Расчеты

Актуальность данной темы вызвана целесообразностью замены антенн с механическим управлением положением луча на ФАР, которые имеют лучшие характеристики.

Объектом исследования в данном проекте являются антенны с электрическим управлением положением луча.

Предмет исследования – фазированные антенные решетки.

Цель написания проекта – разработка конструкции и расчет характеристик ФАР, работающей на длине волны 15м и имеющий коэффициент усиления 32 дБ.

При написании проекта было необходимо решить следующие задачи:

• выбрать тип излучателя и рассчитать его характеристики;

• рассчитать характеристики ФАР;

• выбрать способ организации питания излучателей ФАР;

• разработать конструкцию ФАР.

Практическая значимость работы заключается в возможности применения разработанной ФАР в условиях реальной эксплуатации.

1. Выбор типа излучателя

Излучатель ФАР является одним из важнейших элементов антенной решетки. Выбор типа излучателя определяется:

• рабочим диапазоном и полосой частот;

• излучаемой мощностью;

• требуемой поляризацией;

• сектором сканирования луча;

• конструктивным исполнением фазовращателя;

• технической простотой и механической прочностью.

При длине волны ₀=15 м (частоте f₀=20 МГц) в качестве излучателя можно использовать:

• полуволновый вибратор;

• открытый конец волновода;

• диэлектрический стержень;

• спиральную антенну.

ДН такого излучателя должна не иметь провалов, а волновое сопротивление излучателя должно быть согласовано с волновым сопротивлением питающей линии.

Поскольку в техническом задании не оговаривается поляризация и передаваемая антенной мощность, считаем эти требования не существенными, то есть будем предполагать что антенна рассчитана на прием и тип поляризации не важен. В таком случае на первый план при выборе выходят техническая простота и механическая прочность излучателя, а также малая стоимость изготовления. С этих точек зрения наиболее подходящими типами излучателей являются полуволновый вибратор и спиральная антенна. Использование открытых концов волноводов будет затратно в связи с большими размерами используемых на данной частоте волноводов, использование диэлектрических стрежней затруднительно в связи со сложностью их крепления и возбуждения.

Изготовление полуволнового вибратора существенно проще в техническом плане чем изготовление спиральной антенны, поскольку при разработке спиральной антенны требуется точно выдерживать диаметр витка и угол подъема спирали. С этой точки зрения в качестве излучателя ФАР будем использовать полуволновый вибратор.

2. Расчет характеристик полуволнового вибратора

Полуволновый вибратор является одним из наиболее часто встречающихся излучателей ФАР в диапазоне длин волн от 10 до 100 м.

Полуволновый вибратор представляет собой отрезок провода (рис. 2.1) длиной . Питание на вибратор подается в центре, поэтому конструктивно вибратор состоит из двух плеч. Длина каждого такого плеча .

В зависимости от ориентации вибратора в пространстве можно получить вертикальную или горизонтальную поляризацию. Обычно вибратор устанавливают над металлическим экраном. Такой металлический экран выполняет роль рефлектора, ослабляющего излучение в заднюю полусферу.

Рис

На рисунке (а) показана диаграмма направленности полуволнового вибратора в горизонтальной плоскости, она представляет собой «восьмерку». Перпендикулярно к антенне два максимума излучения, а вдоль оси вибратора к два минимума, т.е. с этих сторон не будет ни приема, ни излучения при передаче.

Угол излучения в вертикальной плоскости зависит от высоты подвеса антенны над Землей. При высоте расположения антенны (б) излучение будет вертикально вверх, а при высоте (в) излучение будет под углом к горизонту.

Увеличивая высоту расположения антенны до (г), получим два лепестка. Нижний лепесток, имеющий , будет обеспечивать связь с дальними корреспондентами, а тот, который имеет , с ближними. Мощность передатчика при этом будет делиться на два излучения.

Рис. Полуволновый вибратор

Полуволновый вибратор может быть охарактеризован следующими геометрическим размерами:

длиной – или длиной плеча – ;

диаметром провода – .

Произведем расчет геометрических размеров и электрических характеристик полуволнового вибратора.

Длина вибратора равна:

м

При расчетах вибратора предполагается что он бесконечно тонкий, то есть выполняется условие:

1

В реальных случаях диаметр провода вибратора не может быть сколь угодно тонким из-за соображений конструктивной прочности. При длине вибратора можно принять диаметр провода вибратора равным механическая прочность такого провода будет на достаточном уровне.

При расчетах габаритов антенн необходимо использовать коэффициент укорочения, который учитывает скорость распространения электрического сигнала по поверхности проводников, которая немного меньше чем в вакууме.

При оценивании параметров проводных антенн допустимо не делать различия между «электрической» и «геометрической» длинами вибратора. Фактически электрическая и геометрическая длина вибратора равны только в том случае, когда проводник становится бесконечно тонким. Скорость распространения электромагнитных волн от проводника несколько меньше, чем скорость распространения света. В связи с этим, особенно на концах антенны, возникает емкостный ток, который эквивалентен увеличению длины антенны. Поэтому действительная длина вибратора (геометрическая длина) должна быть несколько уменьшена по отношению к его электрической длине. В действительности коэффициент укорочения трудно определить, так как на него влияют высота подвеса антенны, окружающие предметы и т.д.

Проверим выполнение условия

1

Как видно, условие выполняется. Однако, наличие провода конечного диаметра следует учесть. Это делается путем укорочения вибратора. При укорочении длина вибратора принимается меньшей чем на величину укорочения , которое зависит от диаметра провода и длины волны:

Таким образом, длина каждого плеча вибратора будет составлять:

Определим сопротивление вибратора:

где: С=0,577 – постоянная Эйлера;

Si – интегральный синус;

Ci – интегральный косинус;

k – волновое число.

Интегральный синус равен:

Интегральный косинус равен:

Определим волновое число:

Подставим численные данные в (2.5.):

Как видно, собственное сопротивление вибратора близко к волновому сопротивлению коаксиального кабеля Z_в=75 Ом. Если питать вибратора от такого кабеля без дополнительных согласующих устройств, то КСВ не будет превышать допустимой (пренебрежимо малой) величины:

где: Г – коэффициент отражения.

КСВ всегда должно быть .

Коэффициент отражения равен:

Определим коэффициент усиления полуволнового вибратора. КУ можно определить, зная коэффициент направленного действия (КНД). КНД полуволнового вибратора находится следующим образом:

Связь КУ и КНД осуществляется через КПД антенны:

где КУ антенны.

Для проведения расчетов можно принять величину КПД . Определим КУ полуволнового вибратора: