ВВЕДЕНИЕ

Антенно-фидерное устройство, обеспечивающее излучение и прием радиоволн— неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Требования к техническим характеристикам антенн вытекают из назначения радиосистемы, условий размещения, режима работы, допустимых затрат и т. д.

Широкое распространение получили остронаправленные сканирующие антенны. Сканирование позволяет осуществлять обзор пространства, сопровождение движущихся объектов и определение их угловых координат. Замена слабонаправленных или ненаправленных антенн, например связных, остронаправленными сканирующими позволяет не только получать энергетический выигрыш в радиотехнической системе за счет увеличения коэффициента усиления антенн, но и в ряде случаев ослаблять взаимные влияния одновременно работающих различных систем, т. е. обеспечивать их электромагнитную совместимость (ЭМС). При этом могут быть улучшены помехозащищенность, скрытность действия и другие характеристики системы. При механическом сканировании, выполняемом поворотом всей антенны, максимальная скорость движения луча в пространстве ограничена и при современных скоростях летательных аппаратов оказывается недостаточной. Поэтому возникла необходимость в разработке новых типов антенн.

Устройство СВЧ и антенны играют важную роль при решении многих практических задач в таких областях, как организация радиосвязи, радиолокация, радионавигация, телерадиовещание, исследование природных ресурсов и других. Антенно-фидерные устройства, обеспечивающие излучение и прием радиоволн, направленность действия в пространстве, -неотъемлемая часть любой радиотехнической системы. Допустимые размеры, конструктивные решения и технология производства антенн определяют фундаментальные ограничения, накладываемые на характеристики радиотехнических систем: дальность действия, разрешающую способность, точность пеленгации, полосу пропускания.

Наибольшее применение получили сверхвысокие частоты. Это объясняется возможностями реализации в антенных СВЧ таких параметров и характеристик, достижение которых на более низких частотах является проблематичным. Например, в диапазоне СВЧ антенны могут создавать остронаправленное излучение с шириной луча до долей градуса и усиливать подводимую мощность в десятки и сотни тысяч раз, концентрируя ее в нужном направлении в пространстве. Это позволяет использовать антенну не только для излучения радиоволн на большие расстояния, но и для пеленгации, борьбы с помехами, обеспечения электромагнитной совместимости радиосистем и решения ряда других задач.

В данном курсовом проекте стоит задача разработать передающую фазированную антенную решетку (ФАР) для радиолокационной станции (РЛС)коротковолнового диапазона, а также необходимо выбрать тип антенных элементов и их геометрию. Конструктивно антенна будет представлять собой дуновую ФАР. Поляризация поля излучения антенны вертикальная.

1 Аналитический обзор

1.1 Антенные решетки и их классификация

Фазированная антенная решётка (ФАР) — тип антенн, в виде группы антенных излучателей, в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях.

В на­стоящее время антенные решетки - наиболее распространенный класс антенн, элемен­тами которых могут быть как слабонаправленные излучатели (металлические и щеле­вые вибраторы, волноводы, диэлектрические стержни, спирали), так и острона­правленные антенны (зеркальные, рупорные и другие).

Применение антенных решеток обусловлено следующими причинами. Решетка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз коэффициент направлен­ного действия (КНД) (и соответственно усиление) антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения точности определения угловых коор­динат источника излучения в навигации, радиолокации и других радиосистемах. С по­мощью АР удается поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путем размещения в каналах решетки независи­мых усилителей высокочастотной энергии. Одним из важных преимуществ решеток является возможность быстрого (безынерционного) обзора пространства за счет кача­ния луча антенны электрическими методами (электрического сканирования). Помехо­защищенность радиосистемы зависит от уровня боковых лепестков (УБЛ) антенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке. Антенная решетка является необходимым звеном для создания такого динамического пространственно-временного фильтра или просто для уменьшения УБЛ. Одной из важнейших задач со­временной бортовой радиоэлектроники является создание комплексированной систе­мы, совмещающей несколько функций, например радионавигации, РЛС, связи.

Антенные решетки могут быть классифицированы по следующим основным при­знакам: геометрии расположения излучателей в пространстве, способу их возбуждения, закономерности размещения излучающих элементов в самой решетке, способу обра­ботки сигнала в решетке, амплитудно-фазовому распределению токов (поля) по решетке и типу излучателей. В зависимости от геометрии расположения излучате­лей АР подразделяются на линейные, дуговые, кольцевые, плоские, выпуклые (цилиндрические, конические, сфери­ческие и др.) и пространственные (трехмерные) (см. рис. 1.1). Пространст­венная решетка в простейшем случае представляет собой систему из двух плоских решеток, параллельно распо­ложенных в пространстве.

Размещение излучателей в самой решетке может быть эквидистантное, у которого шаг (расстояние между излучателями) - величина постоянная (см. рис. 1.1,а-д), и неэквидистантое, у которого шаг меняется по опре­деленному закону или случайным образом (см. рис. 1,1,з).

Рисунок 1.1 - Антенные решетки: а – линейная, б – дуговая, в – кольцевая, г – плоская, д – цилиндрическая, е – коническая, ж – сферическая, з – неэквидистантная.

Большой практический интерес представляют антенны с управляемым положением главного лепестка ДН. Управление (сканирование) можно осуществить, например, смещая облучатель линзы или зеркала из фокуса перпендикулярно оптической оси. При этом происходит наклон фронта волны, и лепесток отклоняется в сторону отставания фазы поля в раскрыве антенны.

Хотя такой электромеханический способ сканирования широко применяется, его возможности ограничены относительно небольшой угловой скоростью перемещения лепестка из-за механической инерционности подвижной части антенны (сканера).

На несколько порядков большую скорость перемещения можно получить с помощью антенн с электрическим сканированием. У таких антенн нет подвижных частей, а изменение фазового распределения в раскрыве антенны осуществляется чисто электрически: путем изменения токов или напряжений на управляющих устройствах. Опыт показал, что электрическое сканирование удобно осуществлять с помощью многоэлементных антенн (решеток). Антенные решетки (АР) с электрически управляемым лучом получили наименование антенных решеток с электрическим сканированием.

Существует три способа электрического сканирования:

1. фазовый способ – путем регулирования только фазовых сдвигов возбуждения элементов решетки;

2. амплитудный способ – путем коммутации парциальных диаграмм направленности в многолучевой антенной системе;

3. частотный способ – когда фазовые сдвиги в излучающих элементах решетки регулируются за счет изменения частоты колебаний.

Наиболее распространен фазовый способ, позволяющий строить сканирующие антенные системы как средних, так и очень больших электрических размеров.

Для формирования диаграммы направленности в одной плоскости применяются линейные антенные решетки из антенных элементов, расположенных вдоль прямой линии. Управление положением антенного луча такой решетки, как правило, осуществляется путем изменения фазового сдвига между токами в соседних излучателях на одну и ту же величину.

Формируемая решеткой диаграмма направленности зависит от диаграмм направленности отдельных излучателей, их взаимного расположения и числа, а также от амплитудно-фазового распределения поля между излучателями.

Рисунок 1.2- Плоская решетка вибраторных антенн