Устройства СВЧ и антенны

1.

ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКОЙ ОБОРОНЫ
ИМЕНИ МАРШАЛА СОВЕТСКОГО
СОЮЗА Г.К. ЖУКОВА
Кафедра № 13
«Основ построения радиоэлектронных
средств и систем»
Кафедра № 13
«Основ построения радиоэлектронных средств и систем»
Учебная
дисциплина
ДС-1322
Учебная дисциплина ДС-1322
«Устройства СВЧ
СВЧ
«Устройства
и
антенны»
и антенны»
Тверь
Тверь 2019
2020

2.

Взаимосвязь с другими дисциплинами
Математика
Физика
Электродинамика и распространение радиоволн
Устройства сверхвысоких частот и антенны
Устройства генерирования и
формирования сигналов
Радиотехнические
системы
Устройства приема и
преобразования сигналов
Радиотехнические системы
обнаружения и сопровождения целей
Дисциплины специализации

3.

практические
занятия
контрольные
работы
20
10
4
4
2
20
10
2
8
26
12
6
8
4
70
70
32
32
12
12
20
20
2
2
зачет
лабораторные
работы
Введение (в рамках темы 1)
Тема 1. Основы теории устройств СВЧ
Тема 2. Основные характеристики и
параметры антенн
Тема 3. Основы теории антенн СВЧ
Заключение (в рамках темы 3)
Зачёт с оценкой
Итого за 4 семестр
Всего по дисциплине
Из них по видам учебных занятий
лекции
Номера и наименование разделов и тем
В том числе учебных
занятий с преподавателем
Структура учебной дисциплины ДС-1322
4
4
4

4.

Содержание темы №3
ОСНОВЫ ТЕОРИИ АНТЕНН СВЧ
Номера и вид
учебных
занятий
Лекция №11
Наименование тем занятий
Многовибраторные
щелевые антенны.
и
волноводные
много-
Аналитические и численные методы расчёта
Практическое
основных
технических
характеристик
занятие №7
многовибраторных и многощелевых антенн.
Лекция №12
Апертурные антенны.
Методы
расчёта
основных
Практическое
характеристик
апертурных
занятие №8
рупорных антенн.
Лабораторная
работа №4
технических
волноводно-
Экспериментальное исследование основных
характеристик и параметров направленности
апертурных волноводно-рупорных антенн .

5.

Содержание темы №3
ОСНОВЫ ТЕОРИИ АНТЕНН СВЧ
Номера и вид
учебных
занятий
Практическое
занятие №9
Методы
расчёта
основных
технических
характеристик зеркальной антенны.
Лабораторная
работа №5
Экспериментальное исследование зеркальной
антенны.
Наименование тем занятий
Лекция №13
Фазированные антенные решётки.
Лекция №14
Антенные решётки с обработкой сигналов.
Лекция №15
Антенны с вращающейся поляризацией
антенны поверхностных волн.
и
Практическое Расчёт антенн с вращающейся поляризацией и
занятие №10 антенн поверхностных волн.

6.

Содержание темы №3
ОСНОВЫ ТЕОРИИ АНТЕНН СВЧ
Номера и вид
учебных
занятий
Наименование тем занятий
Лекция №16
Перспективы развития теории антенн. Методы и
компьютерные системы проектирования и
исследования радиотехнических устройств и
систем.
Лабораторная
работа №6
Проектирование
антенных
устройств.
Экспериментальное исследование директорной
антенны и ФАР.

7.

Лекция 13
ФАЗИРОВАННЫЕ
АНТЕННЫЕ
РЕШЁТКИ

8.

Объекты
профессиональной
деятельности

9.

10.

ФОРМИРУЕМАЯ КОМПЕТЕНЦИЯ
Способность к логическому мышлению, обобщению,
анализу, критическому осмыслению, систематизации,
прогнозированию, постановке исследовательских задач и
выбору путей их достижения (ОК-9).
ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОБУЧЕНИЯ
Знать:
принципы функционирования устройств сверхвысоких
частот и антенн, аналитические и численные методы
их расчёта.
УЧЕБНАЯ ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ
дать систематизированные основы научных знаний по
физическим
основам
функционирования,
основным
параметрам и характеристикам фазированных антенных
решёток.

11.

Учебные вопросы
1. Принципы построения ФАР.
Активные и пассивные ФАР.
2. Особенности сканирования
диаграммой направленности.
3. Антенные решётки с фазовым
и частотным сканированием.
4. Конструкции элементов ФАР
с дискретным и непрерывным
фазированием.

12.

Литература
1. Устройства СВЧ и антенны [Электронный ресурс]:
Учебное пособие / Бакулин М.С., Филонов А.А., Колпин Р.В.,
Поддубский В.В. – Тверь, 2018: ВА ВКО. URL:
http://ibook.academy.org/book/86. (Эл.1/о М. 3.3).
2. Устройства СВЧ и антенны. Часть 3. Антенны.
Конспект лекций / Под ред. А.А.Филонова. – Тверь: ВА ВКО,
2008. – 179 с (Л.3/д с. 102-125).
3. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование
фазированных антенных решёток : Учеб. пособие для вузов /
В.С. Филиппов, Л.И. Пономарёв, А.Ю. Гринев и др.;
Под ред. Д.И. Воскресенского. – 2-е изд. Доп. и перераб. – М.:
Радио и связь, 1994. – 592 с (Л.5/д с. 5-78).
4. Поддубский В. В., Кучин А. А., Уханов А. А.,
Колпин Р.В., Хаперский А. А. Устройства сверхвысоких частот
и антенны. Ч. 2. : учебно-методическое пособие / В.В.
Поддубский и [др.]. – Тверь: ВА ВКО, 2019. – 166 с
(Л.7/д с. 160-164).

13.

Электронный учебник

14.

Электронный учебник

15.

Электронный учебник

16.

Электронный учебник

17.

Электронный учебник

18.

Электронный учебник

19.

Электронный учебник

20.

Назовите тип рупора?
а)
в)
г)
б)

21.

Используя рисунок назовите
размеры
зеркальной
антенны,
определяющие её свойства?

22.

Вопрос 1
ПРИНЦИПЫ
ПОСТРОЕНИЯ ФАР.
АКТИВНЫЕ И
ПАССИВНЫЕ ФАР

23.

Фазированной антенной решеткой (ФАР)
называют дискретную систему излучателей,
в которой фазовые сдвиги ξ между
электромагнитными
полями,
возбуждающими отдельные
излучатели,
осуществляют с помощью управляемых
фазовращателей
или
других
фазосдвигающих устройств при неизменной
частоте генератора.

24.

25.

быстрый обзор пространства
Предварительная
обработка СВЧ
сигналов
комплексирование
радиосредств
ФАР
многофункциональный
режим работы
Адаптация к конкретной
радиообстановке
обеспечение ЭМС

26.

Виды фазовращателей
С временной задержкой
На фильтрах верхних/нижних частот
Отражательные/квадратурные
Векторный IQ-модулятор

27.

ПФАР использует один или два
высокомощных
усилителя,
передающего один сигнал, который затем
делится на тысячи путей для тысяч
фазовращателей и элементов.
АФАР состоит из тысячи модулей
приёма/передачи. Поскольку передатчики находятся непосредственно в
самих элементах, у него нет отдельных
приёмника и передатчика.

28.

Активные ФАР состоят из модулей,
в которые входят кроме излучателей и
фазовращателей активные элементы
для усиления, преобразователи частот,
аналого-цифровые преобразователи и
другие устройства предварительной
пространственно-временной обработки
сигналов.

29.

Введение активных элементов в тракт
ВЧ позволяет не только уменьшить
потери, но и увеличить излучаемую
мощность, упростить распределительную
систему,
улучшить
массогабаритные
показатели антенной системы, а также
построить более эффективную систему
обработки
сигналов,
адаптации,
поляризационной обработки сигнала,
многощелевой работы и т.д.
При этом существенно возрастает
стоимость антенной системы.

30.

ПФАР
АФАР

31.

Модули приёмапередачи
ПФАР
АФАР

32.

Пример архитектуры модулей приёмапередачи АФАР

33.

ФАР РЛМ-Д 55Ж6М

34.

Модули
дециметрового диапазона РЛМ-Д

35. ФАР РЛМ-Д 55Ж6М

Внешний вид приемо-передающего модуля
дециметрового диапазона

36.

Внешний вид приемного модуля дециметрового диапазона

37.

38.

Выводы по первому вопросу
1. Для формирования узких диаграмм
направленности излучающие раскрывы
ФАР должны иметь большие волновые
размеры, при этом число элементов ФАР
оказывается значительным (104-105), что
существенно сокращает конструкцию ФАР,
управление ею и увеличивает стоимость.
Компромиссным техническим решением
является разработка гибридных ФАР,
представляющих
комбинацию
малоэлементной ФАР с зеркальной или
линзовой антенной.

39.

Выводы по первому вопросу
2. Активные ФАР позволяют
значительно
расширить
функциональные
возможности
и
характеристики
радиоэлектронных
систем, однако стоимость таких систем
велика.

40.

Вопрос 2
ОСОБЕННОСТИ
СКАНИРОВАНИЯ
ДИАГРАММОЙ
НАПРАВЛЕННОСТИ

41.

Рис. 1
Одновременный обзор
Последовательный обзор

42.

Рис. 2

43.

Методы сканирования
В зависимости
от размеров
зоны
В зависимости от
вида траектории
луча
В зависимости от
характера перемещения
луча по траектории
круговое
линейное
по
одной (а) или по
обеим
угловым
координатам (б)
непрерывное
секторное
спиральное (в)
коническое (г)
дискретное
(коммутационное)

44.

Антенной с электрическим сканированием или антенной решеткой (АР)
принято называть дискретную систему
излучателей, в которой сканирование
ДН в пространстве осуществляется
путем введения переменных фазовых
сдвигов
между
токами
или
электромагнитными полями, возбуждающими отдельные излучатели.

45.

Возможные структурные схемы АР
Рис. 3
Рис. 4
Питание по отдельным
Питание от одного общего
каналам
генератора
В качестве излучателей (элементов решетки) обычно
используются слабо направленные антенны: вибраторы, щели,
рупоры,
открытые
концы
волноводов,
спирали,
диэлектрические стержни. Возможны АР, состоящие из более
сложных (например, зеркальных) антенн.

46.

Принцип электрического сканирования ДН,
который лежит в основе построения АР основан на
том, что направление того или иного главного
максимума множителя системы (ДН) определяется
выражением
sin n
n ,
2 d
d
где n
–
номер
главного
максимума,
принимающий значение n = 0; 1; 2;…;
– фазовый сдвиг возбуждения соседних
излучателей;
– длина волны;
d – расстояние между излучателями.

47.

Таким
образом,
электрическое
сканирование ДН фазированной антенной
решетки (ФАР), в основе которого лежит
изменение крутизны линейного ФР, может
осуществляться
двумя
основными
способами:
частотным способом (путем изменения
частоты
генератора
высокочастотных
колебаний) и
фазовым способом, при котором с
помощью управляемых фазовращателей или
других
фазосдвигающих
устройств
изменяется величина при неизменной
частоте f генератора.

48.

Выводы по второму вопросу
1. Обзор воздушного пространства является
важнейшей
задачей
радиолокационного
наблюдения организуемый для обнаружения и
грубого определения местоположения всех целей,
входящих в зону действия РЛС.
2. Методы сканирования классифицируются в
зависимости
от
размеров
зоны
(круговое,
секторное), от вида траектории луча (линейное,
спиральное,
коническое),
от
характера
перемещения луча по траектории (непрерывное,
дискретное).
3. Основными способами электрического
сканирования ФАР являются частотный и
фазовый.

49.

Вопрос 3
АНТЕННЫЕ РЕШЁТКИ
С ФАЗОВЫМ
И ЧАСТОТНЫМ
СКАНИРОВАНИЕМ

50.

АР с фазовым сканированием
Рис. 5

51.

Под углочастотной чувствительностью
решетки
понимается
отклонение
ДН
в
градусах,
приходящееся
на
один
процент
изменения частоты генератора
d
q
[град %].
df
100
f

52.

Пути повышения углочастотной чувствительности решёток
с последовательным возбуждением
Использование
волноводов
с
замедляющими
структурами
Рис. 6
Удлинение
отрезка
l
волновода между
соседними
излучателями
Рис. 7

53.

Решётка с параллельным возбуждением
Рис. 8

54.

Достоинства АР с частотным сканированием
сравнительная простота реализации;
высокая скорость сканирования и точность
установки луча (ДН) в заданном направлении.
Недостатки АР с частотным сканированием
требуются перестраиваемые в широком
диапазоне частот передающее и приемное
устройства и широкодиапазонный фидерный
тракт;
возникают
трудности
в
использовании
широкополосных сигналов, так как частота
колебаний является управляющим параметром,
возникают
трудности
в
использовании
перестройки РЭС по частоте для защиты от помех.

55.

Решётки с фазовым сканированием
Последовательная
схема питания
Параллельная
схема питания
Рис. 9

56.

Решётки с фазовым сканированием
С-300 ПМУ
Рис. 10
а) работа на проход
(рефракционная АР)
б) работа на отражение
(рефлекторная АР)

57.

Рис. 11

58.

Смешанная схема питания
Рис. 12

59.

Смешанная схема питания

60.

Выводы по третьему вопросу
1. Возможными способами повышения
углочастотной
чувствительности
являются
использование волноводов с замедляющими
структурами и удлинение отрезка волновода между
соседними излучателями.
2. В ФАР могут применяться последовательная,
параллельная и смешанная схемы питания.
3.
Различают
решётки
рефракционные
(работающие
на
проход)
и
рефлекторные
(отражательные).

61.

Вопрос 4
КОНСТРУКЦИИ
ЭЛЕМЕНТОВ ФАР
С ДИСКРЕТНЫМ
И НЕПРЕРЫВНЫМ
ФАЗИРОВАНИЕМ

62.

б)
а)
Рис. 13. Размещение излучателей ФАР в узлах
прямоугольной (а) и треугольной (б) сеток
РЛС 59Н6Е
«Противник-ГЕ»
ФАР РЛС
ЗРВ

63.

Диаграмма сканирования ФАР
Рис. 14

64.

Влияние взаимной связи излучателей на диаграмму
сканирования ФАР
Рис. 15
Рис. 16
Ослепление ФАР

65.

«Развязка» излучателей ФАР
а) введение внутренних
компенсирующих связей
между фидерными
трактами соседних
излучателей
б) изменение внешних связей между
излучателями с помощью
металлических перегородок,
штырей и т.п.
Рис. 17

66.

Управление фазовым распределением
Рис. 18
Рис. 19
Рис. 20
Рис. 21

67.

Выводы по четвёртому вопросу
1. С учётом условия обеспечения единственности
главного максимума размещение элементов ФАР в
узлах треугольной сетки оказывается более
экономным на 15% .
2. В системах строчно-столбцевого фазирования
различают
непрерывный
(аналоговый)
и
дискретный
(коммутационный)
методы
фазирования.
3. Регулирование фазового распределения
возможно на промежуточной частоте, однако в связи
с возникающими потерями фазированием на
промежуточной частое обычно используют в режиме
приема сигналов.

68.

Заключение
Интенсивное
развитие
цифровой
техники привело к появлению цифровых
методов формирования и управления лучом,
так называемых цифровых антенных
решёток. В настоящее время реализуются
как приёмные, так и передающие антенные
решётки с электрическим сканированием.
На
следующей
лекции
будут
рассмотрены
антенные
решётки
с
обработкой сигнала.

69.

Задание на самостоятельную работу
Изучить: литературу Эл. 1/о м. 3.3,
Л.3/д с. 102-125, Л.5/д с. 5-78,
Л.7/д с. 160-164.
Отработать:
конспект
лекции.
Основное внимание
обратить на
особенности сканирования диаграммой
направленности и конструктивные
особенности элементов ФАР.
Быть готовыми: к лекции №14
«Антенные решётки с обработкой
сигналов».

70.

ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКОЙ ОБОРОНЫ
ИМЕНИ МАРШАЛА СОВЕТСКОГО СОЮЗА Г.К. ЖУКОВА
Кафедра № 13
«Основ построения радиоэлектронных средств и систем»
Учебная дисциплина ДС-1322
«Устройства СВЧ
и антенны»
Тверь 2019