Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 91

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 

Для создания прототипа 10-лучевой ЦАР была выбрана схема разделения квадра­турных сигналов аналоговыми средствами на видео частоте, с целью удешевить конст­рукцию благодаря использованию более дешевых АЦП и процессора.

Кроме того, при создании ЦАР необходимо отслеживать амплитудно-фазовый раз­брос между каналами, возникающий из-за не полной идентичности аналоговой части ка­нала с последующей компенсацией искажений при помощи внесения в цифровые данные дополнительных коэффициентов. Именно такая схема калибровки была реализована в разработанном прототипе.

Посредством разложения входного сигнала на две квадратурные I и Q составляю­щие решается задача представления входных сигналов в виде комплексных величин в цифровой диаграммообразующей схеме, которые именно в таком виде проходят даль­нейшую обработку и умножаются на весовые коэффициенты. Задача получения квадра­турных составляющих была эффективно решена использованием квадратурных демоду­ляторов, которые позволяют получать низкочастотные квадратурные составляющие на выходе непосредственно из входного высокочастотного сигнала.

После того, как получены низкочастотные аналоговые квадратурные составляю­щие, их необходимо перевести в цифровой код для дальнейшей обработки в диаграммо-образующей схеме с наименьшими искажениями. В результате моделирования было ус­тановлено, что для того чтобы правильно оцифровывать сигнал на одном из модулей тре­буется 5 бит квантования, а для сигналов отличающихся по уровню, например, на 20дБ, необходимо наличие девяти разрядов у АЦП. С этой точки зрения для создания дейст­вующего макета ЦАР был выбран АЦП фирмы Analog Devises AD9218, предназначенный для оцифровки квадратурных составляющих сигналов с точностью 10-бит и скоростью 20

СРРСН'2008

I-ч. 2 - 96миллионов выборок в секунду. Следует отметить, что если бы в проектируемой 12-элементной решетке не предполагалось использовать модули самостоятельно, то количе­ство бит квантования у АЦП могло быть меньшим.

Далее оцифрованный сигнал поступает на вычислительный блок. В разработанном макете вычислительный блок реализован на базе программируемой логической инте­гральной схемы (ПЛИС) фирмы ХШпх хс3-84000 и цифрового сигнального процессора (ЦСП) АБ8Р-Т8101. В ПЛИС происходит умножение принимаемого сигнала на весовые коэффициенты, которые вычисляются непосредственно, исходя из направления на сигнал и помеху. ЦСП осуществляет управление решеткой.

Цифровая часть решётки также состоит из трёх однотипных модулей расширения (рис. 1), каждый из которых может формировать четыре луча. Для связи с персональным компьютером используется центральный модуль, который транслирует команды управ­ления двум крайним модулям. Стоит заметить, что подобный подход позволяет наращи­вать количество обрабатываемых элементов. Все три модуля производят прием аналого­вого сигнала и производят его оцифровку. По межмодульному каналу связи осуществля­ется прием и передача цифровой информации для формирования выходных сигналов. После получения всей необходимой информации, каждый модуль расширения формиру­ет четыре взвешенных суммы (луча), с дальнейшим переносом сигнала на высокую час­тоту.

Рис. 1. Структурная схема модуля цифровой части

Результатом работы стало изготовление прототипа 10-лучевой цифровой антенной решетки, внешний вид которой показан на рисунке 2. Работа ЦАР осуществляется с по­мощью специального программного обеспечения, которое позволяет задать направление максимумов и минимумов диаграммы направленности, рассчитать необходимые коэффи­циенты и поправки, осуществлять контроль связи с ЦАР. Управление ЦАР осуществляет­ся с компьютера посредством протокола Ethernet.

СРРШ'2008

I-ч. 2 - 97

Рис. 2. Внешний вид модульной 10-лучевой ЦАР.

Заключение. В данный момент исследования цифровых антенных решеток продол­жаются с целью усовершенствования подобных разработок. Быстрое развитие вычисли­тельной техники делает возможным переход антенной техники и радиотехники в целом на новый качественный уровень. Кроме того, развитие и удешевление элементной базы, может значительно снизить стоимость подобных антенных систем, что позволяет наде­яться на широкое распространение цифровых антенных решеток и использование их пре­имуществ.

СРРСН'2008

1-ч. 2 - 9 8

АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С СИСТЕМОЙ ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ РАДИАЛЬНОГО ВОЛНОВОДА

Чуканова Г.А., Чепурный Я.Н. Открытое акционерное общество «Акционерное общество Научно-исследовательский

институт радиотехнических измерений» 61054, г. Харьков, ул. Ак. Павлова, 271, тел. (057) 738-23-25 E-mail: chukanova@niiri.kharkov.com; факс (057) 738-41-12 The design of antenna array with the system of feeding on the basis of radial wave guide is described. The appearance of the mock-up containing 60 radiators, estimated and experimen­tal directional diagrams, the main technical specifications are presented.

Введение. Антенные решетки (АР) обычно строятся в виде системы большого чис­ла отдельных излучателей, фазы высокочастотного возбуждения которых регулируются независимо. В связи с этим, актуальной является задача создания такой системы питания излучателей, которая может обеспечить возможность регулировки не только фазы, но и амплитуды возбуждения каждого отдельного излучателя, а также способна реализовать некоторые дополнительные возможности (обеспечение равномерного или спадающего амплитудного распределения, нелинейного фазового распределения поля по апертуре и др.). Работы, проводимые в ОАО «АО НИИРИ», показали возможность использования для решения этой задачи системы питания на основе радиального волновода [1]. В работе предлагаются результаты практической реализации такой АР с относительно небольшим числом излучателей.

Описание конструкции. Прототипом АР является антенна диапазона 11.7...12 ГГц, содержащая 396 излучателей [2]. Анализ технических требований на разработку АР показал необходимость существенного расширения диаграммы направленности (ДН) по сравнению с прототипом, для чего потребовалось уменьшение относительного диаметра апертуры АР и, следовательно, числа излучателей. Это, в свою очередь, привело к необходимости увеличения связи излучателей с радиальным волноводом. При разработке конструкции АР были решены задачи выбора оптимального значения связи излучателей, а также согласования радиального волновода с питающим фидером.

Упрощенная конструкция АР представлена на рис. 1. Радиальный волновод пред­ставляет собой две параллельные металлические плоскости [3, 4], расстояние между ко­торыми в описываемой конструкции составляет 0.3 Х0. Волновод возбуждается зондовым коаксиально-волноводным переходом. Точка питания является центром АР. Излучатели расположены на четырех концентрических окружностях с радиусами

Rn = 0.720n ,

где n - номер окружности.

Плоскости радиального волновода замыкаются металлической стенкой, имеющей форму окружности радиусом R5 = R4+X(/4. Число излучателей Nn, расположенных на окружности радиусом Rn, равно

Nn = 6n.

При этом излучатели образуют сетку, близкую к треугольной, общее количество излуча­телей в решетке N = 60.

Излучатель представляет собой два витка цилиндрической спирали. Питание излу­чателя осуществляется с помощью зонда, погруженного в радиальный волновод. Равно-амплитудное возбуждение излучателей достигается выбором соответствующей длины ln зондов связи для каждой группы излучателей, расположенных на окружностях радиуса Rn. Синфазность групп излучателей обеспечивается компенсацией набега фазы на радиу­се Rn путем поворота каждого излучателя вокруг его продольной оси на соответствую­щий угол (для спирали с правым направлением намотки поворот излучателя на компен­сирующий угол осуществляется против часовой стрелки).

СРРСН'2008

I-ч. 2 - 9 9

Излучатели

6Л_

Рис. 1. Упрощенная конструкция АР Расчетные значения углов определяются как

Расчетная ДН АР определена по известной формуле [2, 5]

N

^(в,р) = Е0(в,р) £ 1теЛШт 8твсо8(р>-р>т)+5т ] , т=1

где ¥0(в,ф) - ДН одиночного излучателя; к - волновое число; и Зт - амплитуда и фаза возбуждения т-го излучателя; Кт и <рт - радиус окружности и угол, определяющие поло­жение излучателя на плоскости АР.

ДН одиночного излучателя аппроксимировалась функцией ео8Х'7(в). Такая аппрок­симация дает хорошее совпадение с экспериментально измеренной шириной ДН излуча­теля по уровню минус 3дБ: 20а5Р= 70о.

Расчетная ДН элемента антенной решетки для случая синфазного равноамплитуд-ного возбуждения излучателей приведена на рис. 2. Ширина ДН по уровню минус 3 дБ равна 9.5о, уровень первого бокового лепестка - минус 17 дБ.

На рис. 3 приведена фотография экспериментального макета антенной решетки. Макет рассчитан на центральную частоту рабочего диапазона /0 = 2.45 ГГц и имеет сле­дующие конструктивные параметры:

- угол намотки спиралей излучателей - 5о;

- высота установки спиралей над плоскостью волновода - 5 мм;

- диаметр провода спирали - 3.5 мм;

- длины зондов излучателей - 11 = 0.19_0, /2 = 0.23_0, /3 =0.24_0, /4 = 0.28_0;

- расчетные углы компенсации набега фазы для излучателей, расположенных на радиусах К2, Л3, Я4, соответственно, равны 252о, 144о и 36о.

Узел возбуждения волновода снабжен элементами регулировки для согласования входа элемента АР на рабочей частоте. На частотах 2.4, 2.45 и 2.5 ГГц получены значения КСВН входа 1.33, 1.04 и 1.19 соответственно.

СРРСН'2008

1-ч. 2 - 1 00

■40 -ЗО -20 -10 0 10 20 ЗО

Є, град

Рис. 2. Расчетная ДН АР

Рис. 3. Внешний вид макета АР

При экспериментальной отработке макета уточнен угол компенсации набега фазы для излучателей, расположенных на радиусе К4 (внешний ряд излучателей). Оптимальное значение угла составило 125о. Отличие его от расчетного значения можно объяснить вза­имной связью излучателей и влиянием волны, отраженной от короткозамыкающей стен­ки, расположенной на расстоянии Х^4 от указанных излучателей.

Экспериментальная ДН АР приведена на рисунке 4. Ширина ДН по уровню минус 3 дБ составила 10о, уровень первого бокового лепестка - минус 12.5 дБ. Коэффициент эллиптичности на частоте 2.45 ГГц равен 0.81. Несколько завышенный уровень первого

СРРСН'2008

1-ч. 2 - 1 0 окового лепестка объясняется влиянием отражений от окружающих предметов при измерении ДН. На это указывает также некоторая асимметрия ДН за пределами главного лепестка.

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

9, град

Рис. 4. Экспериментальная ДН макета АР

Выводы. Проведенные экспериментальные измерения характеристик макета АР подтвердили работоспособность конструкции. Полученные результаты дали удовлетворительное совпадение с расчетными значениями. Повышение точности расчета возможно при учете взаимной связи излучателей АР.

Литература

1. Отчет о НИР. - Харьков: ОАО «АО НИИРИ», 2001.

2. H. Nakano, H. Takeda, Y. Kitamura, H. Mimaki, and J. Yamauchi. Low-Profile Helical Array Antenna Fed from a Radial Waveguide / IEEE Trans. Antennas and Propagat.,1992, 40, No.3, P.279-284.

3. Antenna Engineering Handbook. Henry Jasic, Editor. McGraw-Hill Book Company, Inc.1961.

4. С.Рамо, Дж.Уиннери. Поля и волны в современной радиотехнике: Пер. с англ. под ред. Ю.Б.Кобзарева. М.-Л., Гостехиздат, 1948, 632 с.

5. Г.Т.Марков, Д.М.Сазонов. Антенны. М., "Энергия", 1975, 528 с.

СРРСН'2008

I-ч. 2 - 1 02

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛОЭЛЕМЕНТНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ НА ОСНОВЕ СТРЕЛОВИДНЫХ ВИБРАТОРОВ

В.А. Волошина    В.Н. Колесников®, С.Е. Мищенко(1), В.В. Шацкий (1) Ростовский военный институт ракетных войск

344038, г. Ростов-на-Дону, пр. М. Нагибина д. 24/50,

(863) 245-11-51, E-mail: mihome@yandex.ru The results of numerical  investigation of characteristics of a linear array antenna of crossline vibrators with slope arms, situated on a planar conducting screen, are presented. The analysis results of amplitude patterns and directivity of an array antenna when changing a spac­ing between radiators are given.

