Проектирование фазированных антенных решеток
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Антенны. Антенно-фидерные устройства
Издательство:
Южный федеральный университет
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 80
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9275-2229-3
Артикул: 699024.01.99
Доступ онлайн
104 ₽
В корзину
Пособие предназначено для курсового и дипломного
проектирования магистратам направлений «Радиотехника» и
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи»,
студентам специальностей «Радиоэлектронные системы и
комплексы», «Специальные радиотехнические системы» и
«Инфокоммуникационные технологии и системы специальной
связи», а также для аспирантов специальности 05.12.07
«Антенны, СВЧ устройства и их технологии». Изложены
вопросы расчета направленных свойств линейных и плоских
фазированных антенных решеток. Рассмотрены постановка
задачи и некоторые методы синтеза антенных решеток.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- 11.00.00: ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СИСТЕМЫ СВЯЗИ
- ВО - Магистратура
- 11.04.01: Радиотехника
- 11.04.02: Инфокоммуникационные технологии и системы связи
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Инженерно-технологическая академия В. А. Обуховец Проектирование фазированных антенных решеток Учебное пособие Ростов-на-Дону – Таганрог Издательство Южного федерального университета 2016
УДК 621.396.677(075.8) ББК 32.845я73 О266 Печатается по решению редакционно-издательского совета Южного федерального университета Рецензенты: зав. кафедрой «Связь на железнодорожном транспорте» Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС), кандидат технических наук, доцент Х. Ш. Кульбикаян; зав. кафедрой информационной безопасности телекоммуникационных систем ЮФУ, доктор технических наук, профессор К. Е. Румянцев Обуховец, В. А. О266 Проектирование фазированных антенных решеток : учебное пособие / В. А. Обуховец ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2016. – 80 с. ISBN 978-5-9275-2229-3 Пособие предназначено для курсового и дипломного проектирования магистратам направлений «Радиотехника» и «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», студентам специальностей «Радиоэлектронные системы и комплексы», «Специальные радиотехнические системы» и «Инфокоммуникационные технологии и системы специальной связи», а также для аспирантов специальности 05.12.07 «Антенны, СВЧ устройства и их технологии». Изложены вопросы расчета направленных свойств линейных и плоских фазированных антенных решеток. Рассмотрены постановка задачи и некоторые методы синтеза антенных решеток. УДК 621.396.677(075.8) ББК 32.845я73 ISBN 978-5-9275-2229-3 © Южный федеральный университет, 2016 © Обуховец В.А., 2016
ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ.............................................................. 6 1. НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА АНТЕННЫХ РЕШЕТОК………………………… 14 1.1.Характеристика направленности решетки……… 14 1.2. Геометрия антенных решеток…………………… 17 1.3. Линейная антенная решетка ……………………. 18 1.4. Плоская антенная решетка с прямоугольным раскрывом…………………………………………. 21 1.5. Плоская кольцевая антенная решетка…………... 24 1.6. Порядок расчета антенной решетки по заданным значениям ширины ДН и уровню боковых лепестков………….…………………….. 26 Контрольные вопросы к разд. 1…………………. 31 2. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ВЗАИМНОЙ СВЯЗИ МЕЖДУ ИЗЛУЧАТЕЛЯМИ …………………… 33 2.1. Влияние взаимной связи на параметры решетки…………………………………………… 33 2.2. Матрица взаимных сопротивлений [Z]…………. 34 2.3. Расчет взаимных сопротивлений решетки……… 37 2.4. Матрицы проводимостей [Y] и рассеяния [S] решетки……………………………………………. 42 2.5. Улучшение согласования антенной решетки при сканировании………………………………... 46 Контрольные вопросы к разд. 2…………………. 53 3. СХЕМЫ ПИТАНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК…. 54 3.1. Распределители питания закрытого и оптического типов……………………………….. 54 3.2. Диаграммообразующие схемы многолучевых решеток…………………………………………… 58 3.3. Схемы питания излучателей решеток с частотным сканированием…………………….. 62 3.4. Фазовращатели…………………………………… 64
3.5. Особенности работы антенной решетки в режиме дискретного фазирования……………… 70 3.6. Упрощенные конструкции антенных решеток…………………………………………… 71 Контрольные вопросы к разд. 3……………………… 76 Библиографический список………………………… 78
СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ ДН – диаграмма направленности КНД – коэффициент направленного действия КПД – коэффициент полезного действия УБЛ – уровень боковых лепестков АР – антенная решетка ФАР – фазированная антенная решетка ФВ – фазовращатель ОАР – отражательная антенная решетка САПР – система автоматизированного проектирования ЭМВ – электромагнитная волна ДОС – диаграммообразующая схема ЧСС – частотно-селективная структура СВЧ – сверхвысокочастотный МПЭ – микрополосковый элемент ЭПР – эффективная поверхность рассеяния
ВВЕДЕНИЕ Антенные решетки – это многоэлементные приборы, собранные из нескольких (иногда нескольких сот или даже сотен тысяч) отдельных антенн – «излучателей», работающих одновременно в составе сложной системы. Совокупное действие многих излучателей приводит к формированию направленного излучения. Даже если каждый излучатель решетки является изотропным (т. е. ненаправленным, амплитудная диаграмма направленности его не зависит от углов наблюдения const f ) , ( ), то и в этом случае антенная решетка способна формировать узкий луч (рис. 1). Рис. 1 Наиболее замечательным свойством антенных решеток можно считать возможность сканирования (перемещения) луча в пространстве при неподвижной антенне. Для реализации такой возможности необходимо возбуждать излучатели решетки так, чтобы распределение фаз токов в раскрыве решетки описывалось бы линейной зависимостью. Иными словами, сдвиг фаз токов от одного излучателя к другому увеличивался бы на одинаковую величину. Например, для линейной решетки с одинаковым расстоянием между излучателями фаза тока в const f ) , ( 1 E 2 E N E N n n E E 1
излучателе с номером n определяется выражением )1 (n n . Здесь – набег фазы. В этом случае поверхность одинаковых фаз полей излучения представляет собой плоскость, повернутую по отношению к решетке на угол, зависящий от фазового сдвига. Диаграмма направленности решетки будет иметь максимум в направлении перпендикуляра к поверхности равных фаз. Рис.1 показывает временные диаграммы изменения полей излучения при синфазном возбуждении излучателей (рис. 2, а) и при линейном набеге фаз (рис. 2, б). а б Рис. 2 Примерный вид диаграммы направленности решетки, соответствующий рис. 2, а, показан на рис. 3. Антенные решетки обладают целым рядом преимуществ по сравнению с отдельными антеннами [1] – [4]. 0 30 макс
Рис. 3 Ниже приведен краткий перечень их основных достоинств: возможность обеспечения сканирования луча в пространстве вплоть до 360 градусов; способность быстро и гибко изменять диаграмму направленности антенной решетки; возможность формировать управляемые "нули" в диаграмме направленности; - возможность получения в режиме передачи очень высоких уровней излучаемой мощности за счет когерентного сложения полей в пространстве от отдельных излучателей с усилителями, а в режиме приема – существенного повышения чувствительности всей приемной системы, такие решетки принято называть активными (АФАР); возможность осуществления обработки сигналов непосредственно в антенной системе; - в режиме передачи АФАР может формировать одну суммарную диаграмму направленности, а в режиме приема – две или четыре разностных ДН; - АФАР способны формировать многолучевые диаграммы направленности из невзаимодействующих друг с другом лучей; Излучатели АФАР совместно с фазовращателями, двухсторонними усилителями, цепями согласования и питания выполняются в виде приемо-передающих модулей (ППМ). Все
ППМ в составе решетки идентичны и взаимозаменяемы, что существенно упрощает ремонт и восстановление решетки. Полупроводниковые усилители в составе ППМ способны обеспечивать уровень выходной мощности канала одного излучателя порядка 2–4 Вт. Применение электронных (электровакуумных) усилителей может обеспечить и более высокий уровень мощности. Суммирование мощностей отдельных ППМ в пространстве позволяет добиться больших значений общей излучаемой мощности без применения дорогостоящих сверхмощных усилителей, применяемых при использовании отдельных антенн вместо АФАР. Это способствует снижению энергозатрат всей системы. Применение АФАР позволяет реализовать систему встроенного контроля, проверяющую и поддерживающую необходимые значения параметров АФАР. В военной технике в условиях боевой обстановки выход из строя от 10 до 30 % ППМ приводит к ухудшению параметров АФАР, но не исключает ее работоспособности. ППМ в АФАР могут располагаться непосредственно на поверхности несущего объекта (конформные антенные решетки), не нарушая его геометрию, а при использовании невыступающих излучателей – не нарушая аэродинамические свойства объекта. Наличие большого числа входов в режиме передачи позволяет, например, включить в цепь питания каждого отдельного входа свой отдельный фазовращатель и усилитель (рис. 4). Как отмечалось выше, изменение фазовых задержек по линейному закону позволяет осуществить электронное сканирование луча антенной решетки при неизменном положении корпуса самой решетки. Дополнительная регулировка комплексных амплитуд токов (коэффициента усиления и фазовой задержки) в отдельных излучателях решетки позволяет, кроме того, управлять формой ДН.
Рис. 4 Если к излучателям решетки подключить так называемую диаграммообразующую схему, то можно построить многолучевую антенную решетку (рис. 5), которая позволяет одновременно с помощью единой апертуры формировать систему невзаимодействующих между собой лучей. Рис. 5
При этом подключению передатчика к отдельным входам будет соответствовать формирование отдельного луча. Диаграммообразующую схему можно спроектировать таким образом [1], что ее входы будут согласованными и развязанными между собой, а создаваемые решеткой лучи не будут взаимодействовать друг с другом. Это означает, что к разным входам диаграммообразующей схемы одновременно можно будет подключить разные передатчики, каждый из которых предназначен для решения своей отдельной задачи. Все передатчики будут использовать одну и ту же антенную решетку и будут работать независимо друг от друга. Рис. 6 иллюстрирует один из возможных вариантов работы радиолокационного комплекса в многолучевом режиме. Сопровождение целей РЛС с ФАР Контроль воздушного движения Обнаружение целей Рис. 6 Повышение чувствительности (в режиме приема) и увеличение излучаемой мощности (в режиме передачи) достигается включением в канал каждого излучателя двунаправленных усилителей (два циркулятора и два усилителя). Для осуществления сканирования используются
электронно-управляемые фазовращатели. Антенные решетки, составленные из подобных приемо-передающих модулей, называют активными. На рис. 7 показан состав такого модуля (1– излучатель, 2, 5 – циркуляторы, 3, 4 – усилители, 6 – фазовращатель). 1 2 3 4 5 6 Вх Рис. 7 Следует также отметить, что при использовании отдельных усилителей сложение мощностей излучения всех элементов решетки производится в свободном пространстве. Это позволяет получить очень большие значения суммарной излучаемой мощности, что не достижимо при применении обычных антенн. Не менее яркие отличия имеют антенные решетки в режиме приема. Принимая, усиливая и обрабатывая сигналы многих входов решетки, удается не только существенно повысить чувствительность системы, но и извлечь дополнительную полезную информацию. Самым известным положительным
Доступ онлайн
104 ₽
В корзину