Файл: Реферат пояснительная записка содержит 60 страниц, 14 таблиц.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.12.2023
Просмотров: 174
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
17 прилежащих к боковой стороне трапеции равна 180 0
, поэтому по формуле 1.9 получаем:
β = 180 0
– α = 45 0
(1.9)
Зная угол β, можем определить по формуле 1.10 сторону А, которая является основанием прямоугольной трапеции ADBC:
А = В + D*cosα = 538 мм.
(1.10)
Теперь, по формуле 1.11 можем определить сторону С, которая является искомой величиной и равна ΔМ:
ΔМ = С = (D
2
-(A-B)
2
)
1/2
= 315 мм.
(1.11)
Получив искомую величину ΔМ, по формуле 1.12 можем, примерно, вычислить какой фазовый сдвиг должен быть между вибраторами 1,2 и 3,8:
Δφ = -k* ΔМ = -152.5 0
,
(1.12) где k – волновое число и равно k = (2*π)/λ.
Моделирование антенны проводилось в программной среде Ansys
HFSS. Полученная модель антенны приведена на рисунке 1.10, а её ДН изображена на рисунке 1.11 при возбуждении 1 и 8 вибраторов со сдвигом фазы Δφ относительно 2 и 7 вибраторов
Рисунок 1.10 – Модель кольцевой ФАР
18
Рисунок 1.11 – ДН разработанной кольцевой ФАР
Ширина ДН по уровню – 3 дБ равна 63 0
. КУ антенны составил 8,9 дБ.
На рисунке 1.12 изображена ДН при её повороте на угол 45 0
:
Рисунок 1.12 – ДН при повороте на 45 0
Как видно по рисунку 1.12, в равносигнальном направлении провал составил – 2,11 дБ, что не соответствует требуемому уровню на – 0,11 дБ и хуже значения, полученного при моделировании секторной антенны на -1,49 дБ.
Далее была проведена параметрическая оптимизация антенны по шагу решётки и положению излучателя относительно рефлектора, а также по фазе и амплитуде возбуждения излучателей. Полученные результаты приведены на рисунках 1.13-1.17.
19
Рисунок 1.13 – ДН после параметрической оптимизации
КУ антенны составил 10,02 дБ и превзошёл КУ секторной антенны на
1,52 дБ, что в итоге приведёт к увеличению дальности слежения за зондом.
Ширина ДН по уровню -3 дБ равна 59 0
Рисунок 1.14 – ДН при повороте на 45 0
после параметрической оптимизации
Из рисунка 1.14 видно, что в равносигнальном направлении провал составил -1,73 дБ и этот уровень лучше требуемого на 0,27 дБ. Однако способ возбуждения, применённый в этой антенне, приведёт к усложнению
ДОС.
20
Рисунок 1.15 – ДН антенны в вертикальной плоскости Е
На рисунке 1.15 изображена ДН в вертикальной плоскости. Видно, что максимум излучения приподнят относительно горизонта на 33 0
, случай аналогичный этапу разработки секторной антенны. Это 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 68 0
На рисунке 1.16 изображено положение точки согласования по входу антенны на номограмме Вольперта-Смита.
Рисунок 1.16 – Положение точки согласования по входу антенны на номограмме Вольперта-Смита
21
Рисунок 1.17 – КСВ антенны
Как видно по графику, изображённому на рисунке 1.17, КСВ антенны составил 1,16 на заданной частоте. Это значение является приемлемым.
Во всём рабочем диапазоне частоте КСВ не превышает значения выше уровня 1,5. На рисунке 1.18 приведена объёмная ДН антенны:
Рисунок 1.18 – Объёмная ДН антенны
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что разработанная кольцевая ФАР полностью соответствует всем предъявленным требованиям.
Она имеет КУ выше, чем у секторной антенны, но обеспечивает больший провал в равносигнальном направлении. Получаем, что для оптимальной работы антенны придётся пожертвовать одним из этих показателей.
По полученной модели можно реализовать рабочий макет антенны.
В таблице 1.2 приведены размеры разработанной модели антенны.
22
Таблица 1.2 Размеры кольцевой ФАР
Диаметр антенны D
1
, мм
1500
Высота антенны H
1
, мм
500
Высота вибраторов h
1
, мм
175
Радиус рефлектора R, мм
280
Шаг решётки d, мм
424
Расстояние между рефлектором и вибраторами х
1
, мм
274
По завершении моделирования двух типов антенны с электронным сканированием пространства и анализе полученных результатов, стало очевидным, что обе антенны не обеспечивают сканирование в вертикальной плоскости. При полном обороте луча на 360 0
образуется слепая зона непосредственно над антеннами в вертикальном направлении, что может привести к потере связи с метеорологическим зондом при его попадании в эту зону. Если получить картину ДН при полном обороте на 360 0
, то на ней будет виден конусообразный провал.
В связи с этим было решено добавить в АС ещё одну ненаправленную антенну круговой поляризации, которая обеспечит полное перекрытие слепой зоны. Разработка такой антенны приведена в следующей главе.
23
1.3. Разработка ненаправленной антенны круговой поляризации Разработанные ранее антенны технологически позволяют расположить дополнительную антенну в центре экрана, например, в кольцевой ФАР это можно сделать внутри рефлектора, т.к. там имеется пустое пространство и расположение в нём антенны не повлияет на основные характеристики ФАР. Диаметр рефлектора кольцевой ФАР равен 560 мм. Но всё пустое пространство занимать новой антенной нецелесообразно. Во-первых, это может отрицательно сказаться на излучении разрабатываемой антенны, т.к. она ненаправленная и её ДН может заметно исказиться. Во-вторых, помимо антенны внутри рефлектора для уменьшения АС можно разместить ДОС и источники питания при грамотном проектирования всего комплекса. Решено разработать квадрифилярную антенну, т.к. этот тип антенны подходит к решению поставленной задачи и имеет относительно небольшой диаметр. Этап разработки описан далее. Для определения предварительных размеров квадрифилярной антенны была использована компьютерная программа Antenna Magus, в которой содержатся краткие описания многих типов антенн, а также имеется возможность быстро получить дизайн нужной антенны с указанием всех размеров и её характеристик. После задания параметров в соответствии с заданием на ВКР были получены результаты приведённые ниже. На рисунке 1.19 приведён общий вид спроектированной антенны: Рисунок 1.19 – Общий вид квадрифилярной антенны
24
На рисунках 1.20 и 1.21 приведены размеры антенны:
Рисунок 1.20
–
Вид антенны сбоку
Рисунок 1.21
–
Вид антенны сверху с указанием размеров с указанием размеров
Полученная антенна имеет левую круговую поляризацию. Ниже приведена таблица 1.3 с размерами антенны, рассчитанными в Antenna
Magus.
Таблица 1.3 Размеры квадрифилярной антенны
Высота спирали H
h
, мм
417,4
Высота спирали над экраном H
f
, мм
7,94
Диаметр витка D, мм
3,97
Количество оборотов N
1,018
Радиус основания R
g
, мм
103,2
Радиус спирали R
h
, мм
51,61
По полученным размерам можно сделать вывод, что рассчитанная квадрифилярная антенна полностью соответствует заданным рамкам, т.к. максимальный радиус антенны R
g меньше радиуса рефлектора кольцевой
ФАР на 176,8 мм, а высота меньше на 82,6 мм.
Используя данные, приведённые выше, была промоделирована квадрифилярная антенна в программной среде Ansys HFSS. Модель антенны изображена на рисунке 1.22:
25
Рисунок 1.22 – Модель квадрифилярной антенны
Далее на рисунках 1.23-1.24 приведены ДН антенн, полученных в Antenna Magus и в Ansys HFSS.
Рисунок 1.22 – ДН антенны
Рисунок 1.23 – ДН антенны в вертикальной плоскости, в вертикальной плоскости, полученная в Antenna Magus полученная в Ansys HFSS
КУ антенны в первом случае равен 4,43 дБ, а во втором 4,37 дБ. Далее на рисунках 1.24-1.39 приведены графики частотных зависимостей КСВ и коэффициента отражения по входу S
11
, а также положение точки согласования на номограмме Вольперта-Смита:
26
Рисунок 1.24 – КСВ антенны,
Рисунок 1.25 – КСВ антенны полученный в Antenna Magus полученный в Ansys HFSS
КСВ, полученный в Antenna Magus равен 1,027 на заданной частоте, а
КСВ, полученный в Ansys HFSS равен 1,16. В обоих случаях результат удовлетворительный.
Рисунок 1.26 – Коэффициент,
Рисунок 1.27 – Коэффициент отражения S
11,
полученный, отражения S
11,
полученный, в Antenna Magus в Ansys HFSS
Коэффициент отражения S11, полученный в Antenna Magus равен
-37,4 дБ на заданной частоте, в Ansys HFSS – -22,4 дБ. Во втором случае коэффициент получился хуже на 15 дБ. Это можно объяснить тем, что в программе Antenna Magus даются примерные, оценочные характеристики.
К тому же, в Ansys HFSS при моделировании задаётся больше параметров, приближенных к реальным условиям, которые могут повлиять на качественные показатели антенны.
27
Рисунок 1.28 – Положение точки согласования на номограмме
Вольперта-Смита, полученная в Antenna Magus
Рисунок 1.29 – Положение точки согласования на номограмме
Вольперта-Смита, полученная в Ansys HFSS
На рисунках 1.30 и 1.31 представлены объёмные ДН:
Рисунок 1.30 – Объёмная ДН, полученная в Antenna Magus
Рисунок 1.31 – Объёмная ДН, полученная в Ansys HFSS
По представленным результатам видно, что моделирование и предварительные расчёты антенны, практически, идентичны. Эти данные можно использовать при макетировании антенны. Но у этого типа антенны есть один недостаток, необходимо обеспечить сдвиг по фазе относительно каждого витка на 90 0
. Это потребует дополнительной разработки ДОС.
28
2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ
ДИАГРАММООБРАЗУЮЩИХ СХЕМ
В качестве диаграммообразующей схемы было решено разработать коммутатор с одним входом и восемью выходами, реализованный на микрополосковых линиях. Во-первых, такой тип коммутатора соответствует поставленной задаче, т.к. рассматриваемые антенны имеют 8 излучателей, а во-вторых, можно достичь максимально допустимых малых размеров устройства благодаря микрополосковому исполнению. Исходные данные к разработке коммутатора приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 Исходные данные к разработке коммутатора
Центральная частота, f
0 403 МГц
Рабочая полоса частот, Δf
6 МГц
Используемая подложка стеклотекстолит FR-4
Диэлектрическая проницаемость, ε
4,5
Высота подложки, H
2 мм
Тангенс угла диэлектрических потерь, δ
0,02
Коммутацию линий было решено осуществить с помощью pin диодов, т.к. они имеют малые размеры и хорошие эксплуатационные показатели.
В технической литературе не нашлось подходящей конструкции коммутатора подобного типа (большинство ограничивается шестью выходами), поэтому проектирование проходило в несколько этапов, включающих в себя множество схем, каждая из которых дополняла предшествующую.
Далее кратко описаны этапы разработки коммутатора, по результатам которых была выбрана оптимальная схема, а также подходящий тип pin диода. Цель разработки – получить малогабаритный конечный макет коммутатора, при этом обеспечивающий хорошие показатели, такие как коэффициент передачи S
21
, коэффициент отражения по входу S
11
и т.д.
29
2.1 Схема коммутатора
с параллельно-последовательным соединением выходов
Моделирование схемы коммутатора осуществлялось в программной среде AWR DE, а необходимые расчёты размеров линии проводились с использованием встроенного в AWR DE приложения TXLine. Полученные результаты приведены на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Результаты расчётов размеров линии в TXLine.
Далее на основе полученных результатов была спроектирована первая схема коммутатора с параллельно-последовательным подключением выходов. Полученная схема приведена на рисунке 2.2, а её характеристики на рисунках 2.3 и 2.4.
Как говорилось ранее, коммутация линий осуществляется с помощью pin диодов. Управление диодами производится следующим образом: при подаче напряжения U номиналом 12 В диод переходит в «открытое» состояние и через него проходит мощность, а при отсутствии напряжении диод переходит в «закрытое» состояние и полностью блокирует прохождение сигнала.
30
Рисунок 2.2 – Схема переключателя с параллельно-последовательным соединением выходов
Рисунок 2.3 – График частотной зависимости коэффициента передачи S61 при открытых pin диодах
Рисунок 2.4 – График частотных зависимостей коэффициентов передачи SN1 по всем портам при закрытых pin диодах
31
По приведённым выше графикам видно, что данный тип схемы работает и имеет хорошие характеристики, однако при таком типе разветвления линий размеры устройства слишком громоздки: (140х57) см, что для реального устройства непозволительно, учитывая задачу получить устройство малых размеров. Поэтому переходим к следующей схеме.
32
2.2 Схема коммутатора с параллельным соединением выходов
На рисунке 2.5 изображена схема коммутатора с параллельным соединением выходов. Данный способ подключения выходов позволил уменьшить размеры конечного устройства, при этом сохранились на хорошем уровне частотные зависимости коэффициентов передачи. На рисунке 2.6 приведён график частотных зависимостей коэффициентов передачи по всем портам при одном открытом pin диоде.
Рисунок 2.5 – Схема коммутатора с параллельным соединением выходов
Рисунок 2.6 – График частотных зависимостей коэффициента передачи по всем портам
33
Стоит отметить, что в библиотеках AWR DE нет портов с одним входом и восемью выходами, поэтому было необходимо добавлять дополнительные шлейфы в схему, чтобы обеспечить необходимое разветвление линий. В итоге, это привело к увеличению размеров коммутатора. Данную проблему можно решить несколькими способами, в том числе, непосредственно в самом AWR DE, или же можно воспользоваться сторонней программой по моделированию антенн и микроволновых устройств, таких как, например, Ansys HFSS. В одной из следующих глав будет описано решение подобной проблемы, а сейчас переходим к следующему этапу проектирования.