Файл: Реферат пояснительная записка содержит 60 страниц, 14 таблиц.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Институт радиоэлектроники и информационных технологий - РТФ
Кафедра высокочастотных средств радиосвязи и телевидения
ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ В ГАК
Зав. кафедрой ВЧСРТ
______________ Князев С.Т.
( подпись)
«_____»_________________201__ г.
Разработка антенной системы метеорологической станции
Выпускная квалификационная работа
210400 2090 900 ПЗ
Руководитель______________
Мительман Ю.Е.
Нормоконтролер____________
Харитонов Ф.В.
Студент ___________________
Михалёв Н.Е. гр. РИМ – 230502
Екатеринбург
2015

2
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка содержит: 60 страниц, 14 таблиц,
7 источников.
Цель работы – разработка антенной системы метеорологической станции.
В процессе работы при помощи компьютерного моделирования были рассчитаны конструкции антенн наземной станции и коммутатора 1Х8, изготовлены макеты. Результаты будут использованы Институтом радиоэлектроники и информационных технологий – РТФ Уральского
Федерального Университета им. Б.Н. Ельцина при дальнейшей разработке метеорологического комплекса. В перспективе разрабатываемая антенная система будет использоваться на метеостанциях для радиозондирования атмосферы.
В данной работе производится выбор между секторной антенной с переключением каналов и кольцевой ФАР, и выбор оптимальной конструкции коммутатора.
В результате проведённой работы готовы 3 устройства: два коммутатора и один угол секторной антенны.
210400 2090 900 ПЗ
Изм
Лист
№ документа
Подпись
Дата
Разработал
Киреев Е.С.
Разработка антенной системы метеорологической станции
Лит.
Лист
Листов
Проверил
Мительман Ю.Е.
2 104
УРФУ, ИРИТ-РТФ
Кафедра ВЧСРТ
Группа РИМ-230502
Н. Контр.
Харитонов Ф.В.
Утвердил
Князев С.Т.

3
СОДЕРЖАНИЕ
Реферат ......................................................... Ошибка! Закладка не определена.
Содержание .............................................................................................................. 3
Перечень используемых условных обозначений, сокращений, терминов ....... 4
Введение ................................................................................................................... 5 1. Обзор перестраиваемых антенных систем ..................................................... 8 1.1 Разработка секторной антенны ................................................................. 9 1.2 Разработка кольцевой фазированной антенной решётки ..................... 15 1.3. Разработка ненаправленной антенны круговой поляризации ............. 23 2. Разработка и исследование моделей диаграммообразующих схем........... 28 2.1 Схема коммутатора с параллельно-последовательным соединением выходов ............................................................................................................... 29 2.2 Схема коммутатора с параллельным соединением выходов ............... 32 2.3 Схема коммутатора с параллельным соединением выходов и изменённой цепочкой питания ......................................................................... 34 2.4 Схема коммутатора с подключенными pin диодами в линию ............. 42 3. Результаты макетирования и экспериментального исследования антенных систем ..................................................................................................................... 45 3.1 Макетирование и исследование первого варианта коммутатора ........ 46 3.2 Макетирование и исследование второго варианта коммутатора ........ 50 3.3 Макетирование и исследование секторной антенны ............................ 54 4. Заключение ...................................................................................................... 59
Список использованных источников .................................................................. 60

4
ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ,
СОКРАЩЕНИЙ, ТЕРМИНОВ
МС – метеорологическая станция
АС – антенная система
КУ – коэффициент усиления
ДОС – диаграммообразующая система
ДН – диаграмма направленности
ПУ – поворотное устройство
ФАР – фазированная антенная решётка
ВКР – выпускная квалификационная работа

5
ВВЕДЕНИЕ
Первые комплексные метеорологические измерения атмосферных характеристик и явлений стали проводиться ещё в 18 веке, когда отдельные учёные или научные общества занимались систематическим наблюдением за погодой. Согласно источнику [1], в 19 веке после учреждения центральных метеорологических институтов, в частности Главной физической обсерватории в Петербурге, основанной в 1849 году, МС получили единое руководство, а также общую программу наблюдений.
МС – это большой комплекс, который оснащается, по возможности, по последнему слову техники. В МС имеется метеорологическая площадка, где устанавливаются основные приборы: психрометрическая будка с термометрами и гигрометрами, приборы для измерения скорости и направления ветра, осадкомер, почвенные термометры и др., а также многие приборы находятся внутри здания МС, в котором ведётся обработка множества данных. Согласно источнику [1], наблюдения проводятся по стандартной программе в течение 10-минутного интервала времени через каждые 3 или 6 часов, а в некоторых случаях ежечасно. Полученные и обработанные данные передаются в установленные адреса (бюро погоды, авиационные метеостанции и т. п.).
Техническая оснащённость МС влияет на качество составления прогнозов погоды и предупреждений о её неблагоприятных явлениях, изучения климата и его изменений. И, соответственно, чем стабильнее и современнее оборудование, тем выше процент точного прогноза.
Одну из основных ролей играют наземные станции, в состав которых входят антенные системы. Такие АС могут состоят из двух и более антенн различных конструкций и направленных характеристик. Но для всех антенн имеется одно общее требование – высокий КУ и чем больше, тем лучше, т.к. от этого зависит дальность слежения за метеорологическим радиозондом, который собирает и передаёт на МС данные о состоянии атмосферы.

6
Благодаря современным средствам компьютерного моделирования можно в сжатые сроки определить оптимальные конструкции антенн и ДОС для решения поставленных задач.
В данной выпускной квалификационной работе стоит цель разработать антенную систему МС, в которую войдут одна антенна: секторная или кольцевая ФАР, с возможностью сканирования пространства в горизонтальной плоскости в диапазоне от 0 до 360 градусов. Обязательное требование, предъявляемое к антенне с электронным сканированием – при отклонении ДН на определённый угол уровень равносигнального направления между соседними ДН не должен быть ниже -2 дБ. Это позволит стабилизировать связь при переключении между соседними каналами с метеорологическим зондом, который может находиться в любом направлении относительно стационарного пункта наблюдения на МС. Ещё одно требование, предъявляемое к разрабатываемым антеннам – это соблюдение определённых размеров: диаметр антенны не должен превышать
1500 мм, а высота должна быть не более 500 мм. Такое требование не случайно, т.к. для разрабатываемой антенны сконструирован радиопрозрачный купол, имеющий вышеприведённые размеры. Данное обстоятельство снимает ряд проблемных вопросов с разработчика, потому что есть строго определённые рамки, от которых нежелательно отступать и всё, что будет находиться под куполом, не повлияет на парусность и устойчивость АС.
Также в АС войдёт ДОС, обеспечивающая коммутацию требуемых каналов секторной антенны или подключение сразу нескольких определённых излучателей в случае с кольцевой ФАР для формирования луча в заданном направлении. К ДОС предъявляется несколько требований, одно из которых – это получить рабочий макет малых размеров.
Все полученные результаты должны быть практически полезны и применимы для дальнейшей разработки эффективной
АС метеорологического комплекса, которая проводится
Институтом

7 радиоэлектроники и информационных технологий – РТФ Уральского федерального университета им. Б.Н. Ельцина.

8
1. ОБЗОР ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ
Для уверенного приёма сигнала от метеорологического радиозонда необходимо сконструировать переключаемую антенну, обеспечивающую сканирование пространства в горизонтальной плоскости в диапазоне от 0 0
до
360 0
без серьёзных потерь в качестве принимаемого сигнала в равносигнальных направлениях (в соответствии с заданием). Для решения такой задачи существует два варианта конструкций антенн:
1)
Использование направленной антенны, например волновой канал, с механическим приводом поворота угла антенны в горизонтальной плоскости. Данный способ наиболее распространённый, но он имеет множество недостатков. Самый главный недостаток – это использование поворотных устройств, которые имеют высокую цену при ограниченном рабочем ресурсе, а это приводит к дополнительным и ненужным затратам при его замене. Также присутствует необходимость подвешивания антенны и
ПУ на мачту, что ухудшает устойчивость такой системы к ветровой нагрузке и нужно применять дополнительные меры по укреплению мачты и так далее.
2)
Использование антенны с электронным поворотом луча.
В зависимости от используемой антенны имеется несколько способов управления поворотом ДН. Данный вариант конструкции предусматривает создание ДОС, но их стоимость, в любом случае, будет порядком ниже, чем закупка и обслуживание ПУ. Из недостатков таких антенн можно отметить более низкий КУ по сравнению с направленными антеннами, а также большие размеры.
Для решения задачи был выбран второй вариант, т.к. его реализация проще первого и, исходя из вышеизложенного, конструктивно надёжнее.
Предполагается использование антенны на стационарном пункте МС и чем меньше будет присутствовать различных блоков в АС, тем лучше. Цель ВКР определена и теперь перейдём к разработке антенн.

9
1.1 Разработка секторной антенны
В качестве первого варианта антенны с электронным сканированием была выбрана секторная антенна, в которой поворот ДН осуществляется переключением каналов на определённый излучатель. В качестве излучателя используется четвертьволновый вертикальный вибратор, расположенный над экраном и имеющий уголковые отражатели.
В ходе моделирования была исследована секторная антенна с углом раскрыва 60°. После проведённой подстройки размеров антенны, были получены оптимальные ДН, по которым было определено, что уровень равносигнального направления при переключении между соседними секторами будет составлять более 3 дБ от максимума ДН. Во-первых, данное обстоятельство не соответствует поставленной задаче, а, во-вторых, очевидно, что при переключении между соседними излучателями связь с радиозондом может существенно ухудшаться.
В итоге, было принято решение спроектировать антенну, состоящую из восьми секторов с углом раскрыва сектора 45° (рисунок 1.1). Это позволит уменьшить провал уровня равносигнального направления.
Далее приведены необходимые расчёты в формулах 1.1-1.4:
Расчёт длины волны:
λ = с/f = 744 мм.
(1.1)
Из формулы (1.2) для определения угла раскрыва сектора выразим длину раскрыва сектора (1.3):
θ = (51 0
*
λ)/(sinδ* L),
(1.2)
L = 0.707*45 0
/(51 0
* 744) = 838 мм.
(1.3)

10
Т.к. выбран угол раскрыва сектора, равный 45 градусам, то положение точки возбуждения излучателя должно быть на расстоянии S, в пределах
(0,5÷1) λ
[2].
Определим длину четвертьволнового вибратора по формуле 1.4: h = λ/4 = 186 мм.
(1.4)
По результатам расчётов было проведено моделирование антенны в программной среде Ansys HFSS. Полученная модель антенны приведена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1
−
Модель секторной антенны
ДН промоделированной антенны приведена на рисунке 1.2:
Рисунок 1.2 – ДН секторной антенны

11
Ширина ДН по уровню – 3 дБ равна 86 0
. КУ антенны составил 8,5 дБ.
Далее посмотрим на рисунке 1.3, какой уровень имеет ДН в равносигнальном направлении при её повороте на 45 0
:
Рисунок 1.3 – ДН при повороте ДН на 45 0
В равносигнальном направлении ДН имеет уровень -0,62 дБ относительно максимума ДН. Этот показатель говорит о правильном выборе типа антенны и успешном её проектировании. Однако КУ недостаточно высок, что ставит под вопрос выбор именно данного типа конструкции антенны с электронным сканированием пространства, потому что дальность слежения за радиозондом является одним из ключевых факторов.
Рисунок 1.4 – ДН антенны в вертикальной плоскости Е

12
На рисунке 1.4 изображена ДН в плоскости вектора Е. Видно, что максимум излучения приподнят относительно горизонта на 20 0
, что, вероятно, может положительно сказаться на приёме полезного сигнала, т.к. снизится уровень сигнала отражённого от поверхности земли.
В вертикальной плоскости ширина ДН по уровню – 3 дБ от максимума составляет 53 0
Далее на рисунках 1.5-1.8 приведены характеристики антенны.
Рисунок 1.5 – Положение точки согласования по входу антенны на номограмме Вольперта-Смита
Рисунок 1.6 – Частотная зависимость коэффициента отражения S
11
по входу антенны
По графику на рисунке 1.6 видно, что на заданной частоте коэффициент отражения S
11
= -25,59 дБ. На рисунке 1.7 приведён график зависимости КСВ антенны от частоты:

13
Рисунок 1.7 – График частотной зависимости КСВ антенны
На заданной частоте КСВ = 1,11. Это значение является приемлемым.
А во всём рабочем диапазоне частот значения КСВ не превышают уровень
КСВ = 1,5.
Рисунок 1.8 – Объёмная ДН антенны
Полученные результаты свидетельствуют об успешном моделировании антенны и данную модель можно реализовать в виде рабочего макета. В таблице 1.1 приведены размеры разработанной модели.
Таблица 1.1 Размеры секторной антенны
Диаметр антенны D, мм
1500
Высота антенны H, мм
500
Высота вибраторов h, мм
160
Расстояния от центра до точки подключения вибраторов х
0
, мм
550

14
Получены оптимальные результаты по завершении первого этапа разработки можно считать завершённым, поэтому перейдём к моделированию второго варианта антенны с электронным сканированием пространства.

15
1.2 Разработка кольцевой фазированной антенной решётки
В качестве второго варианта антенны с электронным сканированием пространства в горизонтальной плоскости была выбрана кольцевая ФАР, в которой поворот ДН осуществляется коммутацией определённых излучателей с заданной фазой. В данном варианте поворот ДН будет производиться на 45 0
, как и в первом варианте. В качестве излучателя используется четвертьволновый вибратор с рефлектором в виде цилиндра, расположенного в центре экрана. Все необходимые расчёты в соответствии с методикой [3] приведены в формулах 1.5-1.8.
Длина волны была рассчитана ранее по формуле 1.1. Поэтому следующим шагом по формуле 1.5 определим шаг решётки: d = 0.6*λ = 446 мм,
(1.5) затем, по формуле 1.6 рассчитаем диаметр решётки:
D = λ*(51/Δφ) = 843 мм,
(1.6) где Δφ – ширина ДН по уровню – 3 дБ.
Далее найдём необходимое число элементов по формуле 1.7:
N = (D*π)/(0.6*λ) = 6.
(1.7)
Также следует определить расстояние между излучателем и рефлектором:
Δx = 0.25*λ = 186 мм.
(1.8)
По полученным размерам была спроектирована кольцевая ФАР, но, так же как и в случае с секторной антенной, шести излучателей оказалось недостаточно для формирования нужного уровня ДН в равносигнальном направлении, поэтому в конструкцию было добавлено дополнительно два

16 вибратора. Как указано в методике [3] в формировании ДН достаточно задействовать не более половины излучателей, в данном случае получаем четыре вибратора, в то время как оставшиеся четыре вибратора находятся в заднем полупространстве, которое экранируется металлическим цилиндрическим рефлектором.
В связи с этим, получаем, что для формирования ДН в направлении Х, как указано на рисунке 1.9, вибраторы 3 и 8 нужно возбуждать синфазно, но со сдвигом по фазе относительно вибраторов 1 и 2.
Рисунок 1.9 – Топология антенны
На рисунке 1.9
видно, что вибраторы, участвующие в формировании
ДН в направлении Х, образуют равнобедренную трапецию, из которой можно найти расстояние ΔМ между фазовыми центрами М1 и М2 вибраторов 1,2 и 3,8, соответственно.
Вибраторы с 1 по 8 образуют правильный восьмиугольник, а из школьного курса по геометрии [4] известно, что все углы правильного восьмиугольника равны 135 0
. Следовательно, углы α в равнобедренной трапеции тоже равны 135 0
. Далее по свойству трапеции: сумма углов,