 |
Анализ проблемы построения линейных антенных решеток
|
|
|
|
Лабораторная работа
По дисциплине «Антенны и устройства СВЧ»
«Исследование линейной антенной решетки»
г. Ростов-на-Дону
2009 г.
СОДЕРЖАНИЕ
| 1 Цель работы | |
| 2 Сведения из теории к лабораторной работе | |
| 3 Задание для проведения исследования | |
| 4 Программа работы | |
| 5 Описание программы | |
| 6 Содержание отчета | |
| 7 Контрольные вопросы | |
| 8 Меры безопасности при проведении лабораторных занятий | |
| Приложение 1 | |
| Приложение 2 | |
| Приложение 3 | |
| Литература |
Лабораторная работа
«исследование линейной антенной решетки»
1 Цель работы:
1.1 Теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей изменения характеристик антенных решеток при вариации: числом излучателей, параметров возбуждения, угла сканирования.
1.2 Привитие навыков работы со специализированным программным обеспечением для расчета характеристик антенн, выполненным на языке MathCad.
1.3 Развитие навыков анализа результатов исследований.
Сведения из теории к лабораторной работе
Совершенствование радиоэлектронных систем и устройств является неотъемлемой частью прогресса. В то же время данный процесс требует значительных материальных затрат и интеллектуальных ресурсов. Одним из важнейших и дорогостоящих этапов практически всех радиоэлектронных систем, входящих в состав комплексов радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоуправления является разработка и моделирование антенных систем. Антенны в значительной степени предопределяют возможности пространственно-временной обработки сигналов, как правило, в цифровой форме и, как следствие, возможности радиоэлектронных систем.
|
|
|
Очевидно, что во многих случаях нужна антенна, у которой направление луча не было бы связано с ориентацией всей антенны как механической конструкции. Нужна антенна с немеханическим движением луча или, другими словами, антенна с электронным сканированием. Под сканированием здесь понимается движение луча антенны, осуществляющее обзор пространства в заданном пространственном угле. Такая антенна нужна не только в системах связи с ИСЗ, но и в системе управления движением в районе большого аэропорта.
Сложившееся к настоящему времени техническое решение антенны с электронным сканированием представлено в виде решетки, в узлах которой расположены простейшие излучатели электромагнитной волны. Цепи питания этих излучателей организованы так, что излучение, испускаемое каждым излучателем, когерентно с излучением всех излучателей, в то время как фаза излучаемых волн изменяется по заданному закону. Изменение распределения фаз на излучателях позволяет сформировать луч антенны в заданном направлении. Такая решетка излучателей с управляемым распределением фаз волн, излучаемых элементарными излучателями получила название фазированной антенной решетки. Идея, что лучом системы когерентных излучателей можно управлять, изменяя распределение фаз на излучателях, была высказана уже давно. Однако развитие радиолокации поставило задачу управления диаграммой направленности антенны в течение интервалов времени, измеряемых вначале миллисекундами, а затем микросекундами и даже долями микросекунды.
Анализ проблемы построения линейных антенных решеток
Рассмотрим схему антенны с одномерным сканированием (линейная антенная решетка), представленную на рисунке 1.1. Антенна представляет собой линейку однотипных излучателей (на рисунке 1.1 схематически представлены в виде рупорных излучателей). Вход антенны представлен одним волноводом или коаксиальным кабелем, который соединяемся с приемником, передатчиком или другой радиотехнической системой. Между входом антенны и излучателями расположен делитель мощности, и в цепи питания каждого излучателя включен фазовращатель. Фазовращатели управляются от единого устройства управления (компьютера) и формируют требуемое распределение фаз на излучателях.
|
|
|
На рисунке 1.1 показан плоский фазовый фронт, расположенный под углом 
, по отношению к плоскости расположения излучателей. Очевидно, что главный луч антенны, формируется вдоль нормали по отношению к фазовому фронту волны, заданной излучателями, и, таким образом, главный луч антенны отклонен от оси симметрии антенны также на угол . Из законов дифракции ЭМВ следует, что ширина луча антенны определяется отношением длины волны излучаемых электромагнитных колебаний к размеру антенны:
, (1.1)
где 
— ширина луча, 
— длина волны, L — размер антенны.
Рисунок 1.1 – Схема линейной фазированной антенной решетки
Пусть линейка излучателей состоит из N излучателей, d— расстояние между соседними излучателями. Тогда, чтобы обеспечить наклон фазового фронта на угол , фазовый сдвиг между соседними излучателями должен составить
. (1.2)
Разность фаз между соседними излучателями должна лежать в пределах
. (1.3)
Попытка выйти за обозначенные пределы приведет к неоднозначности положения луча антенны. Сопоставляя предыдущие формулы, находим пределы качания луча:
, 
. (1.4)
Теперь можно определить и ширину сектора качания (сканирования) луча:
. (1.5)
В случае d >λ предыдущая формула упрощается:
. (1.6)
Возникает вопрос: что происходит за пределами избранного сектора качания луча, определенного формулой? Если не принять никаких мер, то при d>λ./2 за пределами сектора качания возникнут дополнительные дифракционные максимумы и диаграмма направленности антенны перестанет быть однонаправленной. Однако, дополнительные дифракционные максимумы можно подавить, выбрав элементарные излучатели, из которых составлена линейка, такими, чтобы индивидуальная диаграмма направленности каждого элементарного излучателя обеспечивала подавление излучения за пределами выбранного сектора качания луча линейки излучателей в целом.
|
|
|
Найдем отношение сектора качания луча к ширине самого луча линейки излучателей. Для этого обратимся к формулам (1.6) и (1.1). Получим
, (1.7)
где N — число излучателей в антенне.
Формула (1.7) определяет число элементов, из которых должна состоять антенна.
Используя несколько слабонаправленных источников электромагнитных волн, можно создать антенную систему, свойства которой будут соответствовать заранее заданным требованиям. Систему идентичных излучателей, дискретно расположенных в некотором объеме на определенных расстояниях друг от друга, принято называть антенной решеткой. В авиационных РЭС антенные решетки используют для формирования остронаправленных ДН, образования ДН специальной формы, электронного управления положением ДН в пространстве и т. д. Источники электромагнитных волн, составляющие антенную систему, называются элементами решетки. Наряду с простейшими излучателями, такими как симметричный вибратор, щель, кольцевая антенна и т. п., элементами решетки могут служить и сложные антенны типа волновой канал, параболическое зеркало, диэлектрические стержни и др.
|
|
|
