Основы теории и проектирования антенных решеток

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

 

 

Методические указания по выполнению домашнего задания по специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» по дисциплине «Радиотехнические системы и устройства» (10-й семестр)

 

 

Калуга, 2012

 

 

Обсуждено и одобрено на заседании кафедры

«Конструирование и производство электронной аппаратуры»,

протокол № от «» января 20 г.

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Общие свойства и назначение антенных решеток......................................... 4

Диаграмма направленности линейной решетки............................................ 5

Линейная антенная решетка с равномерным амплитудным и

линейным фазовым распределением возбуждения излучателей.................. 7

Плоские антенные решетки с равномерным амплитудным и

линейным фазовым распределением возбуждения излучателей................ 15

Полосковые антенные решетки..................................................................... 18

ПРИЛОЖЕНИЕ. Основные характеристики и параметры антенны........... 25

Литература.................................................................................................... 27

Контрольные вопросы.................................................................................. 27

Задачи для самостоятельного решения и

правила составления отчета по ДЗ............................................................... 28

 

 

Общие свойства и назначение антенных решеток

 

Рис. 1. Фазированная антенная решетка.

 

Антенная решетка представляет собой систему слабонаправленных излучателей, расположенных друг от друга на некотором расстоянии, обычно меньшем длины волны. Как правило, излучатели делаются одинаковыми. Все излучатели в режиме передачи возбуждаются от общего генератора, а в режиме приема работают на общую нагрузку (приемник). Распределение мощности генератора в режиме передачи между излучателями осуществляется с помощью системы распределения мощности. Эта же система обеспечивает объединение мощности, принятой отдельными излучателями, в общей нагрузке. Приближенно коэффициент направленного действия решетки (КНД) равен произведению КНД одного излучателя на число излучателей (терминология – см. Приложение). При большом числе излучателей возможно достижение больших значений КНД, поэтому антенные решетки относятся к классу средне- и высоконаправленных антенн, хотя нередко используются антенные решетки с небольшим числом излучателей.

Антенные решетки применяются в миллиметровом, сантиметровом, дециметровом, метровом и в отдельных случаях в декаметровом диапазонах волн. Причем в дециметровом и метровом диапазонах антенные решетки как средне и высоконаправленные антенны используются вместо зеркальных антенн, которые в этих диапазонах имеют слишком большую массу.

Амплитудное распределение возбуждения излучателей в антенной решетке делается таким, чтобы обеспечить уровень боковых лепестков не более допустимого. Фазовое распределение делается равномерным или линейным. Линейное фазовое распределение обеспечивает сканирование, т.е. перемещение диаграммы направленности (ДН) в пространстве. Электрическое сканирование производится путем изменения параметров линейного фазового распределения с помощью электрически управляемых фазовращателей, включаемых в каждый излучатель или в группу излучателей. Такие излучатели строятся с применением намагниченных ферритов или p-i-n диодов и управляются с помощью специальной ЭВМ.

По способу размещение излучателей в пространстве антенные решетки делятся на линейные, в которых излучатели расположены вдоль линии; двухмерные, в которых излучатели расположены на поверхности; трехмерные, в которых излучатели расположены в некотором объеме.

 

Линейная антенная решетка с равномерным

Плоские антенные решетки с равномерным

Полосковые антенные решетки

 

К достоинствам этого вида антенн относятся простота конструкции, небольшие объем и масса, возможность размещения на летательных объектах.

 

Конструкция одиночного излучателя

В качестве одиночного излучателя выберем полосковый резонатор с возбуждением штырем. На рис. 7 представлен эскиз одиночного излучателя.

 

Рис. 7. Конструкция полоскового резонатора.

 

Обычно используется низший тип резонанса, при котором , где λ_в – длина волны в полосковой линии передачи с шириной проводника (далее в расчетах будем полагать a = b). Поляризация излучения такой полосковой антенны – по нормали к плоскости подложки. В качестве линии передачи, отводящей энергию и питающей излучатель, на рисунке изображена несимметричная полосковая линия передачи. Смещение точки возбуждения относительно центра (y ₀), размеры отверстия в подложке (D) и диаметр соединительного штыря, а также конструктивные параметры полосковой линии выбираются из условия согласования между собой волновых сопротивлений отдельных звеньев питающей цепи. Данный круг вопросов далее не рассматривается (ему посвящены другие разделы учебной программы). Сосредоточим внимание на расчетах размеров, количестве, расположении излучателей, а также фаз питающих токов. Кроме того, выполним построение ДН решетки.

Исходными данными будут:

рабочая частота – f = 3.5 ГГц;

ширина луча главного лепестка ДН антенны в плоскостях XZ, YZ – ;

максимальные углы отклонения луча от нормали к решетке в плоскостях сканирования XZ, YZ – .

 

1. Расчет параметров конструкции излучателя.

В качестве материала подложки для излучателей выбирают диэлектрики с малыми СВЧ-потерями, например фторопласт фольгированный армированный ФАФ-4СКЛ (диэлектрическая проницаемость ε_п = 2.6).

Далее необходимо задать общую толщину диэлектрика (подложка плюс воздушная прослойка h = d_п + d_в). Обычно h < 0.1 λ, где длина волны электромагнитной волны в свободном пространстве на рабочей частоте:

м

Выберем с запасом мм.

Зададим толщину подложки d_п = 1 мм, и толщину воздушной прослойки d_в = h – d_п = 3,3 мм. Определим эффективную диэлектрическую проницаемость двухслойного диэлектрика, на котором расположены излучатели (для воздуха ):

.

Размер b задается резонансной длиной и выбирается в пределах (0.4…0.5) λ_в, где . Возьмем (с округлением в меньшую сторону)

мм.

От размера a зависит входное сопротивление излучателя. При этом задача согласования излучателя с питающим штырем может быть решена выбором параметра y ₀. Поэтому на размер a можно не накладывать жестких ограничений. Для определенности будем полагать

a = b = 39 мм.

 

2. Количество излучателей и шаги их размещения в решетке.

Для определения параметров , N_x и , N_y воспользуемся равенством (21) и неравенством (20). На их основе составим неравенства

, .

Отсюда следует, что минимальное количество излучателей рассчитывается по формулам

,; .

Округлив полученные значения до ближайших в б о льшую сторону натуральных чисел, получим необходимые значения N_x, N_y и по (20) рассчитаем шаги

,, .

Подставляя значения, получим и мм. (с округлением шагов в меньшую сторону)

 

3. Фазовый сдвиг токов питания излучателей.

Как отмечалось выше, отклонение луча на заданный угол (сканирование) осуществляется изменением фаз питающих токов. При этом сдвиг фазы между токами соседних излучателей в общем виде определяется выражениями (25). При сканировании в плоскости XZ угол φ = 0 и необходимое изменение фаз определяется соотношениями

, .

Для плоскости YZ и тогда из формул (25) следует

, .

Максимальные значения фаз будут: и .

4. Диаграмма направленности одиночного полоскового излучателя.

Нормированныe ДН в плоскостях XZ и YZ с достаточной для практических применений точностью описываются выражениями:

, .

 

5. Диаграмма направленности решетки.

Множитель решетки задан выражением (24). После подстановок получим

,

.

ДН решетки в соответствующих плоскостях рассчитываются по формулам

, .

На рис. 8 – 11 приведены ДН, построенные для случая синфазного питания излучателей () и для максимальных фазовых сдвигов ().

 

 

Рис. 8. Нормированные диаграммы направленности в плоскости XZ при синфазном питании излучателей. Пунктирная линия – ДН отдельного полоскового излучателя ; точечная – множитель системы ; сплошная – ДН всей решетки .

 

 

Рис. 9. Нормированные диаграммы направленности в плоскости XZ при фазовом сдвиге питающих токов . Пунктирная линия – ДН отдельного полоскового излучателя ; точечная – множитель системы ; сплошная – ДН всей решетки .

 

 

Рис. 10. Нормированные диаграммы направленности в плоскости YZ при синфазном питании излучателей. Пунктирная линия – ДН отдельного полоскового излучателя ; точечная – множитель системы ; сплошная – ДН всей решетки .

 

 

 

Рис. 11. Нормированные диаграммы направленности в плоскости YZ при фазовом сдвиге питающих токов . Пунктирная линия – ДН отдельного полоскового излучателя ; точечная – множитель системы ; сплошная – ДН всей решетки .

 

ПРИЛОЖЕНИЕ. Основные характеристики и параметры антенны.

 

Диаграммой направленности называется зависимость амплитуды вектора Е поля антенны в дальней зоне от угловых координат точки наблюдения P, т.е. зависимость E (θ, φ). ДН обозначается символом f (θ, φ). Ее нормируют – все значения E (θ, φ) делят на максимальное значение и обозначают нормированную ДН символом F (θ, φ). Очевидно 0 ≤ F (θ, φ) ≤ 1. ДН изображают в прямоугольных или полярных координатах как функцию угла θ при φ = сonst. Обычно берут два значения угла φ = 0 и φ = 90⁰.

Коэффициент направленного действия – это отношение мощности излучения гипотетической изотропной антенны с F (θ, φ) = 1 к мощности излучения заданной направленной антенны при условии, что обе антенны создают в точке наблюдения P дальней зоны поле одинаковой напряженности. Обозначение – D. В направлении главного максимума D > 1 и достигает максимального значения. В направлении нулей D = 0. Чаще всего под КНД понимают его максимальное значение, т.е. значение в направлении главного максимума ДН.

Используется также другое определение КНД, эквивалентное рассмотренному: КНД – это отношение плотности потока мощности направленной антенны к плотности потока мощности ненаправленной антенны в одной и той же точке пространства при условии излучения обеими антеннами одной и той же мощности.

Коэффициент полезного действия. Основная часть подводимой к антенне мощности излучается в пространство, но часть – теряется на тепло. Обозначим эти две мощности символами W_изл и W_потери. КПД, обозначаемый символом η, есть .

Коэффициент усиления – это произведение КНД и КПД. Обозначается символом G и рассчитывается по формуле G = Dη.

Диаграмма направленности антенны в режиме приема – это зависимость амплитуды ЭДС или тока на входе антенны (или напряженности поля в линии передачи, подключенной к антенне) от угловых координат точки P (источника радиоизлучения).

Коэффициент направленного действия в режиме приема. Если рассматриваемая антенна ориентирована так, что главный максимум ее ДН направлен на радиоисточник, то антенна примет максимальный сигнал. Пусть при этом на входе антенны будет мощность (электродвижущая сила , ток на входе ). Если заменить рассматриваемую антенну на гипотетическую изотропную, то принимаемая мощность уменьшится и станет равной (и соответствующие и ). КНД ( его максимальное значение) в режиме приема равен отношению

.

ЛИТЕРАТУРА

Проектирование фазированных антенных решеток. Под. ред. Д.И. Воскресенского. М.: Радиотехника. 2003. 631 с.

 

 

Контрольные вопросы (будут заданы при сдаче ДЗ)

 

1. Дайте определение ДН и КНД антенны.

2. Что такое множитель системы? Приведите его формульное выражение через обобщенную координату и нарисуйте соответствующий график.

3. Как количество излучателей влияет на ДН линейной антенной решетки?

4. Каким способом устраняются дополнительные главные максимумы в ДН?

5. Каким способом можно уменьшить уровень боковых лепестков?

6. Как фазовый сдвиг токов питания излучателей влияет на ДН линейной антенной решетки?

7. В чем состоит метод частотного сканирования?

8. Как ДН отдельного излучателя влияет на ДН линейной решетки? (Сравните между собой ДН решеток с направленными и изотропными излучателями.)

9. Чем отличаются ДН плоской и линейной антенных решеток?

 

 

Задачи для самостоятельного решения и

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

 

 

Методические указания по выполнению домашнего задания по специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» по дисциплине «Радиотехнические системы и устройства» (10-й семестр)

 

 

Калуга, 2012

 

 

Обсуждено и одобрено на заседании кафедры

«Конструирование и производство электронной аппаратуры»,

протокол № от «» января 20 г.

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Общие свойства и назначение антенных решеток......................................... 4

Диаграмма направленности линейной решетки............................................ 5

Линейная антенная решетка с равномерным амплитудным и

линейным фазовым распределением возбуждения излучателей.................. 7

Плоские антенные решетки с равномерным амплитудным и

линейным фазовым распределением возбуждения излучателей................ 15

Полосковые антенные решетки..................................................................... 18

ПРИЛОЖЕНИЕ. Основные характеристики и параметры антенны........... 25

Литература.................................................................................................... 27

Контрольные вопросы.................................................................................. 27

Задачи для самостоятельного решения и

правила составления отчета по ДЗ............................................................... 28