, так и наоборот. Таким образом, проектирование приемных и передающих АФАР невозможно без комплексного подхода. Наряду с излучающей апертурой необходимо учитывать и проектировать активную часть: приемные, передающие и приемно-передающие модули в зависимости от типа проектируемой АФАР. Модулем называется активное устройство сопряжения излучателей АФАР со схемой разводки. В модуле конструктивно объединены: усилитель мощности (для передающей АФАР) или малошумящий усилитель мощности (для приемной АФАР) с фазовращателем, при необходимости добавляются фильтры, направленные ответвители, делители мощности, юстировочные фазовращатели, стабилизаторы напряжения и ключи управления.

Структурная схема одноканального модуля приемной АФАР состоит из:

антенный решетка потенциал луч

Рис. 1 - Структурная схема модуля приемной АФАР

ППФ - определяет рабочую полосу приемного модуля и характеризуется потерями в полосе пропускания LП и уровнем запирания внеполосного излучения LЗ. При проектировании ППФ стремятся уменьшить величину LП, так как она влияет на энергетический потенциал приемной АФАР. Используется в случае, когда приемная и передающая АФАР работают одновременно на разнесенных частотах, а также для защиты от внеполосного излучения.

МШУ - используется для усиления сигнала на входе антенны и характеризуется коэффициентом шума КШ и коэффициентом усиления КР. Эти характеристики определяют энергетику приемной АФАР.

Дискретный ФВ - применяется для установки необходимой фазы в каждом канале АФАР и характеризуется количеством дискретов фазы p, минимальным значением переключаемого дискрета ?цmin и потерями на прохождение Lф.

Юстировочный ФВ - используется при фазировании АФАР для выравнивания электрических длин модулей, связанных с технологическими разбросами.

Стабилизатор напряжения (СН) и система питания и управления фазовращателем (СПУ) используются для питания активных элементов модуля (транзисторов и p-i-n-диодов) и управления работой ФВ (включение и выключение определенных дискретов).

Техническое задание

Спроектировать и рассчитать АФАР со следующими параметрами:

Коэффициент усиления МШУ Кр =21дБ

Коэффициент шума МШУ Кш = 3,5дБ

Количество разрядов фазовращателя: p=4

Длина волны: л = 8 см

Сектор сканирования: иск = ±22є

Ширина ДН по уровню 0.5: ?иx0,5 = 4є, ?иy0,5 = 3є

Уровень боковых лепестков: t< - 19 дБ

Необходимо рассчитать:

Энергетический потенциал: Рпрм

Количество элементов N

Межэлементное расстояние d

Точность выставки луча диx, диy

Относительное уменьшение возбуждения на краю антенны ?.

Нарисовать схему возбуждения, выбрать тип излучателя и рассчитать его характеристики.

Смоделировать малошумящий усилитель со следующими характеристиками:

Рабочая частота f =3,75 ГГц

Коэффициент усиления Кр ? 21дБ

Коэффициент шума Кш ? 3,5дБ

КСВН малошумящего усилителя < 1.8

Расчет межэлементного расстояния

Для того, чтобы определить межэлементное расстояние, воспользуемся мягкой формулой:

где иД - направление дифракционного максимума.

Применение этой формулы обусловлено теоремой перемножения в теории антенн, в соответствии с которой полная ДН антенной решетки есть произведение ДН одного элемента на множитель направленности решетки. В связи с этим справедливо следующее утверждение: если один элемент имеет незначительное изучение в направлении побочного максимума решетки, то последний окажется подавленным (см. рис. 2):

Рис. 2 - Влияние ДН элементов АФАР на уровень основного луча и дифракционного максимума

Для малых секторов сканирования ДН элемента решетки можно аппроксимировать следующей зависимостью:

Чтобы определить дифракционный максимум, воспользуемся формулой для ДН элемента:

В этой формуле показатель степени б может определен из условия падения усиления излучателя на краю сектора сканирования иск на 3 дБ.

При определении иД вспомним, что при этом значении угла возникший дифракционный максимум будет «подавляться» ДН элемента до заданного уровня t= -19 дБ, что составляет по мощности величину порядка 0,0126. Отсюда:

Определим d:

Расчёт относительного уменьшения возбуждения на краю антенны

С целью уменьшения УБЛ применяется неравномерное амплитудное возбуждение типа «косинус на пьедестале»:

, , (*)

где I(z) - амплитудное возбуждение вдоль антенны;

z - текущая координата;

? - параметр, определяющий относительное уменьшение возбуждения на краю антенны;

L - геометрическая длина антенны.

Распределение для данной зависимости I(z) показано на рисунке:

Рис. 3 - Амплитудное распределение АФАР типа «косинус на пьедестале»

Раскладывая косинус в сумму двух экспонент, приведем амплитудное распределение к сумме трех равномерных распределений с линейно меняющимися фазовыми сдвигами, являющихся членами ряда Фурье:

, при

где коэффициенты равныa0 = 1, а1=а-1= A/2, а коэффициенты замедления. Множитель направленности, соответствующий распределению (*), определяется суммой:

где .

Метод, с помощью которого был получен множитель направленности, в теории антенн называется методом парциальных ДН. Согласно этому методу каждому члену ряда, представляющего амплитудно-фазовое распределение антенны, соответствует своя парциальная ДН. Суммирование трех парциальных ДН показано на рисунке для случая ? = 0,4:

Рис. 4 - Снижение УБЛ при спадающем амплитудном распределении

Добавление к основной ДН вида двух сдвинутых на ± р поправочных ДН с амплитудой ?/2 приводит к резкому уменьшению УБЛ, сопровождающемуся некоторым расширением главного лепестка.

Изменяя значение ?, можно снизить уровень наибольшего бокового лепестка до значений:

t ??(13 + 13? + 22?2)

-(13 +13Д+22Д2) = t

-(13 +13Д+22Д2) = -19

22 Д2+13Д - 6 = 0

Расчет количества элементов

Из формулы найдем Nx :

Из формулы найдем Ny :

Общее число элементов: N = Nx•Ny= 352.

Расчет энергетического потенциала приемной АФАР

Необходимо выяснить, возможно ли использование одноэтажной схемы. Блок схема прохождения входного сигнала по одному каналу:

Рис. 5 - Структурная схема приемного канала АФАР

Суммарный коэффициент шума:

(*)

ВеличинаL1 определяется потерями в соединительном кабеле (излучателя с МШУ), потерями в фильтре на входе МШУ, сумма которых обычно составляет 0,5 ч1,5 дБ (1,1 ч 1,4 отн. ед.), L1 = 1 дБ=1.26ед.

Значение Kш определяется коэффициентом шума МШУ и имеет достаточно широкий диапазон значений - от 1 до 7 дБ (1,25-5 отн. ед.),

Kш = 3,5 дБ = 2,239ед.

Kp = 21дБ =125,9 ед. - коэффициент усиления МШУ.

ВеличинаL2 включает потери в фазовращателе, юстировочном фазовращателе, сумматоре и соединительных кабелях.

L2 = LФВ + Lкаб + Lомич

величина L3, равная 0,5 дБ (1,1 отн. ед.), определяется потерями в соединительном кабеле от второго МШУ до ПРМ;

Применяя делители на 2, сделаем делитель на 512 элементов. Это будет составлять 9 этажей делителей на 2. В АФАР получилось 352 элемента, а разводка - на 512; Необходимо поставить согласованные нагрузки:

512-352=160=128(27)+32(25) соответственно, ставим нагрузки на 5 и 7 этажи.

Рис. 6

Lомич = 0.5 * 9 = 4,5 дБ - суммарные потери в кабеле.

Тогда L2 = 3дБ + 1,5дБ + 4,5дБ = 9 дБ = 7,95 ед.

При проектировании АФАР с большим количеством элементов потери в схеме суммирования становятся недопустимо большими и вносят существенный вклад в шумовую температуру всей решетки. В этом случае используются активные схемы суммирования. Условие перехода к активной схеме суммирования: если сумма двух последних слагаемых в выражении (*) составляют величину > 10ч15 % от первого слагаемого, то необходимо использовать двухэтажную схему суммирования.

Первое слагаемое:

kшL1= 2,239 *1,26 = 2.8211

Второе и третье слагаемое:

Получается, что сумма второго и третьего слагаемого составляет 5,94 % от первого слагаемого. Следовательно, потери в схеме суммирования достаточно невелики и нет необходимости переходить к активной схеме суммирования.

Рассчитаем энергетический потенциал приемной АФАР:

где Sэфф - эффективная площадь антенны

Tэфф - шумовая температура АФАР, приведенная к раскрыву решетки.

Эффективная площадь АФАР связана с ее геометрической площадью S через коэффициент использования площади у, который определяется амплитудно-фазовыми характеристиками ее тракта, требуемым уровнем боковых лепестков и допустимыми потерями потенциала на краях сектора сканирования А:

Sэфф = SуA

Значение А обычно равно 0,5, у равно 0,7, следовательно

Вычислим геометрическую площадь антенны:

Отсюда, эффективная площадь равна:

Затем рассчитаем эффективную шумовую температуру:

Где Т0 ? 290єК ? 17єС

Энергетический потенциал антенны будет равен:

Точность выставки луча ди

Для точности выставления луча используется разностная диаграмма направленности (ДН). Для создания разностной ДН необходимо, чтобы решетка имела четное число элементов. Поскольку наша решетка имеет четное число элементов, то можем воспользоваться следующей формулой для точного наведения луча:

где N - количество излучателей в одном ряду;

р - количество разрядов фазовращателя;

- угловая точность выставления луча.

Найдем точность выставки луча по оси X:

Найдем точность выставки луча по оси Y:

Выбор и расчет излучателя

Так как угол сканирования нашей решетки достаточно мал (иСК=±22є), то можно выбрать в качестве излучателя спиральную антенну.

Спиральная антенна представляет собой отрезок спирали из металлической проволоки либо ленты, вдоль которого распространяется замедленная (или поверхностная) бегущая волна. Спираль с шагом S и диаметром D имеет длину витка L и угол намотки б. Возбуждающее устройство состоит из экрана и питающего фидера. Экран препятствует затеканию тока на внешнюю поверхность коаксиального фидера и выполняет роль рефлектора, ослабляющего излучение в заднюю полусферу.

Рис. 7 - Цилиндрическая спиральная антенна и развертка ее витка

= n•S - общая длина спирали, где n - число витков.

Dэ - диаметр экрана.

Вдоль витка проволоки распространяется бегущая волна тока с коэфф. замедления , а вдоль оси системы - с коэффициентом замедления p.

Ток в каждом последующем витке отстает по фазе от тока в предыдущем витке на угол , который определяется выражением:

kS - фазовый набег, который приобретает поле от предыдущего витка на пути к последующему. С другой стороны .

Отсюда получим выражение для:

;

Направленные свойства спирали зависят от соотношения ее размеров и длины волны.

Как правило, прикоэффициент .

При оптимальном режиме (max КНД) необходимо, чтобы 1-ый и последний витки излучали в противофазе:

Т.к. фазовый сдвиг последнего витка

, то

Вычислим оптимальный угол намотки спирали:

, откуда .

см - режим осевого излучения.

Из формулы для коэффициента замедления найдем S:

спиральной антенны будет соответствовать раскрыву АФАР .

Вычислим значение :

, см.

Определим число витков:

Диаметр спирали определим из развертки, откуда

= •cos12є 2,5см.

Диаметр экрана выбирается в пределах (1,0…1,6).

Входное сопротивление излучателя:

Расчет диаграммы направленности.

Для расчета диаграммы направленности спроектированной антенной решетки воспользуемся формулой:

Где - ДН единичного излучателя,

- вид амплитудного распределения,

- множитель направленности АФАР.

С помощью приложения MATLAB изобразим ДН приемной АФАР при углах сканирования 0є, 22є, -22є.

Т.к. решетка прямоугольная то диаграмма направленности в разных плоскостях будет отличаться по ширине.

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 10

Рис. 11

Рис. 12

Рис. 13

Рис. 14

Из графиков видно, что спроектированная АФАР полностью удовлетворяет техническому заданию:

Обеспечивает подавление дифракционного максимума;

Падение мощности на краю сектора сканирования не более -3 дБ.

Моделирование малошумящего усилителя

В соответствии с техническим заданием выбран малошумящий усилительHMC593LP3 фирмы Hittite. Его параметры приведены на сайте производителя. Ссылка на сайт приведена в списке литературы. Этот МШУ обладает достаточным усилением в диапазоне 3,4 - 3,75 ГГц, с учетом коэффициента шума (Кш = 1,2дБ) меньшего, чем в техническом задании. Для моделирования малошумящего усилителя и определения его характеристик воспользуемся пакетом программ MicroWaveOffice. Занесем S-параметры в программу и рассмотрим основные параметры.

Модель МШУ:

Рис. 15 - Модель малошумящего усилителя

Воспользуемся оптимизацией параметров микрополосков для получения заданных параметров усилителя. Результаты оптимизации представлены на графиках:

Рис. 16 - Устойчивость

Рис. 17 - Коэффициент передачи в заданном диапазоне

КСВ и коэффициент отражения в заданном диапазоне:

Рис. 18

Расчет энергетического потенциала с учетом параметров выбранного МШУ:

Необходимо выяснить, возможно ли использование одноэтажной схемы.

Блок схема прохождения входного сигнала по одному каналу:

Рис. 19 - Структурная схема приемного канала АФАР

Суммарный коэффициент шума:

(*)

Kш = 1,2 дБ = 1,318ед.

Kp = 17,89 дБ = 61,52 ед. - коэффициент усиления МШУ.

Величина L2 включает потери в фазовращателе, юстировочном фазовращателе, сумматоре и соединительных кабелях.

L2 = LФВ + Lкаб + Lомич

величина L3, равная 0,5 дБ (1,1 отн. ед.), определяется потерями в соединительном кабеле от второго МШУ до ПРМ;

Применяя делители на 2, сделаем делитель на 512 элементов. Это будет составлять 9 этажей делителей на 2.

В АФАР получилось 352 элементов, а разводка - на 512;

Необходимо поставить согласованные нагрузки:

512 - 352= 160 = 128(27)+ 32(25) соответственно, ставим нагрузки на 5 и 7 этажи.

Рис. 20

Lомич = 0.5 * 9 = 4,5 дБ - суммарные потери в кабеле.

Тогда L2 = 3дБ + 1,5дБ + 4,5дБ = 9 дБ = 7,95 ед.

Первое слагаемое:

kшL1 = 1,318 *1,26 = 1,6607

Второе и третье слагаемое:

Получается, что сумма второго и третьего слагаемого составляет 11,68 % от первого слагаемого. Но суммарный коэффициент шума удовлетворяет ТЗ. Проведем расчет активной схемы суммирования

497

512

Рис. 21

Рассчитаем теперь полученные потери:

ед.

Рассчитаем коэффициент шума:

Активная схема суммирования удовлетворяет требованиям, так как вклад последних слагаемых составляет 5,36 % от первого слагаемого, т.е. величина потерь в схеме суммирования достаточно мала. Т.к. суммарный коэффициент шума при использовании активной схемы суммирования отличается всего на величину порядка 0,2 дБ и оба коэффициента шума удовлетворяют ТЗ, то выгодней использовать одноэтажную схему суммирования.

Рассчитаем энергетический потенциал приемной АФАР:

где Sэфф - эффективная площадь антенны

Tэфф - шумовая температура АФАР, приведенная к расскрыву решетки.

Sэфф = SуA.

Значение А обычно равно 0,5, у равно 0,7, следовательно

Вычислим геометрическую площадь антенны:

Отсюда, эффективная площадь равна:

Затем рассчитаем эффективную шумовую температуру:

Где Т0 ? 290єК ? 17єС

Энергетический потенциал антенны будет равен:

Заключение

В данной работе спроектирована приемная АФАР, удовлетворяющая техническому заданию:

Потребовалась двухэтажная схема суммирования элементов АФАР, чтобы обеспечить необходимый коэффициент шума;

Количество излучателей составило 352 элементов;

Был выбран спиральный излучатель длиной 11,14 см с 4,64 витками, диаметр витка составил 2,5 см;

Угловая точность выставки луча составила 0.14є по оси Х и 0,077є по оси Y;

Энергетический потенциал антенны равен 27,03 см2/К;

Межэлементное расстояние равно 6.9 см.

Также был смоделирован малошумящий усилитель, удовлетворяющий техническому заданию: был достигнут необходимый коэффициент усиления, КСВ, коэффициент шума. МШУ спроектирован на подложке из Rogers4003.

Список литературы

1. В.В. Чистюхин, К.С. Лялин. Проектирование антенно-фидерных устройств. Методические указания к практическим занятиям по курсу «Антенно-фидерные устройства».

2. В.В. Чистюхин, К.С. Лялин, Ю.А. Агальцова. Лабораторный практикум по курсу «Антенно-фидерные устройства».

3. С.А. Бахвалова, В.В. Курганов. Исследование СВЧ-устройств с помощью пакета программ Microwave Office. Лабораторный практикум по курсу «Приборы СВЧ».

Размещено на Allbest.ru

курсовая работа "Проектирование фазированных антенных решеток" скачать

Подобные документы

Вибраторные излучатели фазированных антенных решеток
Параметры излучателей фазированных антенных решеток. Излучатели электромагнитных волн. Система излучателей с электрически управляемым фазовым распределением. Конструктивная схема вибраторного излучателя. Проходной бинарный и дискретный фазовращатели.

контрольная работа [625,9 K], добавлен 20.10.2012
Фазовращатели фазированных антенных решеток
Основные особенности фазовращателей фазированных антенных решеток, управляющих фазой электромагнитной волны в излучателях. Характеристика видов фазовращателей: механические, полупроводниковые, ферритовые. Рассмотрение особенностей технологии MMIC.

курсовая работа [220,0 K], добавлен 26.12.2012
Вибраторная антенная решетка
Расчет вибраторных фазированных антенных решеток с расширенным углом сканирования. Общая характеристика излучателя антенной решетки. Основной способ питания излучателя. Расчеты диаграммы направленности излучателя. Расчеты амплитудного распределения.

курсовая работа [3,2 M], добавлен 28.11.2010
Расчет волноводной фазированной антенной решетки с вращающейся поляризацией
Особенности конструкции, преимущества и недостатки фазированных антенных решеток как наиболее эффективных и перспективных антенных систем. Расчет формы и линейных размеров излучающего полотна. Разработка данной антенной решетки, алгоритм расчета задания.

контрольная работа [2,6 M], добавлен 06.05.2011
Повышение точности угловых координат при использовании фазированных антенных решеток в системах радиолокации
Взаимосвязь точности измерения координат цели и эффективности применения радиоэлектронной системы. Методы измерения угловых координат. Точность, разрешающая способность радиолокационных систем. Численное моделирование энергетических характеристик антенны.

дипломная работа [6,6 M], добавлен 11.06.2012
Устройства СВЧ антенных решеток
Типы устройств СВЧ в схемах распределительных трактов антенных решеток. Проектирование устройств СВЧ на основе метода декомпозиции. Работа с программой "Модель-С" для автоматизированного и параметрического видов синтеза многоэлементных устройств СВЧ.

контрольная работа [337,5 K], добавлен 15.10.2011
Устройства СВЧ антенных решеток
Изучение различных типов устройств СВЧ, используемых в схемах распределительных трактов антенных решеток. Практические расчеты элементов автоматизированного проектирования устройств СВЧ на основе метода декомпозиции. Конструирование баз и устройств СВЧ.

контрольная работа [120,9 K], добавлен 17.10.2011
Линейная решетка спиральных антенн с электронным сканированием
Линейная решетка с цилиндрической спиральной антенной в качестве излучателя. Применение антенных решеток для обеспечения качественной работы антенны. Проектирование сканирующей в вертикальной плоскости антенной решетки. Расчет одиночного излучателя.

курсовая работа [394,2 K], добавлен 28.11.2010
Коллинеарная антенная решетка с параллельным возбуждением
Общая характеристика и сфера применения антенных решеток. Определение параметров и конструкции симметричных вибраторных антенн, описание способов их возбуждения. Расчет коллинеарной антенной решетки с параллельным возбуждением, построение диаграмм.

курсовая работа [4,5 M], добавлен 21.03.2011
Обеспечение тропосферной и спутниковой связи. Питание антенных систем
Устройство и параметры фидерных трактов антенных систем. Понятие о режимах работы ФЛ. Назначение и требования, предъявляемые к фидерным трактам антенных систем. Режимы работы и характеристики фидерных линий. Применение направляющих систем различных типов.

презентация [277,5 K], добавлен 08.03.2011

Другие документы, подобные "Проектирование фазированных антенных решеток"

весь список подобных работ

скачать работу можно здесь

сколько стоит заказать работу?

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.