КУРСОВАЯ РАБОТА
«Расчёт характеристик направленности
цилиндрической антенной решётки»
План
Введение
- Расчёт диаграммы направленности цилиндрической антенной решётки
- Анализ результатов расчетов
Используемая литература
Введение
Данная курсовая работа посвящена исследованию характеристик направленности цилиндрической антенной решётки.
Цилиндрическая антенная решётка- система излучателей, размещённых на цилиндрической поверхности. Частным случаем цилиндрических решёток являются кольцевые и дуговые антенные решётки, излучатели в которых размещены по окружности или дуге. Пространственная ориентация излучателей такова, что направление максимума диаграммы направленности каждого из них совпадает с направлением радиуса соответствующей антенной решётки в месте расположения излучателя.
Основными достоинствами выпуклых цилиндрических антенных решёток являются:
- возможность широкоугольного сканирования (до 3600) лучом неизменных ширины и формы в азимутальной плоскости (в плоскости дуги) и угломестной плоскостях;
- слабая по сравнению с плоскими и линейными антенными решётками взаимная связь излучателей из-за пространственного разворота их осей;
- конструктивное удобство размещения выпуклых антенных решёток на ряде объектов, например в корпусе ракеты, обшивке самолета.
К их недостаткам относятся сложность системы возбуждения излучателей и некоторая избыточность их количества. Чаще всего излучатели выпуклых антенных решёток расположены на хорошо проводящей поверхности, из-за экранирующего действия которой в формировании остронаправленного излучения будет участвовать лишь часть излучателей решётки, а именно те из них, которые расположены на освещенном участке антенной решётки.
На выпуклых антенных решётках можно сформировать несколько лучей и независимо сканировать ими, если создать соответствующее число отдельных излучателей. Однако такой режим работы антенны сложен в реализации, требует специальных устройств возбуждения излучателей.
Цилиндрические фазированные антенные решётки можно построить как из отдельных излучателей, так и из блоков, представляющих собой ряд либо линейных решёток, расположенных на образующей цилиндра, либо кольцевых решёток, размещенных одна над другой.
Известны два способа распределения энергии между излучателями цилиндрических антенных решёток: фидерный и пространственный. При фидерном возбуждении энергию к излучателям подводят с помощью отрезков линии передачи и делителей мощности. Фидерное возбуждение излучателей реализуется в последовательной, параллельной и смешанной схемах включениях излучателей, в каждой из которых по-разному могут включаться фазовращатели и коммутаторы. При пространственном возбуждении излучателей энергия к ним поступает т первичного облучателя, в поле излучения которого помещают вспомогательную решётку приёмных излучателей. К каждому приемному излучателю через управляемый фазовращатель подсоединен излучатель основной решётки. Угловой размер излучающего участка определяется шириной диаграммы направленности облучателя. При пространственном возбуждении амплитудное распределение на излучающем участке неравномерно и зависит от формы. Для широкоугольного сканирования лучом необходимо управлять положением диаграммы направленности облучателя, причём для полной реализации возможностей фазированной антенной решётки это необходимо делать электрическим способом.
- Расчет диаграммы направленности цилиндрической
антенной решётки
У многих летательных аппаратов корпус или его средняя часть имеет форму кругового цилиндра. Это позволяет применять на них двухмерные цилиндрические решётки излучателей, расположенных у обшивки летательного аппарата. Расчет цилиндрической решётки можно произвести, если считать, что она представляет собой совпадающую с осью летательного аппарата прямолинейную антенную решётку, каждый элемент которой эквивалентен круговой или дуговой решетке излучателей. Вследствие этого диаграмма направленности цилиндрической решётки в экваториальной плоскости рассчитывается так же, как и для круговой (дуговой) решётки, а диаграмма направленности в меридиональной плоскости – так же как и для линейной решётки. Пространственная диаграмма направленности цилиндрической решётки при этом равна произведению диаграмм, определённых для двух главных плоскостей:
F(θ,φ)=F1(φ)F2(θ) (1)
Такое представление диаграммы направленности F(θ,φ) справедливо в том случае, когда все круговые решётки идентичны, иначе говоря, когда амплитудно-фазовое распределение токов на цилиндрической решётке есть функция, которая может быть представлена как произведение двух функций, одна из которых зависит только от азимутальной координаты θ, а другая –только от осевой координаты φ.
Схема координат для расчёта излучения цилиндрической антенной решётки с излучателями в узлах прямоугольной сетки:
Рисунок 1.
Рисунок 2.
Угол между излучателями равен:
, (2)
Где Z-общее количество излучателей в отдельной кольцевой решётке.
С учетом вышеизложенного, сначала рассмотрим диаграмму направленности кольцевой решётки, состоящей из Z=15 полуволновых излучателей, расположенных по дуге кольца на одинаковом друг от друга
расстоянии. При формировании луча в направлении плоскости кольца φ0 принимают участие N-излучателей, находящихся в пределах эффективного угла раскрыва φ (рисунок 2), оптимальное значение для которого:
φ =(1100÷1600).
Исходные данные:
– рабочая длинна волны: λ= 10 (сантиметров);
– расстояние между излучателями: d=0,65×λ.
Для приближенного вычисления диаграммы направленности удобен метод эквивалентного линейного излучателя. Суть его заключается в том, что диаграмма направленности кольцевой антенны рассчитывается как диаграмма направленности синфазной линейной антенны, в которой амплитудное распределение соответствует проекции амплитудного распределения по кольцу в пределах излучающего участка на линейную антенну, длинной lэкв. (рисунок 3), расположенную перпендикулярно направлению формируемого луча. Множитель решётки вычисляется по выражению:
(3)
где: k=(2π/λ)-волновое число; ; φ-область действительных углов в плоскости кольца, изменяется в пределах от 00 до +1800; R- радиус кольца, по окружности которого расположены излучатели, измеряется в метрах, вычисляется по теореме косинусов, исходя из исходных данных:
(4)
Рисунок 3.
Фазовое распределение на линейной антенне, состоящей из N излучателей отличается от синфазного на величину:
(5)
Поэтому множитель решётки принимает вид:
(6)
Нормированное логарифмическое значение множителя:
(7)
Нормированное графическое изображение множителя решётки (при Z=15):
|
Рисунок 4.
Диаграмма направленности данной кольцевой антенной решётки определяется по теореме умножения:
, (8)
где F(αn,φ)-диаграмма направленности одного излучателя в плоскости кольца; I(αn)-нормируемое на максимум амплитудное распределение в отдельной кольцевой решётке.
Если в качестве излучателей выбрать полуволновый вибратор, диаграмма направленности которого определяется выражением:
, (9)
и имеет вид
|
Рисунок 5.
а также при использовании амплитудного распределения в пределах эффективного угла φ раскрыва косинус на пьедестале, для уменьшения уровня боковых лепестков:
, (10)
нормированная диаграмма направленности кольцевой F1(φ) решётки при Z=15 имеет вид
|
Рисунок 6.
При увеличении количества излучателей до Z=75:
|
|
Рисунок 7.
При Z=153:
Рисунок 8.
Таблица сравнения характеристик
диаграмм направленностей в плоскости кольца
Z | R, м. | α, град. | A1БЛ, dB | ΦБЛ (0,5), град | ΦГМ (0,5), град |
15 | 5,500 | 72,05 | -0,9 | 24 | 30,5 |
75 | 0,259 | 14,30 | -5,1 | 7 | 7,5 |
153 | 0,528 | 7,05 | -9,4 | 5,5 | 6,9 |
A1БЛ– уровень первого бокового лепестка;
ΦБЛ-ширина первого бокового лепестка;
ΦГМ-ширина главного максимума.
Таким образом видно, что с увеличением количества излучателей ширина главного максимума уменьшается.
При перекоммутации излучателей можно производить последовательный поворот антенны на угол ∆ζ, при этом максимум диаграммы направленности перемещается из точки D1 в точку D2. Это приводит к неравномерности обзора пространства (рисунок 9).
Рисунок 9.
Данный коэффициент можно определить по значению нормированной на максимум диаграммы направленности в точке J, которая соответствует пересечению двух последовательно формируемых диаграмм.
Изменением фазового распределения на излучающем участке можно осуществлять подсканирование лучом, т. е. его изменение в азимутальной плоскости .Однако из-за того, что излучающий участок при этом становится несимметричным относительно главного направления формируемого луча, эквивалентный излучатель и амплитудное распределение на нем также теряют симметрию, что приводит к расширению главного максимума, увеличению уровня боковых лепестков. Поэтому при оптимальном угле раскрыва φ используют угол подсканирования φn≤±100.
Диаграмма направленности цилиндрической антенной решётки в меридианной плоскости рассчитывается по формуле:
, (11)
Расстояние, которое выбирается между излучателями вдоль оси цилиндра , выбирается из соотношения:
, (12)
тогда:
, (13)
где I(m)-нормированное амплитудное распределение вдоль оси цилиндра; L-количество излучателей, расположенных вдоль оси цилиндра.
Нормированные диаграммы направленностей при L=3 (рисунок 10) и L=9 (рисунок 11) и L=20 (рисунок 12), с амплитудном распределении косинус на пьедестале в направлении главного максимума в меридианной плоскости: где I(m)-нормированное амплитудное распределение вдоль оси цилиндра; L-количество излучателей, расположенных вдоль оси цилиндра:
|
|
|
Рисунок 10.
|
Рисунок 11.
|
|
Рисунок 12.
Таблица сравнения
диаграмм направленности в меридианной плоскости
L | ΘГМ, град | Θ1БЛ, град. | А1БЛ, dB |
3 | 72 | – | – |
9 | 61 | 14 | -18,1 |
20 | 42 | 7 | -11,3 |
Из графиков видно, что при увеличении количества излучателей вдоль оси цилиндра ширина диаграммы направленности главного максимума уменьшается. Как говорилось выше можно отклонять главный максимум электрическим способом путём изменения фазового распределения.
- Анализ результатов расчётов
Исследования показали, что в плоскости, проходящей через направление луча и ось Z, диаграмма направленности кольцевой решётки слабонаправленная. Поэтому при формировании луча игольчатой формы диаграмма направленности цилиндрической антенной решётки в области главного максимума и первых боковых лепестков определяется в основном множителем линейки излучателей, в ортогональной же плоскости она полностью совпадает с диаграммой направленности кольцевой решётки. Путём осуществления сканирования и подсканирования возможно перемещение главного лепестка диаграммы направленности в области углов в азимутальной плоскости от 00 до 3600. Также возможно его перемещение электрическим способом и в угломестной плоскости.
При достаточном количестве излучателей в цилиндрической антенной решётке возможно создание двух или нескольких сканирующих лучей.
Литература
- Воскресенский Д .И., «Проектирование фазированных антенных решёток», Москва.: Радиотехника, 2003 г.
- Резников Г. Б. «Антенны летательных аппаратов», 1967 г.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter