Курсовая работа: Линейная решетка вибраторных антенн

В техническом задании предложено спроектировать линейную ФАР из вибраторных излучателей, настроенную на длину волны при максимально допустимой мощности в антенне , а также с заданным уровнем боковых лепестков . Длине волны соответствует частота . Сектор сканирования и ширина диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях не заданы, их следует определить в расчете. Конструктивная часть должна учитывать заданную длину решетки и требование к сканированию в H-плоскости . Также в работе необходимо показать конструкцию одного излучателя, который при определении предельно допустимой мощности должен быть исследован на пробой. Антенну предполагается использовать не только в настроенном режиме, поэтому нужно определить полосу частот, в которой параметры антенны будут удовлетворять поставленной задаче, а также условиям эксплуатации.

Значение мощности в антенне говорит о том, что ее предполагается использовать в режиме передачи, следовательно, следует учесть специфику этого режима как при проектировании фидерного устройства, так и всего устройства в целом.

Конструктивно решетка выполняется в виде линейки симметричных вибраторов, ориентированных в пространстве определенным образом. Положение элементов антенны относительно всей решетки зависит от плоскости, в которой должно осуществляться сканирование. По заданию луч должен перемещаться в H-плоскости, соответственно, излучатели должны быть ориентированы таким образом, чтобы ось антенны лежала в H-плоскости каждого из излучателей.

С целью обеспечения однонаправленного излучения вибраторы устанавливаются над металлическим экраном. При высотах установки симметричного вибратора над экраном около и более влияние экрана на сопротивление излучения может быть учтено приближенно, если сделать предположение об идеальной проводимости металла, из которого выполнен экран. При расчете диаграммы направленности излучателя следует учесть влияние высоты подвеса вибратора над экраном на его направленные свойства. Расстояния между элементами решетки выбираются одинаковыми. Поскольку длина решетки задана, то это расстояние определяется выбором числа излучателей.

Примерный вид решетки изображен на рис. 3.

Исходя из доступности теоретического материала элементом антенной решетки выберу полуволновый () вибратор. Чтобы упростить последующий расчет вибратор буду считать тонким, то есть его диаметр .

Поскольку в реальных вибраторах ток по плечам протекает несимметрично, то во избежание искажений диаграммы направленности, падения КНД и ухудшения согласования (из-за изменения входного сопротивления излучателя) важно выбрать симметрирующее устройство, которым может служить четвертьволновая щель, U-колено и др.

Следует отметить, что необходимый уровень боковых лепестков не может быть обеспечен при равноамплитудном распределении токов, питающих излучатели, так как оно дает уровень не ниже . Для снижения уровня боковых лепестков (необходим ), и, соответственно, повышения КНД требуется применить неравномерное распределение амплитуд. При этом зависимость коэффициента усиления антенны от выбранного распределения учитывается при помощи коэффициента использования поверхности раскрыва.

Амплитудное распределение токов, питающих излучатели, определяет распределение подводимых к излучателям мощностей. Тот вибратор, на который будет подана максимальная мощность, исследуется на пробой, и если при определенной подводимой мощности условие возникновения пробоя не выполняется, то и вся решетка способна функционировать при заданном значении мощности антенны. Необходимо также указать, что значение предельно допустимой мощности вибратора при фиксированной подводимой к антенне мощности не позволяет выбирать число излучателей ниже определенного порогового значения.

Рабочей называется та полоса частот, в пределах которой параметры антенны не выходят за пределы допусков установленных заданием. Обычно границы рабочего диапазона определяются наиболее зависящим от частоты параметром.

Основываясь на приведенном анализе, можно приближенно определить последовательность действий при расчете:

– расчет и построение диаграмм направленности одиночного излучателя в E- и H- плоскостях;

– выбор амплитудного распределения, обеспечивающего заданный уровень БЛ, определение количества элементов антенны;

– предельно допустимая мощность, анализ излучателя на пробой;

– расчет и построение диаграмм направленности множителя решетки и всей решетки в E- и H- плоскостях, оценка ширины ДН и уровня боковых лепестков;

– поиск коэффициента усиления антенны;

– режим сканирования, влияние сдвига фаз между токами соседних излучателей на ДН ФАР в плоскости H, угол сканирования, уровень БЛ;

– оценка широкополосности антенны.

После выполнения расчета будет приведена схема питания устройства и конструкция излучателя с описанием.

2. Расчетная часть

2.1 Расчет диаграммы направленности одиночного излучателя

В соответствии с анализом технического задания длина вибратора

При условии, что в антенне используются тонкие вибраторы, конкретная толщина вибратора не влияет на расчет диаграмм направленности, поэтому диаметр плеча вибратора предполагается уточнить при анализе излучателя на пробой. Высоту крепления вибратора выберу следующей:

Такая высота позволяет заменить экран в расчетах зеркальным изображением вибратора. При этом взаимное влияние реального вибратора и зеркального недостаточно велико, чтобы повлиять на расчет. Влияние зеркального изображения на диаграмму направленности симметричного вибратора, установленного над экраном, выражается в том, что расчетные формулы для диаграмм направленности в плоскостях E- и H- должны быть изменены с учетом множителя и с учетом того, что излучение не может распространяться в направлении за экраном. Выражения для диаграмм направленности вибратора, расположенного в свободном пространстве, в E- и H- плоскостях имеют вид:

,

,