Введение. Активное развитие сетей и систем подвижной и сотовой связи предъяв­ляет более жесткие требования к антеннам базовых станций: как к их электрическим па­раметрам, так и к технико-экономическим показателям. В зависимости от требований к конфигурации зоны обслуживания базовой станции (БС) антенна должна обеспечить формирование круговой или секторной диаграммы направленности (ДН) в горизонталь­ной плоскости. Требования к поляризационным характеристикам неоднозначны.

Определяющим видом поляризации излучаемых и принимаемых сигналов является вертикальная поляризация. В то же время наблюдается изменение вида поляризации вследствие взаимодействия электромагнитных волн с лесными насаждениями, элемента­ми городской застройки, рассеянием на неоднородностях различного характера. Для борьбы с деполяризацией волн широко используется круговая поляризация. Наряду с обеспечением эффективного сдвоенного приема с поляризационным разнесением ис­пользование круговой поляризации позволяет осуществлять устойчивую связь с подвиж­ными средствами, особенно с летательными аппаратами, пространственное положение и ориентация которых быстро меняется во времени.

1. Описание модели исследований. В КВ и УКВ диапазонах волн в качестве излу­чателей БС широко используются крестообразные излучатели. Наряду с ними в послед­ние годы применяют V -образные или стреловидные вибраторы [1-4]. На рисунке 1 пока­зана антенная решётка на основе стреловидных вибраторов. У таких вибраторов можно

изменять угол наклона плеч вибратора а, где а = 90° —в, в - угол между опорной стойкой и плечом вибратора. Для данной модели усовершенствован научно-методический аппарат (НМА). В нем учтено влияние четырех опорных стоек. Численный анализ выполнен с использованием интегрального уравнения Поклингтона для электри­чески тонких проводников [1-5]. Принято, что каждый n -ый вибратор является идеально проводящим тонкостенным цилиндром с радиусом an и длиной плеча ln , причем

an << ln ; an << X0 . Предположение малости радиусов an по отношению к длине волны X 0 в окружающем пространстве позволяет пренебречь влиянием радиальных токов. Гео­метрия задачи задается координатами одного из концов вибраторов и направляющими косинусами. Использовано кусочно-синусоидальное распределение тока на плечах виб­ратора. Возбуждение вибраторов проведено в зазоре каждого вибратора напряжением

Vn и V. Система интегральных уравнений записана при выполнении граничных усло­вий и условий излучения на бесконечности. Для ее сведения к системе линейных алгеб­раических уравнений использован метод Галеркина. При разработке данной электроди­намической модели применён ряд упрощений, что позволило перейти от двойных инте­гралов к однократным. По найденным токам определялись напряженность электрическо­го поля в дальней зоне, ДН АР, коэффициент направленного действия (КНД) и входное сопротивление Zвх . Затем по известным соотношениям вычислялись коэффициент эл­липтичности (КЭ), коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) [4, 5].

СРРСН'2008

I-ч. 2 - 1 03

2. Результаты численных исследований. На начальном этапе исследовано взаим­ное влияние двух стреловидных вибраторов при изменении расстояния d между ними от 0,5Х до 1,5Х, где X - рабочая длина волны. Цель исследования - определение опти­мального расстояния dопт, при котором взаимная связь практически не сказывается, а

КНД будет наибольшим. В соответствии с [4] угол наклона плеча а = 45°. Данные, вы­численные для реальной части входного сопротивления И^вх и мнимой компоненты

1^вх, приведены на рис. 2 и 3. Сплошной линией представлены результаты расчётов, полученные на частоте /0 , крупной штриховой - на частоте /0 + А/ ; мелкой штрихо­вой - на частоте /0 - А/ . На рисунках 4 и 5 приведены результаты расчетов 29 0 5 , КНД

(/)) соответственно. Анализ полученных результатов показывает, что оптимальное рас­стояние d/X, при котором КНД максимален, находится в районе относительных вели­чин 0,82 0,9. Ширина ДН 290 5 достаточно стабильна в полосе Частот /0 ± 5%. Аналогичные выводы справедливы и для КНД, УБЛ и КЭ.

Рис. 4 Рис. 5

СРРСН'2008

1-ч. 2 - 1 04

Учитывая, что ширина формируемой в угломестной плоскости ДН линейки может меняться в зависимости от требований к сектору, на рисунках 6 - 8 приведены соответст­венно ширина ДН 290 5 (рис. 6) линейки стреловидных излучателей при N = 3,4,6и 10,

КНД (рис. 7) и КЭ (рис. 8) в зависимости от шага между элементами с//Х . Из приведен­ных данных можно сделать выводы о том, что для получения наибольшей величины КЭ относительная величина с//Х в несканирующей линейке должна быть около 0,84. Для этого расстояния практически стабилизируется и КНД.

Рис. 6 Рис. 7 Рис. 8

Заключение. Таким образом, приведённые выше результаты позволяют утверждать, что использование стреловидных вибраторов при малом числе элементов в составе линейной антенной решётке позволяет существенно стабилизировать её поляризационные характеристики; расположение стреловидных вибраторов в антенной

решётке с поворотом плоскости поляризации на 45° относительно координатной сетки размещения центров излучателей обеспечивает более высокие поляризационные характеристики по сравнению с традиционной ориентацией плоскостей поляризации вибраторов вдоль осей координатной сетки; оптимальное расстояние в малоэлементной линейке на основе стреловидных вибраторов, при котором коэффициент направленного действия и коэффициент эллиптичности максимальны, составляет 0,84 — 0,9 рабочей длины волны .

Литература

1. Стрижков В.А. Особенности поведения АР при широкоугольном и сверх широ­коугольном сканировании // Антенны, 2006, №6.

2. Кудин В.П., Рубан А.П. Алгоритмизация задач возбуждения проволочных струк­тур.- Известия вузов . Серия радиоэлектроника, 1986, т.29, №8.

3. Кудин В.П. Двухканальная плоская ФАР из турникетных вибраторов К-типа //

Антенны, 2006, №11(114), с.56-62.

4. Волошина В.А., Шацкий В.В. Исследование линейной антенной решетки скре­щенных вибраторов с наклонными плечами // «Излучение и рассеяние ЭМВ», ИРЭМВ-2007, Труды Международной научной конференции, Таганрог, Россия, июнь 25-30, 2007

с.326-329.

5. Волошина В.А., Шацкий В.В., Назарова О.Ю. Характеристики излучения элек­трического вибратора, расположенного вблизи цилиндра конечных размеров //Материалы МНТК «ИРЭМВ-2003», Таганрог, ТРГТУ, - 2003.

СРРСН'2008

1-ч. 2 - 1 05

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ МЕТОДОМ ФИЗИЧЕСКОЙ ОПТИКИ В РЕЖИМАХ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА

Юрцев О.А., Чекан С .А., Пикта Е.А. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Республика Беларусь , 220013, Минск, ул. П.Бровки, д.б, кафедра антенн и устройств СВЧ, тел.: +375(17) 2938927; Е-mail: yurtsev o@tut.by With use of a method of physical optics performances and parameters of the one-mirror-image parabolic antenna in transfer and reception regimes numerically are analysed. The reflec­tor in the form of the unbalanced cutting-out of the elliptic shape from a parabolic of revolution, the radiation source - the pyramidal horn with wave H10 is observed generally. The field in long-range and short-range bands is analysed at scanning and antenna focusing on the given distance.

Введение. Цель работы - сравнить характеристики и параметры антенны, рассчи­танные для режима передачи и приема. Анализ характеристик и параметров антенны в режиме приема требуется проводить при решении ряда задач электромагнитной совмес­тимости, например, при исследовании взаимного влияние нескольких антенн, располо­женных компактно в ближней зоне по отношению друг к другу. Отличия характеристик и параметров зеркальной антенны в режимах передачи и приема связаны с различными приближениями, используемыми при анализе антенны в этих двух режимах. В работе численно анализируются характеристики и параметры зеркальной антенны с рефлекто­ром в виде вырезки из параболоида вращения с облучателем в виде пирамидального ру­пора, возбуждаемого на основной волне H10 . Рассматриваются задачи сканирования, фо­кусировки антенны на заданное расстояние, распределение поля в ближней зоне, в част­ности в области фокального пятна.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа