Основи теорії антенних решіток

Мета роботи

 

Ціль даної роботи полягає в ознайомленні студентів з основами класифікації антенних решіток і застосовуваною термінологією, вивченні конструктивних і функціональних особливостей, методики розрахунків параметрів, наочної ілюстрації впливу геометричних параметрів антеною решітки, амплітудно-фазового розподілу збудливих струмів на її спрямовані властивості й інші характеристик.

Перелік розглянутих питань:

§ класифікація антенних решіток;

§ основна термінологія;

§ теорема перемножування й поняття множника системи;

§ властивості дискретної антенної решітки;

§ вивчення впливу геометричних параметрів, амплітудно-фазового розподілу збудливих струмів антенної решітки на її спрямовані властивості.

 

Домашнє завдання

 

Підготувати бланк звіту до лабораторної роботи

Зобразити схему лабораторної установки й вивчити методику виконання вимірювань

3.3. Підготуватися до відповідей на ключові запитання

Проаналізувати результати розрахунків і вимірювань.

 

Лабораторне завдання

 

Лабораторна робота виконується на комп'ютері. При виконанні лабораторного завдання студенти можуть вивчати поводження АР у різних режимах випромінювання, при різних геометричних параметрах ґрат.

Результатом роботи розрахункового модуля комп'ютерної програми є відображення на дисплеї діаграми спрямованості АР, як у декартової, так і в полярній системі координат, (як у лінійному, так і в логарифмічному масштабі) і амплітудно-фазового розподілу струму у випромінювачах. Крім цього можна проводити розрахунки геометричних, енергетичних параметрів, а також розрахувати КСД решітки.

Уся ця інформація може бути виведена на друк, де будуть відображені не тільки результати виконання лабораторної роботи, але також час і дата виконання роботи, група, ПІБ й результати контрольного опитування.

 

Зміст протоколу

 

1. Короткий опис антени із зазначенням можливої області застосування

2. Ескіз конструкції антени із зазначенням характерних розмірів у довжинах хвиль.

3. Схема лабораторної установки

4. Формули для розрахунків характеристик антени

5. Результати, графіки й таблиці розрахунків

6. Висновки

Исследование множителя системы

дискретных антенных решеток

 

 

Цель работы

 

Цель данной работы состоит в ознакомлении студентов с основами классификации антенных решеток и применяемой терминологией, изучении конструктивных и функциональных особенностей, методики расчёта параметров, наглядной иллюстрации влияния геометрических параметров антенной решетки, амплитудно-фазового распределения возбуждающих токов на ее направленные свойства и другие характеристик.

Перечень рассматриваемых вопросов:

§ классификация антенных решеток;

§ основная терминология;

§ теорема перемножения и понятие множителя системы;

§ свойства дискретной антенной решетки;

§ изучение влияния геометрических параметров, амплитудно-фазового распределения возбуждающих токов антенной решетки на ее направленные свойства.

 

Подготовить бланк отчета к лабораторной работе

Изобразить схему лабораторной установки и изучить методику выполнения измерений

3.3. Подготовиться к ответам на ключевые вопросы

Проанализировать результаты расчетов и измерений.

 

4. Лабораторное задание

 

Лабораторная работа выполняется на компьютере. При выполнении лабораторного задания студенты могут изучать поведение АР в различных режимах излучения, при различных геометрических параметрах решётки.

Результатом работы расчётного модуля компьютерной программы является отображение на дисплее диаграммы направленности АР, как в декартовой, так и в полярной системе координат, (как в линейном, так и в логарифмическом масштабе) и амплитудно-фазового распределения тока в излучателях. Помимо этого можно проводить расчёт геометрических, энергетических параметров, а также рассчитать КНД решетки.

Вся эта информация может быть выведена на печать, где будут отображены не только результаты выполнения лабораторной работы, но также время и дата выполнения работы, группа, ФИО и результаты контрольного опроса.

 

Содержание протокола

 

7. Краткое описание антенны с указанием возможной области применения

8. Эскиз конструкции антенны с указанием характерных размеров в длинах волн.

9. Схема лабораторной установки

10. Формулы для расчета характеристик антенны

11. Результаты, графики и таблицы расчетов

12. Выводы

 

Список литературы

 

1. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства. М.: Радио и связь, 1989. - 352 с.

2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.Ж Высшая школа,1988. - 432 с.

3. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ ч.1 М.: Связь. 1977, - 384 с.

4. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройствМ.-Л.:Энергия. 1966. -648 с.

5. Антенны и устойства СВЧ. Расчет и пректирование антенных решеток и их излучающих элекментов.Под ред. Проф. Воскресенского Д.И. Учебное пособие для вузов. М: Сов. Радио.1972. - 320 с.

6. Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства. Учебное пособие для вузов связи. М.: Связь,1977. - 440 с.

7. Хмель В.Ф., Чаплин А.Ф., Шумлянский И.И. Антенны и устройства СВЧ. Сборник задач. Учебное пособие –2 е изд. - Киев, Выща школа, 1990 – 232 с.

 

Приложение I. Краткое описание программного комплекса «Исследование характеристик множителя системы дискретный антенных решеток».

 

Введение

 

Программный комплекс разработан в процессе выполнения магистерской работы в среде визуального программирования Visual Basic 5.0

Программа предназначена для проведения студентами лабораторной работы на тему "Исследование множителя системы дискретной антенной решётки". Данная лабораторная работа не является только расчётной, но включает в себя целый комплекс подпрограмм, опций и утилит, которые дают возможность не только студенту изучить поведение множителя системы при наиболее распространенных режимах возбуждения и при различных геометрических параметрах решётки, но и позволяет преподавателю проверять и оценивать знания студентов. С помощью данной программного комплекса, при правильной организации работы, можно существенно автоматизировать учебный процесс.

Комплекс построен по модульному принципу. Это означает, что все его возможности практически полностью независимы друг от друга, а следовательно повышается универсальность применения. Достаточно заменить модуль расчётной части и программа может использоваться для другой лабораторной работы. Небольшое изменение позволяет использовать программу просто для контроля знаний студентов и ведения статистики их успеваемости, посещаемости занятий и т.д.

 

Состав программного комплекса

 

Программный комплекс включает в себя 11 файлов. До первоначального запуска программы их восемь, т.к. два файла создаются после во время первого запуска.

1. Lab_Rab.exe – главный исполняемый файл программного комплекса;

2. Student.mdb – база данных формата Access, в которой хранится вся информация о пользователях, группах, индивидуальных настройках пользователей и учётная информация;

3. Puty.dat (создаётся при первом запуске) – файл данных, в котором хранится информация о пути к Базе Данных и файлам данных. Файл создаётся и должен храниться в том каталоге, где находится Lab_Rab.exe;

4. Kontrol.dat – файл данных, в котором хранится информация о контрольных вопросах для оценки знаний студентов;

5. Kriteriy.dat – файл данных, в котором хранится информация о настройках критериев оценки ответов студента на контрольные вопросы;

6. Password.dat – (создаётся при первом запуске) - файл данных, в котором хранится информация о всех паролях. (Файл зашифрован);

7. Msinfo32.exe – стандартная утилита фирмы Microsoft для определения параметров компьютера (Запускается из программы);

8. Formuly.doc – Word-файл, в котором хранятся учебные материалы по АР и основные формулы (Запускается из программы);

9. Graf.doc – Word-файл, в котором хранятся графические материалы (основные типы конструкций АР) (Запускается из программы);

10. HelpP.doc – Word-файл, в котором хранится инструкция работы в программе преподавателя и программиста (Запускается из программы);

11. HelpS.doc – Word-файл, в котором хранится инструкция работы в программе студента (Запускается из программы);

 

Программа состоит из 6 модулей:

 

1. Модуль идентификации пользователя и учётной информации;

2. Модуль учебно-обучающей информации и помощи;

3. Модуль контроля и оценки знаний;

4. Модуль лабораторной работы;

5. Модуль Security;

6. Сервисный модуль;

 

 

Сервисный модуль

 

Работа в программе после её инсталляции начинается именно с этого модуля. При начальной загрузке программы все её модули имеют настройку по умолчанию. Однако как только пользователь (преподаватель или программист) вошёл в систему он может настраивать её как захочет по своему усмотрению. При первом входе в систему сервисный модуль попросит установить путь к Базе Данных Student.mdb, где будет храниться вся учётная и настроечная информация. После того как пользователь успешно укажет путь, модуль Security запросит универсальный пароль разработчика (261270) для входа в систему. Далее, пройдя модуль идентификации, пользователь должен войти в систему под кодом "программист" и настроить систему для работы.

Основные функции выполняемые сервисным модулем:

· настройка пути к Базе Данных Student.mdb и файлам данных;

· паковка Базы Данных и устранение неполадок;

· отображение параметров компьютера и операционной системы.

 

 

Модуль идентификации пользователя и учётной информации

 

Модуль идентификации пользователя и учётной информации предназначен для идентификации пользователя, регистрации его и его действий в Базе данных, а также для установки его полномочий при работе в системе.

Модуль идентификации пользователя осуществляет следующие функции:

· идентифицирует и отображает вид пользователя (студент, преподаватель, программист). Если пользователь – студент, то идентифицирует его до группы в которой он обучается, фамилии, имени, отчества с передачей этой информации в другие модули и отображением на дисплее;

· отображает полномочия, которые отведены пользователю в данном сеансе работы с программой модулем Security;

· регистрирует учебные группы и список студентов в базе данных и ведёт их полный контроль; сюда входит регистрация действий студентов (время и дата работы с некоторыми её ресурсами), задание полномочий, регистрация успеваемости;

· ведёт журнал работы, в котором отображается время и дата входа в систему любого пользователя.

 

Модуль контроля и оценки знаний

 

Основные его функции это установить готовность студента к выполнению лабораторной работы. С помощью этого модуля преподаватель формирует перечень вопросов и 5 вариантов ответа на каждый из них. Кроме этого преподаватель устанавливает количество вопросов участвующих в опросе (не обязательно чтобы участвовали все вопросы), время за которое на них надо ответить, количество попыток и критерии оценки. Студент, при входе в программу, должен получить допуск к выполнению лабораторной работы. Для этого он должен ответить на вопросы и получить как минимум 3 (удовлетворительно). В противном случае он не будет допущен к её выполнению.

 

Инсталляция программы

 

При инсталляции программы необходимо запустить файл Setup.exe, который находится в подкаталоге D:\Install\DISK1. (Инсталляционный СD не обязательно будет обозначен буквой D, поэтому будьте внимательны). Далее программа инсталляции будет задавать вопросы на которые Вам необходимо ответить.

После того как инсталляционный модуль программы закончит свою работу, в меню компьютера "Пуск"=>"Программы" появится "Лабораторная работа". Вы можете вынести иконку программы на "Рабочий стол".

Далее необходимо провести первоначальные настройки программы:

· запустить программу из рабочего меню или с рабочего стола;

· установить путь к Базе Данных "Student.mdb" и запустите программу снова;

· ввести универсальный пароль (261270);

· войти в программу под кодом "программист";

· открыть меню "Настройки" -> "Пароли" и установить необходимые пароли.

Программа готова к работе.

 

Примечание: Если Вы вдруг забыли пароль программиста или входной пароль необходимо будет удалить файл "Password.dat" и при запуске программы, введя универсальный пароль, переустановить все пароли.

.

Приложение II. Изображения практических конструкций антенных решеток.

 

 

 

Рисунок II.1 – 10-ти элементная АР

 

 

 

 

а б

 

Рисунок II.2 – Плоские вибраторные АР со смешанной (а) и параллельной (б) схемами питания

 

 

 

Рисунок II.3 − Резонансная волноводно-щелевая антенна

 

 

 

 

 

 

 

Мета роботи

 

Ціль даної роботи полягає в ознайомленні студентів з основами класифікації антенних решіток і застосовуваною термінологією, вивченні конструктивних і функціональних особливостей, методики розрахунків параметрів, наочної ілюстрації впливу геометричних параметрів антеною решітки, амплітудно-фазового розподілу збудливих струмів на її спрямовані властивості й інші характеристик.

Перелік розглянутих питань:

§ класифікація антенних решіток;

§ основна термінологія;

§ теорема перемножування й поняття множника системи;

§ властивості дискретної антенної решітки;

§ вивчення впливу геометричних параметрів, амплітудно-фазового розподілу збудливих струмів антенної решітки на її спрямовані властивості.

 

Основи теорії антенних решіток

Одним зі способів досягнення необхідних високих спрямованих властивостей антен, є використання антенних решіток – багатоелементних систем, у яких елементи збуджуються струмами з необхідним співвідношенням амплітуд і фаз. У конструктивнім ставленні застосування таких решіток створює передумови для зменшення поздовжніх розмірів антен високого ступеня спрямованості й, як наслідок, зменшує займані ними об'єми.

Антенна решітка (АР)- це антенна система, що складається з декількох однакових і однаково орієнтованих антенних елементів.

 

2.1. Класифікація антенних решіток і термінологія

 

Класифікація антенних решіток може здійснюватися різним способом:

По геометричних ознаках:

· лінійні (прямолінійні), кільцеві антенні решітки;

· плоскі, опуклі, конформні й об'ємні антенні ґрати;

· дискретні й безперервні антенні решітки;

· еквідистантні, не еквідистантні антенні решітки.

По способу збудження:

· рівно амплітудні, синфазні й не синфазні антенні решітки;

· антенні решітки з паралельною, послідовною й змішаною схемою живлення.

· комутаційні антенні решітки;

· фазованні антенні решітки;

· антенні решітки із синтезованим розкривом.

 

По типу елементів:

· вібраторні антенні решітки;

· хвилеводні антенні решітки;

· рупорні антенні решітки;

· решітки спіральних антен;

· решітки діелектричних стрижневих антен;

· хвилевідно-щілинні антенні решітки;

· мікросмужкові антенні решітки.

 

По спрямованих властивостях:

· антенні решітки нормального, похилого, осьового (зворотного осьового) випромінювання;

· багатопроменеві антенні решітки;

· сканувальні антенні решітки

· антенні решітки, що пере відбувають

· поза спрямовані антенні решітки;

Дискретною називають антенну решітку, що складається з кінцевого числа елементів.

Безперервною називають антенну решітку кінцевих розмірів, що містить нескінченне число елементів.

Лінійні антенні решітки утворені елементами, фазові центри яких розташовані на одній (не обов'язково прямой) лінії. У плоскій антеної решитці фазові центри елементів лежать в одній площині.

Еквідистантною називають антенну решітку, усі елементи якої розташовані на однаковій відстані друг від друга.

Конформні антенні решітки – це решітки, в якої випромінюча поверхня повторює форму поверхні деякого об'єкта.

У рівноамплітудної антеної решітці усі елементи збуджені струмами (полями) з однаковими амплітудами, у синфазних решітках фази збудливих струмів (полів) однакові.

Фазована антенна решітка (ФАР) являє собою систему антенних елементів з електричним керованням фазовим розподілом збудливих струмів (полів).

У сканувальної антеної решітці реалізована функція керування просторовим положенням головної пелюстки діаграми спрямованості – сканування.

Багатопроменевими звичайно називають фазовані антенні решітки, з кількома входами, кожному з яких відповідає незалежно керована головна пелюстка парціальної діаграми спрямованості. Амплітудно-фазове збудження елементів решітці формують за допомогою діаграмоутворюючою схеми (ДУС)

Адаптивні антенні решітка являє собою систему, що складається з антенної решітки і пов'язаного з нею пристрою обробки сигналу (процесора), що змінює свої параметри відповідно до інформації, укладеної в прийнятих сигналах.

Активної фазованної антенної решіткой (АФАР) називають систему, що містить у кожному елементі (залежно від її призначення) активний модуль: генератор, підсилювач, перетворювач або множник частоти.

Вісь решітці - уявлювана лінія, на якій розташовуються фазові центри її елементів.

Крок решітці - відстань між фазовими центрами сусідніх елементів.

Розкрив решітці - це ділянка уявлюваної поверхні, у межах якого розташовані випромінюючі поверхні всіх елементів розглянутої решітки.

Амплітудний розподіл - функція, що відображає послідовність значень амплітуд збудливих струмів (або полів), залежно від порядкового номера елемента решітки.

Фазовий розподіл - функція, що відображає послідовність значень фаз збудливих струмів (або полів), залежно від порядкового номера елемента решітки.

Коефіцієнт затримки - величина рівна відношенню фазової швидкості хвилі, що поширюється в напрямку яко какой-нибудь координати розкриву решітки до швидкості світла у вільному просторі.

Множник системи антеної решитці - це комплексна характеристика спрямованості уявлюваного аналога даної решітки, утвореного з ненаправлених елементів.

 

2.2. Найпростіші розрахункові співвідношення

 

Якщо знехтувати взаємним впливом елементів, то з достатнім ступенем точності характеристика спрямованості антеної решітки може бути представлена у вигляді добутку характеристики спрямованості елемента такої системи, на множник системи (множник комбінування). Це співвідношення називають теоремою перемножування:

 

, (2.1)

 

де – характеристика спрямованості одиночного елемента решітки, а функція зветься множником системи.

При розв'язку задачі дослідження властивостей антеною решітки в строгій постановці слід ураховувати взаємний вплив сусідніх елементів, яке може бути різним (скажемо, у центральній частині, на краю решітки), внаслідок чого властивості (повний вхідний опір, ДС, розподіл струмів) елементів решітки виявляються неоднаковими.

Із практичної точки зору найбільш наочним є вивчення спрямованих властивостей антенних решіток на прикладі лінійної эквидистантной решітки.

При заданих геометричних параметрах решітки характер випромінювання визначається амплітудним і фазовим розподілом струмів (полів) у її елементах.

Розрізняють три режими роботи лінійної антеної решітки при лінійному законі розподілу фаз: режим нормального випромінювання (де різниця фаз струмів (полів) у сусідніх елементах ), режим похилого випромінювання () і режим осьового випромінювання ().

Множник системи эквидистантной равноамплитудной антеної решітки при лінійному набігу фази описується виразом

 

, (2.2)

 

де – число елементів у решітці, – крок решітки, кут відлічується від осі ґрат, , – довжина хвилі у вільному просторі.

 

Режим нормального випромінювання (). Аналізуючи вираз (2.2) можна визначити напрямки, у яких випромінювання відсутнє (нулі характеристики спрямованості). Дорівнюючи чисельник в (2.2) нулеві знайдемо

 

, , (2.3)

 

де знак «плюс» відповідає напрямкам , а знак «мінус» – . З (2.3) одержуємо формулу, що визначає положення нулів амплітудної характеристики спрямованості

 

Ширину головної пелюстки ДС за рівнем нульового випромінювання й за рівнем половинної потужності можна визначити, скориставшись виразами

 

, .

 

Функціональна залежність множника системи від координатного кута, обумовлена виразом (2.2), є періодичною з періодом рівним .

Відзначимо, що при великому кроці решітки спостерігається поява побічних головних пелюсток, між якими завжди є нулів і бічних пелюсток, зменшення кроку веде до зменшення числа побічних головних максимумів.

Для того, щоб повністю виключити появу в множнику системи декількох головних пелюсток, слід вибирати крок решітки виходячи з умови , а для зменшення рівня бічних пелюсток рекомендується застосовувати ще більш жорсткий критерій: . При цьому для таких решіток рівень першої бічної пелюстки дБ.

 

Коефіцієнт спрямованої дії рівно амплітудної лінійної решітки у режимі нормального випромінювання при числі елементів і кроці можна розрахувати по наступній наближеній формулі

 

,

 

де - довжина решітки.

Коефіцієнт спрямованої дії рівно амплітудної лінійної решітки у режимі осьового випромінювання (при й кроці ) можна розрахувати по наступній наближеній формулі:

 

.

 

Оптимальний режим осьового випромінювання відповідає (при обраній кількості елементів і кроці решітки при ) максимуму КСД. При цьому оптимальне значення фазового зсуву струмів (полів) у сусідніх елементах визначається зі співвідношення

 

.

 

Коефіцієнт спрямованої дії решітки в оптимальному режимі

 

.

 

Режим похилого випромінювання (). У цьому випадку всі елементи рівно амплітудної решітки збуджуються з постійним фазовим зсувом, причому фаза збудливого струму лінійно наростає (або убуває) з зростанням номера елемента. Максимум випромінювання відхиляється від осі решітки, при цьому для окремих елементів різниця ходу хвиль у цьому напрямку компенсується зсувом фази збудливого струму , звідки маємо .

З останнього виразу видне, що, змінюючи фазовий зсув, можна керувати кутовим положенням головного максимуму ДС решітки. Напрямки нульового випромінювання ДС визначаються з умови , з якого випливає . При відносно малих відхиленнях ширина головної пелюстки ДС визначається по формулах

 

, .

 

Режим осьового випромінювання (). При синфазне додавання полів здійснюється в напрямку осі решітки , у цьому режимі для одержання тільки одного головного максимуму крок решітки слід вибирати значно меншим чим .

При напрямків, у яких поля всіх елементів синфазні, не існує. Однак, при значеннях фазового зсуву близьких до , основна пелюстка ДС звужується тем сильніше, чим більше , а відносний рівень бічних пелюсток при цьому зростає.

Обидва перераховані фактори по-різному впливають на величину максимального КСД. А саме: на початку, у міру зростання переважає фактор звуження головної пелюстки ДС і КСД зростає, досягаючи максимуму при . Потім КСД починає падати через зростання відносного рівня бічних пелюсток ДС.

Оптимальний режим осьового випромінювання відповідає (при обраній кількості елементів, кроці решітки і ) максимумові КНД.

При цьому оптимальне значення фазового зсуву струмів (полів) у сусідніх елементах визначається зі співвідношення ; ширина головної пелюстки ДН може бути знайдена з виразів , ; а відносна розмір першої бічної пелюстки ДС дБ.