Размещено на http://www.allbest.ru/

3

Курсовая работа

Антенна РЛС с частотным сканированием и НО

Содержание

Введение

1. Выбор типа антенны, расчет ее размеров и необходимого диапазона частот

1.1 Расчет питающего волновода

1.2 Расчет антенной решетки

2. Расчет диаграммы направленности

3. Расчет эквивалентной схемы антенны

3.1 Расчет электрической схемы

3.2 Расчет фидерного тракта, соединяющего передатчик с антенной

4. Расчет НО

5. Расчет дальности действия РЛС с учетом неблагоприятного влияния атмосферы

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Во многих радиотехнических системах требуется перемещать ДН антенной системы в пространстве. Естественный путь перемещения ДН заключается в повороте всей антенной системы в нужном направлении. Однако такому способу присущи недостатки, которые могут либо в значительной степени снизить характеристики, либо потребовать трудно реализуемых конструктивных решений. В связи с этим в течении длительного времени широко разрабатываются специальные антенны обеспечивающие перемещение ДН в пространстве (сканирование ДН) без поворота всей антенной системы.

Наиболее перспективными в этом отношении являются, по - видимому, фазированные антенные решетки. Однако применение их в настоящее время связано с целым рядом трудностей. По этой причине во многих случаях представляют значительный интерес антенны, в которых сканирование ДН связано с перемещением или изменением параметров какого - либо элемента. Входящего в антенную систему. Если изменение электрических параметров, какого - либо элемента системы осуществляется механическим способом, то такую антенну называют антенной с электромеханическим сканированием.

В антенной технике существуют антенны, которые позволяют путем перемещения облучателя осуществить сканирование в очень широких секторах сканирования без искажения ДН, например линза Люнеберга. В других антенных используются специальные устройства, трансформирующие синфазное распределение в раскрыве обычной антенны в линейно изменяющееся. В этом случае под раскрывом антенной системы в целом следует понимать раскрыв трансформирующего устройства.

Частотное управление лучом является одним из электрического способов управления и основано на изменении расстояния между излучателями, возбуждаемыми бегущей волной, при изменении частоты генератора. При этом способе управления лучом для осуществления обзора пространства в достаточно большом секторе требуется генератор с электрической перестройкой частоты в широком диапазоне.

Целью данного курсового проекта является расчет антенны с частотным сканированием.

схема антенна диапазон частота рлс

1. Выбор типа антенны, расчет ее размеров и необходимого диапазона частот

В антенных СВЧ с частотным сканированием излучатели, как правило, расположены непосредственно на возбуждающей системе. В качестве системы возьмем волноводно - щелевую антенну, которая представлена на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - волноводно - щелевая антенна.

1.1 Расчет питающего волновода

Щелевые волноводные антенны могут выполняться на основепрямоугольного, круглого, змейкового, спирального и других типов волноводов. Щелевые волноводные антенны удобно выполнять на основе прямоугольного волновода с волной Н₁₀.

Т.к. основным типом у нас будет H₁₀ , то

(1.1)

(1.2)

где

Выбираем стандартные значения для размеров волновода : а=23., b=10мм.

На основе этих данных рассчитаем параметры:

 (1.3)

(1.4)

1.2 Расчет антенной решетки

Основные характеристики определяются следующими соотношениями:

Замедление фазовой скорости

(1.5)

Замедление групповой скорости

(1.6)

Предельная пропускающая мощность

(1.7)

Коэффициент затухания

(1.8)

Согласно формуле (1.5) диапазон изменения фазовой скорости может меняться от 0 до 1. Однако диапазон изменения , который можно реализовать, значительно уже. Это объясняется тем, что при () резко возрастают потери и падает мощность . Нижний предел можно найти, если допустить увеличение потерь примерно в два раза по сравнению с обычным волноводом. При этом и . Верхний предел связан с требованием подавления волны типа , возникающей при условии . При таких условиях . Таким образом, замедление фазовой скорости ограничено значениями .

