Особенности построения Фар. Возбуждение излучателей ФАР (рис. 3.2.) производится либо при помощи фидерных линий, либо посредством свободно распространяющихся волн (в т. н. квазиоптических ФАР), фидерные тракты возбуждения наряду с фазовращателями иногда содержат сложные электрические устройства (т. н. диаграммообразующие схемы), обеспечивающие возбуждение всех излучателей от нескольких входов, что позволяет создать в пространстве соответствующие этим входам одновременно сканирующие лучи (в многолучевых ФАР).
Рис. 3.2 Возбуждение излучателей ФАР
Квазиоптические ФАР в основном бывают двух типов: проходные (линзовые), в которых фазовращатели и основные излучатели возбуждаются (при помощи вспомогательных излучателей) волнами, распространяющимися от общего облучателя, и отражательные - основной и вспомогательные излучатели совмещены, а на выходах фазовращателей установлены отражатели. Многолучевые квазиоптические ФАР содержат несколько облучателей, каждому из которых соответствует свой луч в пространстве. Иногда в ФАР для формирования ДН применяют фокусирующие устройства (зеркала, линзы). Рассмотренные выше ФАР иногда называются пассивными.
В результате непосредственного взаимодействия излучателей между собой характеристики ФАР (согласование излучателей с возбуждающими фидерами, КНД и др.) при качании луча изменяются. Для борьбы с вредными последствиями взаимного влияния излучателей в ФАР иногда применяют специальные методы компенсации взаимной связи между элементами.
Перспективы развития Фар. К наиболее важным направлениям дальнейшего развития теории и техники ФАР относятся: 1) широкое внедрение в радиотехнические устройства ФАР с большим числом элементов, разработка элементов новых типов, в частности для активных ФАР; 2) развитие методов построения ФАР с большими размерами раскрывов, в том числе неэквидистантных ФАР с остронаправленными антеннами, расположенными в пределах целого полушария Земли (глобальный радиотелескоп), 3) дальнейшая разработка методов и технических средств ослабления вредных влияний взаимной связи между элементами ФАР; 4) развитие теории синтеза и методов машинного проектирования ФАР; 5) разработка теории и внедрение в практику новых методов обработки информации, принятой элементами ФАР, и использования этой информации для управления ФАР, в частности для автоматического фазирования элементов (самофазирующиеся ФАР) и изменения формы ДН, например понижения уровня боковых лепестков в направлениях на источники помех (адаптивные ФАР); 6) разработка методов управления независимым движением отдельных лучей в многолучевых ФАР.
3.2 Анализ задания на проектирование
Исходные данные:
· Диапазон частот
· Поляризация линейная вертикальная
· Коэффициент усиления
· Уровень боковых лепестков
(равноамплитудное распределение)· Волновое сопротивление 50 Ом
· Мощность передатчика в импульсе
· КСВ £ 2
Еще на стадии знакомства с дипломным заданием мы уже можем предположить возможную конструкцию проектируемой антенны. В качестве элементарных излучателей примем прямоугольные полосковые излучатели, так как полосковая структура позволяет изготовить антенну с заданными параметрами и наименьшими геометрическими размерами, что актуально, учитывая облать применения данной антенны. Ведь она должна быть мобильной. Также ППИ обеспечивает необходимую линейную вертикальную поляризацию излучения, что достигается подачей питания к излучателям в соответствующей плоскости.
Схему питания АР примем последовательно-параллельной, так как данная схема предельно проста, а при изменении рабочей частоты набег фазовой ошибки в линии питания проиходит с обеих сторон от точки питания, что вызывает квадратичные фазовые ошибки, в результате чего максимум ДН не отклоняется от нормали.
Необходимый диапазон рабочих частот обеспечивается выбором диэлектрической подложки, а именно ее диэлектрической проницаемости и толщины. Указанный в задании диапазон рабочих частот достаточно велик, следовательно, диэлектрик нужно брать с наименьшей диэлектрической проницаемостью. Самое простое решение – воздушный диэлектрик.
3.3 Конструктивный расчет АР
3.3.1 Расчет параметров линии передачи
В качестве линии передачи используем микрополосковую линию передачи. Важными достоинствами МПЛ являются широкополосность, малые масса и габариты, высокая технологичность линий и СВЧ устройств, конструируемых на их основе, применение печатного монтажа и возможность автоматизации процесса.
Рис.3.3 Несимметричная полосковая линия передачи
В качестве материала подложки возьмем стеклотекстолит – слоистый прессованный материал, изготовленный из листов стеклоткани (из волокон марки "Э" – электроизоляционного – толщиной 0.1 мм) и пропитанный термореактивным связующим – эпоксидной смолой, отверждаемой смолой новолачного или резольного типа. Листовой стеклотекстолит получают в результате прессования пачки листов стеклоткани, пропитанных связующим и облицованных медной фольгой (типа ФМЭО – оксидированной медной электролитической фольгой – толщиной 35 и 50 мкм; типа ФМЭОШ – оксидированной медной электролитической фольгой повышенной шероховатости 35 … 50 мкм). Для приклейки фольги к диэлектрику используется клей БФ-4, наполненный пылевидным кварцем. Прочность сцепления фольги с диэлектриком 800 … 1000 Н/м.
Материал допускает механическую обработку, выдерживает технологические воздействия при изготовлении полосковых схем, хорошо склеивается с аналогичными диэлектриками и металлами. Допустимая температура пайки 260°С (10 … 15 с). Водопоглощение значительное: 1.5 … 3 % (за 24 ч). Диапазон рабочих температур -60 … +85°С, нагревостойкий стеклотекстолит допускает возможность эксплуатации его при температурах до 180 … 200°С в течении 50 … 100 ч.
Основной недостаток: высокие диэлектрические потери и разброс диэлектрической проницаемости от партии к партии, что определило ограниченную область применения стеклотекстолита на СВЧ (в основном в качестве несущей конструкции полосковых линий с воздушным заполнением).
Но не смотря на все недостатки, которые напрямую относятся к изготавливаемому макету, стеклотекстолит является наиболее доступным материалом и позволяет достичь требуемых параметров.
Стеклотекстолит имеет следующие параметры:
- Диэлектрическая проницаемость er = 6
- Тангенс угла диэлектрических потерь
- Толщина подложки h=10-3 м
- Толщина полоска t=3*10-5 м
Один из основных недостатков плоских МПА является их узкополосность. Ограничение полосы происходит из-за резкого рассоглосования антенны уже при незначительных расстройках частоты от резонанса. Для расширения рабочей полосы частот воспользуемся высокодобротными излучателями у которых диэлектрическая подложка занимает лишь часть поперечного сечения структуры. На рисунке 3.4 показана структура испольуемая в макетном образце, МПВ над подложкой.
Рис. 3.4 МПВ над подложкой
Данная структура представляет собой конденсатор, следовательно для расчета эквивалентной диэлектрической проницаемости воспользуемся следующими соотношениями:
(3.1)где: С – ескость конденсатора, образованного экраном и МПВ
e0 = 8.85*10-12 Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость
S – площадь излучающей поверхности антенны
значение d1 выбрано по графикам [6, стр.132-133], из условия, что
Учитывая это получаем:
3.3.2 Расчет параметров одиночного излучателя
В качестве излучателя возьмем прямоугольный полосковый резонатор
Рис. 3.5 Прямоугольный полосковый излучатель.
Диэлектрическая проницаемость: