Большая База Данных Рефератов - Разработка пакета программ для расчета фазированной антенной решетки

Рус Укр Eng

Разработка пакета программ для расчета фазированной антенной решетки

Содержание

Аннотация
Введение
1. Обзор литературных источников

1.1 Метод наводимых ЭДС
1.2 Метод парциальной диаграммы направленности
1.3 Методы на основе теории бесконечных периодических структур

2. Расчет полевых и импедансных характеристик ФАР

2.1 Входное сопротивление элемента бесконечной периодической линейной решетки
2.2 Расчет взаимного сопротивления полосковых излучателей в составе бесконечной линейной решетки
2.3 Расчет взаимного сопротивления в двумерной плоской ФАР
2.4 Расчет входного сопротивления излучателя с учетом взаимных связей
2.5 Определение полевых характеристик ФАР

3. Программы для расчета характеристик ФАР

3.1 Общие сведения
3.2 Программа для расчета полевых и импедансных характеристик ФАР

3.2.1 Описание применения
3.2.2 Методика испытаний
3.2.3 Руководство пользователя
3.2.4 Описание программы

3.3 Программа для характеристик ФАР в полосе частот

3.3.1 Описание применения
3.3.2 Методика испытаний
3.3.3 Руководство пользователя
3.3.4 Описание программы

3.4 Программа для расчета входного сопротивления изолированного излучателя

3.4.1 Описание применения
3.4.2 Методика испытаний
3.4.3 Руководство пользователя
3.4.4 Описание программы

3.5 Программа для расчета взаимного сопротивления между излучателями

3.5.1 Описание применения
3.5.2 Методика испытаний
3.5.3 Руководство пользователя
3.5.4 Описание программы

4. Результаты расчетов

4.1 Взаимное сопротивление
4.2 Диаграмма направленности ФАР
4.3 Частотные характеристики ФАР

5. Технико-экономическое обоснование дипломной работы

5.1 Краткая характеристика работы
5.2 Определение затрат на создание программы

5.2.1 Расходы по оплате труда разработчиков программы
5.2.2 Среднечасовая оплата разработчика
5.2.3 Затраты по оплате машинного времени
5.2.4 Общие затраты на создание программы

6. Безопасность и экологичность дипломной работы

6.1 Краткая характеристика работы
6.2 Безопасность проекта

6.2.1 Электробезопасность рабочего места
6.2.2 Пожаробезопасность рабочего места
6.2.3 Микроклимат рабочего места
6.2.4 Освещенность рабочего места
6.2.5 Шумы и вибрации на рабочем месте

6.3 Эргономичность проекта

6.3.1 Рабочее место оператора ЭВМ
6.3.2 Оценка качества программных средств

6.4 Экологичность проекта
6.5 Особенности проектирования антенно-фидерных устройств к воздействию сильных электромагнитных излучений. Возможный характер повреждений

6.5.1 Экранирование
6.5.2 Фильтрация
6.5.3 Заземление

Заключение
Приложение 1
Библиографический список

Аннотация
В дипломной работе на основе метода бесконечных периодических структур был разработан пакет программ, позволяющий рассчитать полевые и импедансные характеристики плоской двумерной фазированной антенной решетки (ФАР), выполненной из полосковых вибраторов или резонансных излучателей на многослойном диэлектрической подложке, с учетом и без учета взаимной связи между излучателями как на фиксированной частоте, так и в полосе частот. Кроме того, пакет включает в себя программу для расчета взаимного сопротивления между излучателями и программу для расчета входного сопротивления изолированного излучателя.

Были произведены расчеты зависимости взаимного сопротивления от расстояния между излучателями при различных диэлектриках, характерисик ФАР в полосе частот при различных диэлектриках и количества излучателей в решетке.

Введение
Фазированные антенные решетки (ФАР) благодаря возможности быстрого и гибкого изменения амплитудно-фазового распределения в излучающей структуре нашли широкое применение в радиотехнических системах связи, локации и навигации.

Элементная база современных ФАР весьма разнообразна: это и традиционные вибраторы, и щелевые излучатели, рупоры, спирали, зеркальные антенны и т.д. Особое место в этом перечне занимают полосковые излучатели. Применение интегральной технологии при их изготовлении позволяет удовлетворить весьма жестким требованиям к электродинамическим, аэродинамическим, габаритным, весовым, экономическим, конструктивным и другим параметрам.

Развитие и усложнение ФАР привело к разработке новых и усложнению известных методов расчета основных характеристик. Конструирование и расчет антенн значительно усложнились из-за увеличения числа параметов, определяющих характеристики антенн, а также из-за стремления оптимизировать характеристики или более точно их рассчитать.

В антенных решетках имеет место сложное явление взаимодействия излучателей, проявляющееся в изменении направленности и входного сопротивления излучателя при его включении в ФАР. Взаимная связь вызывает изменение входного сопротивления каждого элемента, что приводит к рассогласованию и отражению энергии в фидерной линии обратно к источнику. Резкое рассогласование может вызвать эффект ослепления, когда практически прекращаются излучение и прием электромагнитных волн. Взаимное влияние приводит также к изменению фазового и амплитудного распределения по антенным элементам. Это в свою очередь приводит к изменению диаграммы направленности, КНД, искажению поляризационных характеристик.

В настоящее время интенсивно разрабатывается теория учета взаимных связей в антенных решетках. Инженерные методы расчета взаимодействия излучателей в составе ФАР известны только для некоторых типов антенн. Учет этого взаимодействия, изменяющегося при управлении фазовым распределением, в значительной мере затрудняет расчет ФАР.

Одним из методов, позволяющих учитывать взаимные связи в антенных решетках, является метод бесконечных периодических структур, рассмотренный в [1, 2]. В этом методе сначала рассчитывают входные сопротивления излучателей путем решения интегрального уравнения Фредгольма, ядром которого является тензорная функция Грина областей, частично заполненных диэлектриком. Затем методом Галеркина находятся взаимные сопротивления между излучателями и далее все остальные импедансные и полевые харктеристики ФАР. Однако использование этого метода было ограничено из-за сложности расчетов. В настоящее время при широком распространении ПЭВМ эта задача упростилась.

Целью данной дипломной работы является разработка программы для ПЭВМ, позволяющей использовать вышеописанный метод специалистам, работающим в данной области радиотехники.

1. Обзор литературных источников
Прогресс техники антенных решеток стимулировал рост числа теоретических работ, посвященных ислледованию электродинамических характеристик ФАР. Элементарная теория антенных решеток рассматривается в [3, 4]. Здесь полагается, что решетка представляет совокупность независимых индивидуальных излучателей, а характеристики излучения ФАР зависят лишь от пространственного расположения отдельных излучателей, а также от распределения амплитуд и фаз токов, заданных на излучателях.

Наряду с этим, в работах [5, 6, 7] приводятся различные методы учета взаимного влияния между излучателями в антенных решетках. Кратко охарактеризуем эти методы.

Возможны два способа оценки взаимной связи между элементами антенной решетки. Первый способ состоит в оценке изменения входного сопротивления элемента за счет взаимного влияния. Второй способ состоит в оценке изменения диаграммы направленности элемента, изолированного от влияния соседних элементов. Для нахождения взаимных сопротивлений существует множество методов как точных, так и приближенных. Кроме этого, все методы можно рассматривать с точки зрения поэлементного подхода, который полезен при анализе решеток малых размеров и подхода на основе бесконечных периодических структур, применяемого в случае больших решеток.

1.1 Метод наводимых ЭДС
Одним из методов поэлементного подхода является метод наводимых ЭДС, подробно рассмотренный в [5]. Систему излучателей представляют эквивалентным четырехполюсником. Например, в простейшем случае, когда рассматривается два связанных вибратора, схема их замещения выглядит как на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Связанные вибраторы и их схема замещения

Диагональные элементы в матрице сопротивлений и представляют собственные сопротивления вибраторов. Недиагональные элементы и являются взаимными сопротивлениями, учитывающими электромагнитную связь между вибраторами. Взаимные сопротивления равны, если среда между излучателями изотропна. Для схемы замещения может быть записано следующая система уравнений Кирхгофа:

(1.1)

Известно, что если проинтегрировать поток вектора Пойтинга по бесконечно удаленной поверхности, охватывающей все элементы антенной решетки, то это даст возможность вычислить величину активной мощности, излучаемой всеми антеннами, а вместе с тем и активные составляющие собственных сопротивлений каждой антенны антенны и активные составляющие взаимнх сопротивлени между ними. Реактивная составляющая сопротивлений определяется по известной частотной зависимости активной составляющей.

1.2 Метод парциальной диаграммы направленности
Другим методом исследования взаимной связи, который подробно излагается в [7], является метод парциальной диаграммы направленности. Этот метод предполагает исследование диаграмм направленности и коэффициентов усиления излучателей в решетке.

Когда какой-либо излучатель антенной решетки находится в окружении остальных элементов, нагруженных на пассивные сопротивления, невозбужденные элементы также проявляют свое участие в излучении решетки. Измеренная при этом парциальная диаграмма направленности излучателя позволяет:

а) в случае возбуждения всех излучателей антенной решетки больших, но конечных размеров суперпозицией таких диаграмм получить истинную ДН решетки,

б) измеренную парциальную диаграмму можно использовать для вычисления действующего входного сопротивления или соответствующего ему коэффициента отражения, что особенно эффективно при применении к решеткам со сложными излучателями, когда теоретический анализ оказывается затруднительным.

Это метод может оказаться весьма полезным при практическом исследовании взаимного влияния в АР или при проверке теоретически полученных результатов.

1.3 Методы на основе теории бесконечных периодических структур
Для анализа больших эквидистантных АР разработан целый ряд методов, суть которых заключается в том, что АР заменяют бесконечной открытой периодической структурой и анализ поля проводят в единичной периодической ячейке такой структуры. Важным преимуществом такого подхода является то, что решение необходимо искать только для одной периодической ячейки АР, что позволяет найти достаточно точное решение при невысоком порядке решаемых уравнений.
Метод спектрального анализа, рассмотренный подробно в [6], применим в основном для эквидистантных АР, составленных из одинаковых излучателей. Мощным средством теоретического исследования таких периодических структур является аппарат рядов Фурье и дискретного преобразования Фурье (ДПФ).

Основным недостатком следует считать невозможность учета конечных размеров АР и краевых эффектов.

Метод единичной ячейки, рассмотренный в [7], применяется для анализа больших АР, состоящих из идентичных излучателей, возбуждаемых с одинаковой амплитудой и одинаковой разностью фаз между соседними элементами. Суть метода заключается в том, что все пространство АР делится две части: нижнюю, где помещается система питания, и верхнюю, в которую решетка излучает. В верхней части вокруг одного из излучателей образуют единичную ячейку, состоящую из двух электрических и двух магнитных стенок, простирающихся до бесконечности. Стенки располагают таким образом, чтобы выполнялись граничные условия и тем самым не нарушалась структура поля, сформированного под воздействием взаимного влияния элементов. После введения стенок можно пренебречь полем вне единичной ячейки, а саму ячейку можно рассматривать как своего рода волновод. Все взаимные связи между щелями учитываются автоматически. Такой подход позволяет использовать хорошо развитую теорию волноводов.

2. Расчет полевых и импедансных характеристик ФАР
Результаты, полученные на основе модели бесконечных периодических структур, позволяют оценить свойства центральных излучателей больших АР. Часто требуется выполнить расчеты для АР малых размеров, либо исследовать краевые эффекты в больших АР. Расчет взаимных сопротивлений можно выполнять и методами поэлементного подхода, но как правило это сложная электродинамическая задача. Решить данную задачу позволяет процедура, построенная на основе эквивалентности метода поэлементного расчета входных сопротивлений излучателя в бесконечной АР и метода, основанного на теории бесконечных периодических структур [2].

2.1 Входное сопротивление элемента бесконечной периодической линейной решетки
Для линейной решетки полосковых вибраторов, расположенных на многослойной диэлектрической подлжке (рис. 2.1) и имеющих распределение тока

, (2.1)

где -единичный вектор, входное сопротивление можно записать в виде [1]

, (2.2)

где J(y) - распределение тока по (2.1);

- скалярная компонента функции Грина при разложении полей по волнам Е и Н.

, (2.3)

где - собственные функции [1];

-характеристические части функции Грина.

Записав выражения для характеристических частей и собственных функций и подставив их в (2.2) и (2.3), получим выражение для расчета входного сопротивления вибратора, имеющего структуру как на рис. 2.1 и находящегося в составе бесконечной решетки с периодом B [1]

, (2.4)

где B=nA - период решетки;

- множитель, учитывающий распределение тока по вибратору;

;

б - угол наклона излучателей в решетке (б=0° - параллельные излучатели, б=90° - коллинеарные излучатели).

Для слоистой структуры, представленной на рис. 2.1, проводимость в сечении определяется по следующим рекурентным формулам:

;

; ;

; ; .

Рис. 2.1 Геометрия полосковых излучателей на многослойной диэлектрической подложке

Выражение для расчета входного сопротивления вибратора, имеющего структуру как на рис. 2.2и находящегося в составе бесконечной решетки с периодом B имеет следующий вид [1]

, (2.5)

Для слоистой структуры, представленной на рис. 2.2, проводимость в сечении определяется по следующим рекурентным формулам:

;

; ;

; ; .

Рис. 2.2 Полосковые излучатели на перевернутой диэлектрической подложке

Разложение функции Грина по волнам Е и Н, используемые в данном случае, позволяет получить компактную и достаточно простую запись выражений для расчета входного сопротивления элемента, находящегося в составе бесконечной периодической линейной решетки.

2.2 Расчет взаимного сопротивления полосковых излучателей в составе бесконечной линейной решетки
При анализе антенных решеток конечных размеров необходимо знать взаимное сопротивление между излучателями. Одним из классических методов расчета взаимных сопротивлений является метод наводимых ЭДС. Для простых типов излучателей, размещенных на воздушной подложке, удается получить либо аналитические, либо легко рализуемые алгоритмы расчета для ЭВМ. Однако, в тех случаях, когда в излучающей структуре располагается слоистый диэлектрик, расчет взаимных сопротивлений между излучателями существенно усложняется, так как кроме пространственных волн на взаимную связь между излучателями оказывают влияние поверхностные волны, направляемы диэлектрическими слоями. Одним из решением проблемы является способ определения взаимных сопротивлений между излучателями, в котором используются результаты численных расчетов входного сопротивления излучателя в составе бесконечной линейной решетки [1, 2].

Рассмотрим бесконечную линейную решетку излучателей, период которой может принимать дискретные значения nA, где n=1,2,3… Входное сопротивление решетки с периодом nA при синфазном и равноамплитудном возбуждении определяется как

взаимное сопротивление между центральным и p - элементом решетки с периодом nA,

Страницы: 1, 2, 3

Меню

Разработка пакета программ для расчета фазированной антенной решетки

Разработка пакета программ для расчета фазированной антенной решетки