Направление излучения линейной решетки излучателей определяется по формуле

(1.9)

для излучателей, синфазно связанных с полем волновода, и

(1.10)

для излучателей, переменнофазно связанных с полем волновода.

Качание луча при изменении частоты будет происходить за счет изменения и .

Важное значение при проектировании антенн имеет выбор расстояния между соседними излучателями , которое должно быть таким, чтобы при качании луча в заданном секторе исключалась возможность появления побочных главных максимумов.

Условие существования одного главного максимума в диаграмме направленности при сканировании требует, чтобы расстояние было бы меньше. С другой стороны, чтобы направление главного максимума было близко к нормали к оси решетки, возбуждение излучателей должно быть близко к синфазному. Последнее достигается в волноводно-щелевых антеннах при . С целью уменьшения расстояния между излучателями в волноводно-щелевых антеннах применяют переменно-фазное возбуждение соседних излучателей. В этом случае расстояние примерно равно половине длины волны в волноводе. Однако при расположении всех излучателей на расстоянии друг от друга волны, отраженные от всех излучателей, складываются в фазе на входе антенны, что резко нарушает ее согласование. При отклонении луча от нормали отлично от и отраженные от излучателей волны в большей мере взаимно компенсируются и к.с.в.1.

Волноводно-щелевая антенна с переменнофазным возбуждением излучателей может быть выполнена в виде волновода с продольными щелями на широкой стенке волновода при размещениях их по разные стороны от средней линии.

С учетом этих соображений, выбираем в качестве излучателей антенной решетки щели, переменнофазно связанные с полем волновода, и номер луча .

Итак, используя формулу 5, определим замедление фазовой скорости

Расстояние между излучателями примем

Используя графики [2] определим максимальное и минимальное значение замедления фазовой скорости:

После чего можем определить диапазон рабочих частот, следующим образом:

Далее определяем возможный сектор сканирования:

Как видим, получившийся сектор сканирования полностью удовлетворяет требованию технического задания.

Используя формулы (1.7-.1.8), беря в качестве материала для изготовления волновода медь (), определяем

,

Так как в техническом задании ничего не сказано про закон распределения излучаемой мощности вдоль решетки, то выбираем экспоненциальный закон. Далее рассчитываем следующие характеристики [:

Длина антенной решетки

(1.11)

Где (1.12)

Коэффициент полезного действия (1.13)

Число излучателей в решетки (1.14)

Анализируя выражение 1.12, можем сделать вывод, что при уменьшении частоты (увеличении длины волны) ширина диаграммы направленности будет увеличиваться. А так как по заданию ширина диаграммы направленности должна быть не больше , соответственно длину антенной решетки будим находить на минимальной частоте (максимальной длине волны).

Из формулы (1.12) можем определить ширину диаграммы направленности на всем диапазоне:

Определяем коэффициент полезного действия:

Число излучателей:

Выбираем размеры щелевых излучателей

Длина щели: (1.15)

Ширина щели: , (1.16)

Где b - амплитуда напряжения в пучности.

- проводимость излучения щели

- сопротивление излучения эквивалентного симметричного вибратора.

В результате получаем:

Зная отношение по графику [2] определяем значение , где

2. Расчет диаграммы направленности

Нормированная диаграмма направленности линейной решетки может быть записана в виде [1]:

(4.1)

где - диаграмма направленности одного излучателя; - множитель антенны, зависящий от числа щелей в антенне.

Так как мы выбрали экспоненциальный закон распределения, то множитель антенны запишется в следующем вид.

( 2.1)

где - величина, характеризующая неравномерность амплитудного распределения по раскрыву; - постоянная затухания; -для экспоненциального распределения; - обобщенная координата; - направление главного максимума ДН.

Диаграмму направленности одной щели определим следующим образом

(2.2)

Построим диаграмму направленности в декартовых и полярных координатах на трех частотах диапазона ()



Рисунок 2.1 ДН на средней длине волны ()

Рисунок 2.2 ДН на минимальной длине волны ( )

Рисунок 2.3 ДН на максимальной длине волны ()

Ширину главного лепестка на трех частотах диапазона мы определяли по формуле (1.12) в разделе 3. Запишем получившиеся значения:

Коэффициент направленного действия (к.н.д.) антенны определяется следующей приближенной формулой [1]:

(2.4)

где - коэффициент использования раскрыва;

Произведем расчет к.н.д. на границах частотного диапазона, напомним что для , а для :

Далее рассчитаем коэффициент усиления антенны средней частоте по следующей формуле:

(2.5)

3. Расчет эквивалентной схемы антенны

3.1 Расчет электрической схемы

Напомним, что мы рассчитывали решетку переменнофазно связанную с полем волновода, которая может быть выполнена с продольными щелями на широкой стенке, при размещениях их по разные стороны от средней линии. Эквивалентная схема такой антенны приведена на рисунке 3.1 [1]

Рисунок 3.1 - Эквивалентная схема антенной решетки.

Нормированная проводимость щели

(3.1)

где - смещение относительно центра.

Параллельные проводимости к точкам включения первой нагрузки складываются. Для того, что бы антенна была согласованна с питающим ее волноводом, необходимо выполнить условие[2]:

(3.2)

где - число щелей.

Откуда находим проводимость щели:

Зная проводимость щели и решая уравнение 3.1 можем определить смещение относительно центра.

;

Используя метод рекуррентных соотношений рассчитаем мощность излучения каждой щелью. Мощность на входе антенны принята равной единице (). [1]

(3.3)

(3.4)

где - электрическое расстояние между проводимостями.

Распределение мощности должно быть нормировано таким образом, чтобы

(3.5)

Так как в конце антенны а последней N-й щелью находится согласованная нагрузка (), то и . Выбранный нами закон распределения экспоненциальный, в соответствии с этим . Расстояние от последней щели до нагрузки определим анализируя следующее выражение:

 (3.6)

где z- расстояние до нагрузки,

Из формулы видно, что для достижения полного согласования ( Г=0 ) расстояние z нужно выбрать так, чтобы КСВ=1 . В случае резонансных щелей () для достижения Г=0 необходимо, чтобы:

1. ;

2. ;

Из выражении видно, что для достижения полного согласования необходимо выбрать расстояние от последней щели до нагрузки .

Мощность излучения каждой щелью приведена в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

	11	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
	0.16	0.14	0.117	0.102	0.078	0.058	0.044	0.038	0.036	0.039	0.042	0.046	0.05

На рисунке 3.1 приведен график распределения мощности по щелям.

Рисунок 3.2 Распределение мощности.

Как видим распределение мощности происходит по экспоненциальному закону.

По формуле 3.5 мы должны получить сумму равную 0,95, так как , что в итоге и получается, если просуммируем значения мощности для каждой щели из таблице 3.1.

3.2 Расчет фидерного тракта, соединяющего передатчик с антенной

Для возбуждения волновода применим зондовый переход от коаксиальной линии к волноводу, схема которого приведена на рисунке 3.2. [1]

Рисунок 3.3 - Зондовый переход.

Зондовый переход по существу представляет собой несимметричную антенну. Расчет ведется из условия согласования с коаксиальной линией и волноводом. Для этого следует найти его длину из системы равнений:

(3.7)

где z_o, x_o -положение зонда в волноводе, - его длина, -волновое сопротивление кабеля 50 Ом, - волновое сопротивление зонда Так как неизвестных величин три, то задаются одной из них. Для решения 3.6 задают , тогда рассчитывают по следующей формуле

(3.8)

В итоге получим

Подставляя все численные значения в формулу 3.8, и решая ее относительно , получим:

На практике диаметр зонда принимают равным , а радиус провода зонда считают равным и сопротивление зонда рассчитывается по следующей формуле [1]:

(3.9)

Итак получаем:

Из формулы 3.6 определим расстояние

.

Таким образом рассчитали систему возбуждения волновода.

На рисунке 3.4 приведен конструктивный чертеж антенны [1].

Рисунок 3.4 - Конструктивный чертеж антенны.

1- короткозамыкающий поршень, 2 - волновод, 3 - поглощающая нагрузка, 4 - высокочастотный разъем.

4. Расчет НО

Направленные ответвители предназначены для направленной передачи электромагнитной энергии из одной линии передачи в другую, причем так, что направление передачи энергии во второй линии зависит от направления передачи в первой линии. Если из одной линии в другую передается заметная часть мощности, то направленные ответвители можно отнести к классу делителей мощности, а ели небольшая часть - то к классу развязывающих устройств.

Рисунок 4.1 - Принципиальная схема направленного ответвителя.

Основные типы направленных ответвителей:

- коаксиальные и волноводные с одиночными элементами связи, обладаюшими собственной направленностью (отверстия и петли связи);

- коаксиальные и полосковые двух- и многошлейфовые;

- полосковые с использованием полей рассеяния;

- волноводные многодырочные и многостержневые;

- волноводные со щелевой связью.

Рассмотрим конструкцию ответвителя Бете, выполненного на волноводах. Принципиальная схема приведена на рисунке 4.2

Рисунок 4.2 - Схема направленного ответвителя Бете.

1 - линия связи; 2 - согласованная нагрузка;

3 - отверстие связи; 4 - основная линия.

Примем размеры волноводов стандартные: .

Если волноводы в ответвителе одинаковы, а отверстие расположено посредине широкой стороны волновода, ослабление в ответвителе можно вычислить по формуле:

(4.1)

направленность - по формуле:

(4.2)

где - диаметр отверстия; и - размеры волновода;

- угол между продольными осями волновода;

и - множители, учитывающие ослабление в отверстии, которое рассматривается как предельный волновод для волны и соответственно. Множители и вычисляются по формулам для предельных волноводов

(4.3)

(4.4)

где - толщина стенки между двумя волноводами.

Толщина стенок одного волновода составляет примерно 1,27 мм, соответственно толщина стенок между двумя волноводами будет составлять 2,54 мм.

 (4.5)

(4.6)

Используя формулы 4.5-4.6определим следующее:

Угол между продольными осями волноводов примем 60 градусов и подставляя формулу 4.3 в формулу 4.1 получим диаметр отверстия

Выражая ослабление и направленность в децибелах, формулу 4.1 можно записать:

, (4.7)

где ,

На рисунке 4.3 приведен график АЧХ направленного ответвителя Бете.

В техническом задании сказано построить АЧХ в диапазоне частот 11-12,5ГГц или что тоже самое в диапазоне длин волн 2,4-2,7 см.

Рисунок 4.3 - АЧХ направленного ответвителя Бете.

5. Расчет дальности действия РЛС с учетом неблагоприятного влияния атмосферы.

Для расчета дальности действия РЛС воспользуемся уравнением радиолокации [3]

(5.1)

где мощность передатчика;

эффективная рассеивающая поверхность;

множитель, учитывающий влияние атмосферы и земной поверхности на распространение радиоволн, связан с множителем ослабления следующим соотношением

(5.2)

В общем случае формула для расчета мощности сигнала на входе приемника имеет вид:

P_пр=P_0прV²,

где P_0пр-мощность на входе приемника.

V_дБ=20lg(P_пр/P_0пр)=20lg(100/10^-13)=300

Заключение

В результате была получена антенна со следующими характеристиками:

Сектор углов сканирования , коэффициент полезного действия - 95%, ширина диаграммы направленности при сканировании - , количество щелей - 13, длина антенны - 19,4 см, дальность действия 28000м. Также был рассчитан НО по схеме Бете с переходным ослаблением -10дБ, и диметром отверстия 8,5 мм.

Список используемой литературы

1. ВоскресенскийА.И., Антенны и устройства СВЧ.-М: Связь 1972,320с.

2. Лавров А.С., Резников Г.Б., Антенно - фидерные устройства. М: Связь, 1974,368с.

3. Краснюк Н.П., Дымович Н.Д., Электродинамика и РРВ. М.: ВШ,1974,536с

4. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств.: M: Энергия, 1973, 440с.

Размещено на Allbest.ru