ПВУиАС этап 1 доделан полностью

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ)
Институт радиоэлектроники и информационных технологий – РтФ
Школа бакалавриата
Оценка _________________
Руководитель
проектирования __________________
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к проекту по модулю
Проектирование высокочастотных устройств и антенных систем
по теме: Проектирование синфазной антенной решетки
1 этап
Студент: Зверев Антон Юрьевич
ФИО
________________
подпись
Группа: РИЗ-550019
Екатеринбург
2020
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................... 3
1 Расчет элемента антенной решетки ................................................................ 4
2 Расчет шага и числа элементов решетки ........................................................ 7
3 Расчет схемы питания антенной решетки ......................................................10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...................................................................................................13
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ..........................................14
2
ВВЕДЕНИЕ
Цель работы – спроектировать синфазную антенную решетку согласно
требованиям задания. Антенная решетка – совокупность элементов (излучателей), каждый из которых осуществляет когерентно по отношению к остальным
излучение или прием электромагнитных волн. Особенностью антенной решетки является возможность управления ее диаграммой направленности (ДН)
при изменении комплексных амплитуд и поляризации волн, излучаемых элементами.
Простейшими элементами антенной решетки служат отдельные, обычно
слабонаправленные, антенны (вибраторы, щели, спирали, открытые концы
волноводов, рупоры и т. п.). Согласно заданию в качестве излучателя используется прямоугольный полосковый резонатор. Полосковый резонатор – тип узкополосной антенны, состоящей из тонкой плоской металлической пластины,
размещенной на диэлектрической подложке на некотором расстоянии параллельно пластине земли.
Для достижения поставленной цели, в ходе работы над проектом требуется решить следующие задачи:
 спроектировать одиночный излучатель;
 рассчитать количество элементов и шаг решетки;
 рассчитать диаграмму направленности решетки и скорректировать ее
параметры при необходимости;
 рассчитать распределения амплитуды возбуждения по элементам;
 спроектировать схему питания антенной решетки.
3
1 Расчет элемента антенной решетки
Вся антенная решетка будет расположена на одной плате, где в качестве
подложки используем фторопласт ФАФ-4 СКЛ с диэлектрической проницаемостью ε = 2,6. Толщина подложки h = 1 мм.
Резонансная частота прямоугольного излучателя определяется размером
стороны, параллельно которой смещается точка питания излучателя [1]
𝑓р = 0,48 ⋅
𝑐
𝑏 √𝜀
,
(1.1)
где b – резонансный размер,
𝜀 – диэлектрическая проницаемость подложки,
с = 3·108 м/с – скорость света в вакууме,
f = 5 ГГц – заданная частота.
Согласно формулы (1.1) резонансный размер равен 17,9 мм.
Для упрощения ширина стороны полоскового резонатора при проектировании берется равной резонансной длине антенны, и соответствует рекомендуемым размерам а = (0,3 – 0,6) 𝜆 [1]
где длина волны
𝜆=
𝑐
𝑓
= 60 мм,
(1.2)
Рассчитаем проводимость излучения торца резонатора [1]
G 
π a
  2,5 10 3 Ом1.
377 λ
(1.3)
Входное сопротивление на резонансной частоте чисто активное и согласно [1] рассчитывается по формуле
Rвх
π

cos 2   y0 
b
.

2  G
4
(1.4)
Для оптимального согласования резонатора с питающей линией, точка
возбуждения смещена от края антенны на расстояние у0. При сопротивлении
основной линии Rвх = 50 Ом, имеем
𝑦0 =
𝑎
π
⋅ arccos√2 ⋅ 𝐺∑ ⋅ 𝑅вх = 5,9 мм.
(1.5)
Питания резонатора будет осуществляться несимметричной полосковой
линией передачи. Сопротивление линии подбирается шириной полоски [2]
R
377  h
0,836 
ε  w  1  1,735  ε 0,0724   w h 


.
(1.6)
График зависимости ширины проводящей полоски заданной полосковой
линии от сопротивления представлен на рисунке 1.1. Для получения сопротивления линии R = 50 Ом, ширина полоски w = 2,763 мм.
Рисунок 1.1 – Определение ширины полоски линии передачи
Рассчитанный прямоугольный полосковый резонатор показан на рисунке 1.2.
5
Рисунок 1.2 – Рассчитанный прямоугольный полосковый резонатор
Диаграммы направленности резонатора в двух плоскостях, построенные
в программе для расчета характеристик ФАР, показаны на рисунках 1.3 и 1.4.
Рисунок 1.3 – ДН резонатора в горизонтальной плоскости
6
Рисунок 1.4 – ДН резонатора в вертикальной плоскости
Согласно рисункам 1.3 и 1.4, ширина диаграммы направленности резонатора по нулям 2θ0 = 180° в обеих плоскостях.
2 Расчет шага и числа элементов решетки
Шаг решетки (расстояние между соседними излучателями) в каждой
плоскости выбирается с таким расчетом, чтобы побочный главный максимум
решетки не входил в главный лепесток одиночного излучателя [1]:
λ
𝑑𝑥 < |𝑠𝑖𝑛
𝑑𝑦 <
𝜃0𝑥 |
λ
|𝑠𝑖𝑛 𝜃0𝑦 |
= 60 мм,
(2.1)
= 60 мм.
(2.2)
Согласно [1] рассчитаем максимальные размеры антенной решетки:
𝐴𝑥 =
𝐴𝑦 =
50,8⋅λ
𝜃−3𝑥
50,8⋅λ
𝜃−3𝑦
7
= 508 мм,
(2.3)
= 508 мм.
(2.4)
При расчетном числе элементов (8×8) диаграмма направленности в вертикальной (рисунок 2.1) и горизонтальной (рисунок 2.2) плоскостях не соответствует заданию.
Рисунок 2.1 – ДН решетки в вертикальной плоскости
Рисунок 2.2 – ДН решетки в горизонтальной плоскости
8
Диаграмма направленности считается с помощью программы для расчета характеристик ФАР. Для получения требуемой диаграммы направленности (рисунки 2.3 и 2.4), проведена корректировка размеров между излучателями и количества излучателей. Для удовлетворения требований задания, методом подбора принято количество излучателей 10×10 с расстоянием 50,5 мм
между ними, в такой конфигурации обеспечивается ширина диаграммы
направленности в обеих плоскостях 6 градусов, и уровень боковых лепестков
минус 13 дБ.
Рисунок 2.3 – ДН антенной решетки в горизонтальной плоскости
Рисунок 2.4 – ДН антенной решетки в вертикальной плоскости
9
Ширина диаграммы направленности по уровню минус 3 дБ составила
6,02°, как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной.
3 Расчет схемы питания антенной решетки
Антенная решетка будет состоять из 100 элементов с равномерным амплитудным распределением тока. Схема питания будет включать в себя систему делителей мощности, обеспечивающих выбранное амплитудное распределение вдоль строк и столбцов.
Все входные линии имеют одинаковые волновые сопротивления R. К
точке разветвления подключены четвертьволновые трансформаторы с волновыми сопротивлениями Rтр1, Rтр2 и Rтр3. Такой делитель может быть согласован
с одного из входов (например, со входа 1) при заданном коэффициенте деления мощности k2 между другими входами:
k 2  P3 P2 ,
(3.1)
Rтр2  Rтр1  1  k 2 ,
(3.2)
1 k2
Rтр3  Rтр1 
.
k
(3.3)
Волновое сопротивление трансформатора Rтр1 равно сопротивлению линии. Ширина wтр и длина lтр четвертьволновых трансформаторов рассчитываются исходя из рассчитанного волнового сопротивления и длины волны в образующих их линиях
λ
,
ε эф
λл 
(3.4)
где 𝜀эф – эффективная диэлектрическая проницаемость
1
𝜀эф =
𝜀+1
2
+
𝜀−1
10
2
⋅ (1 +
10⋅ℎ −2
) .
𝑤
(3.5)
Так как распределение тока одинаковое, то рассчитаем схему питания
для половины антенной решетки, при этом один делитель будет делить мощность пополам между половинами решетки.
Рассчитанные параметры тройниковых делителей для четверти проектируемой антенной решетки приведены в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Параметры делителей проектируемой системы питания
Rтр2
wтр2
lтр2
Rтр3
wтр3
lтр3
Ом
мм
мм
Ом
мм
мм
1
70,7
1,57
10,36
70,7
1,57
10,36
0,5
61,2
2
10,29
86,6
1,06
10,48
№ делителя
на схеме
k2
1–30
17–19, 23
20–22, 24
0,67
64,6
1,83
10,32
79,1
1,27
10,43
На рисунке 3.1 представлен чертеж четверти антенной решетки.
11
Рисунок 3.1 – Четверть проектируемой антенной решетки
12
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения данной работы, была рассчитана синфазная антенная
решетка, состоящая из 100 элементов с равномерным амплитудным распределением тока. Антенная решётка расположена на подложке из фторопласта
ФАФ-4 СКЛ, её габаритные размеры 50,8 см на 50,8 см. Согласно заданным
параметрам ширина диаграммы направленность как в горизонтальной плоскости так и в вертикальной плоскости составила 6,02 градуса.
В проекте разработана схема питания, которая включает в себя систему
делителей мощности, обеспечивающих выбранное амплитудное распределение вдоль строк и столбцов.
Изучив принцип работы программы для расчёта характеристик ФАР, в
данном отчёте отражены результаты проектирования диаграмм направленности проектируемой антенной решётки.
13
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Мительман Ю.Е. Проектирование высокочастотных устройств и антенных систем. Екатеринбург, 2018.
2. Соловьянова И.П., Мительман Ю.Е., Шабунин С.Н. Техническая электродинамика и распространение радиоволн. Екатеринбург, 2017.
14