Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое выбор антенны, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое выбор антенны, зеркальные антенны, плоские антенны , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Радиотехнические системы.
Цель лекции – ознакомиться c теми антеннами, которые чаще всего применяются на практике. Это классы простых и сложных зеркальных антенн, а так же щелевых, полосковых. В радарах применяются самые различные антенны. Цель лекции - научить студента разбираться с устройством различных антенн.
План
При выборе антенны для радара следует учитывать несколько факторов.
Вот некоторые из них:
Частота работы: Определите необходимую частоту работы радара, так как она будет влиять на выбор типа антенны. Некоторые антенны предназначены для работы на определенных частотах, и выбор должен соответствовать требуемой рабочей частоте.
Направленность: Определите, требуется ли вам направленная или всенаправленная антенна. Направленные антенны обеспечивают более узкое покрытие и более высокую точность, но требуют точной ориентации для обнаружения целей. Всенаправленные антенны обеспечивают широкое покрытие, но с меньшей точностью.
Усиление: Усиление антенны важно для обеспечения достаточной чувствительности радара. Более высокое усиление антенны обеспечивает большую дальность обнаружения и лучшую разрешающую способность.
Размер и форма: Размер и форма антенны могут быть ограничены физическими ограничениями установки. Например, для портативного радара может потребоваться компактная антенна, в то время как для наземной установки можно использовать более крупные антенны.
Поляризация: Выбор поляризации антенны зависит от рабочей среды и требований к радару. Горизонтальная, вертикальная или круговая поляризация могут быть выбраны в зависимости от обстоятельств.
Легкость установки и настройки: Обратите внимание на удобство установки и настройки антенны. Важно выбрать антенну, которую можно легко установить и подстроить для оптимальной производительности радара.
Стоимость: Наконец, учитывайте бюджетные ограничения. Существует широкий спектр антенн различной цены, и вам следует выбрать такую антенну, которая соответствует вашему бюджету, не жертвуя качеством и производительностью.
Это лишь несколько ключевых факторов, которые следует учесть при выборе антенны для радара. Важно провести более детальное исследование, оценивая требования вашего конкретного радара и обратившись к экспертам в этой области для получения более точных рекомендаций.
зеркальные антенны относятся к классу параболических антенн. Они состоят из главного рефлектора в форме параболоида и подпитывающего устройства (часто называемого фидером), расположенного в фокусе параболы. Главный рефлектор отражает падающие электромагнитные волны от фидера и формирует узкий пучок излучения или приема.
Зеркальные антенны обладают рядом преимуществ, которые делают их популярными в различных областях:
Высокая направленность: Зеркальные антенны обеспечивают высокую направленность пучка излучения или приема. Это позволяет им обнаруживать или передавать сигналы в узком направлении, увеличивая точность и дальность связи.
Большая усилительная способность: Параболическая форма главного рефлектора позволяет антенне обладать высоким усилением. Усиление определяется размером и формой параболоида, и оно пропорционально диаметру антенны. Большие зеркальные антенны обеспечивают более высокое усиление.
Широкий диапазон частот: Зеркальные антенны могут быть использованы в широком диапазоне частот, от радиочастотных до микроволновых и даже в оптическом диапазоне.
Минимальные потери: Благодаря отражательной природе зеркальных антенн, они имеют малые потери сигнала, что способствует высокой эффективности и качеству связи или приема.
Использование в различных приложениях: Зеркальные антенны широко применяются в радиосвязи, спутниковых связях, радарах, телевидении, радиолокации и других областях, где требуется высокая направленность и усиление сигнала.
Однако следует отметить, что зеркальные антенны также имеют некоторые ограничения, включая большие размеры и вес для антенн с высоким усилением, а также ограниченный угол обзора, связанный с их направленной природой. Эти факторы должны быть учтены при выборе зеркальной антенны для конкретного приложения.
Высокая направленность излучения может быть получена помимо АР с помощью таких антенн, как рупорные, зеркальные и др. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Характерной особенностью этих антенн является наличие излучающего раскрыва (апертуры), т.е. некоторой поверхности, через которую происходит излучение энергии.
Зеркальные антенны применяются в различных диапазонах частот: от оптического до коротковолнового, особенно широко в сантиметровом, дециметровом и миллиметровом диапазонах. Эти антенны отличаются конструктивной простотой, возможностью получения различных ДН, хорошими диапазонными свойствами и др.
С уществуют различные типы зеркальных антенн: параболические зеркала (параболоид, усеченный параболоид и параболический цилиндр); сферические зеркала, плоские и уголковые зеркала и др.
Тип антенны для РЛС выбирается исходя из целого ряда соображений. Порой они противоречивы.
В уравнении радиолокации мощность отраженного сигнала растет пропорционально квадрату поизведения коэффициента усиления на длину волныGa2l2. Для достижения заданной дальности действия R выгодно применять антенну, как можно больших размеров. На большом раскрыве антенны можно получить большой коэффициент усиления Ga и за счет этого, снизить мощность передатчика. Например, двухкратное увеличение Ga позволит вчетверо снизить мощность передатчика (см. уравнение радиолокации).
С другой стороны, большие габариты антенны могут не вписаться в допустимые размеры станции. И инженерам приходится не раз пересматривать свои решения, пока не будет найден приемлимый вариант.
В начале разработки РЛС подход к выбору антенны возможен в том варианте, который дан на рисунке. Это этап технических предложений. Главная задача этапа не точный расчет, а приближенный. Именно он позволяет увязать разноречивые требования без значительных временных затрат. Какие же антенны применяют в радарах различных классов?
Применяются исключительно в дешевых бытовых радарах. Это радары постовых патрульных служб и систем охранной сигнализации.
Класс "плоских" антенн относится к группе антенн с плоскими или почти плоскими радиоизлучающими элементами. Они представляют собой отличие от традиционных трехмерных антенн, таких как зеркальные антенны или дипольные антенны, и обладают рядом уникальных свойств и преимуществ. Вот несколько примеров классов плоских антенн:
Плоские апертурные антенны (Planar Aperture Antennas): Это антенны с плоским излучающим элементом, обычно выполненным в виде плоской поверхности с отверстиями или щелями. Они могут обеспечивать широкий угол обзора и хорошую прямоугольную диаграмму направленности. Примерами являются микрополосковые антенны и решетчатые антенны.
Фазированные массивы (Phased Arrays): Фазированные массивы состоят из ряда плоских излучающих элементов, которые работают совместно для формирования пучков излучения, изменяя фазу и амплитуду сигнала на каждом элементе. Это позволяет электронно управлять направлением пучка без необходимости физического поворота антенны. Фазированные массивы широко используются в радарах, коммуникационных системах и спутниковых связях.
Метаматериалы (Metamaterial Antennas): Метаматериалы - это искусственные структуры, созданные из металлических или диэлектрических элементов, специально разработанных для манипулирования электромагнитными волнами. плоские антенны на основе метаматериалов могут обладать уникальными свойствами, такими как низкий профиль, широкополосность и возможность реализации необычных диаграмм направленности.
Плоские антенны обычно обладают рядом преимуществ, включая компактность, легкость, удобство установки и эстетическую привлекательность. Они могут быть использованы в различных приложениях, таких как беспроводные коммуникации, радиолокация, медицинская диагностика, автомобильная электроника и многое другое. Однако, как и у любой антенны, выбор плоской антенны должен основываться на требованиях конкретного приложения и окружающих условиях.
Используются в радарах с медленным обзором пространства, например 4-10 градусов в секунду. РЛС ПСН-1 и ПСНР-5 российского производства оснащены такими антеннами. Главное их достоинство – простота изготовления, а недостаток – значительный объем занимаемого пространства за счет вынесенного облучателя. Для быстрого обзора пространства необходима большая мощность электропривода, поскольку обзор производится поворотом всей антенной колонки. Для вращения колонки необходимы двигатели мощностью 5-10 квт на 1 тонну массы. Если быстрое вращение не требуется, то можно ограничиться одним киловаттом.
Однако, из-за простоты изготовления, антенны достаточно широко применяются в аэродромных станциях и РЛС систем ПВО.
Для узких секторов (5-10 град.) применяется механическое перемещение запитывающего рупора в фокальной плоскости. При этом удается перемещать луч на 5-8 диаграмм.
Если разместить N рупоров в фокальной плоскости и запитывать их поочередно, можно заставить довольно быстро сканировать диаграммой. Для удобства, волноводы от каждого рупорасклеивают а кольцо. Образуется конструкция, которая называется «растровой головкой». Внутри кольца рупорной головки вращвется волновод. Он и осуществляет сканирование.
Чтобы расширить сектор обзора Qc, часто применяют сканер Льюиса. Он характерен использованием узкого металлического зеркала, размещенного под 90 град. относительно фокальной плоскости. Конструкция образует волноводную «косынку». Здесь перемещать запитывающий рупор можно не вдоль фокальной плоскости, а поперек. А если эту «косынку» свернуть в «улитку», образующую кольцевую щель, то запитывающий рупор можно вращать. Такая конструкция позволяет расширить сектор сканирования ДНА до 50 диаграмм направленности. Такой тип антенны применяется в РЛС СНАР.
Относительная громоздкость зеркальных антенн не нашла им применение в классе носимых РЛС и радарах головных частей управляемых ракет. Более компактны щелевые и полосковые.
Щелевые антенны имеют конструкцию в виде плоского полотна волноводов. В каждом волноводе прорезаны излучающие щели. Они формируют диаграмму в горизонтальной плоскости. Вертикальная плоскость определяется количеством волноводов по вертикали.
Запитка волноводов выполняется волноводным распределителем мощности. Для облегчения антенны волноводы делаются из пластмассы с последующим напылением металла. Часто, волноводная и распределительная части отливаются из пластмассы заодно и накрываются общим алюминиевым полотном с прорезями.
Самыми дешевыми бывают антенны полосковые. На фольгированный тефлон наносится рисунок из диполей с фидерной запиткой. Затем тефлон протравливается. Оставшаяся полосково-дипольная конструкция формирует ДНА. Ею накрывается прямоугольный металлический или металлизированный резонатор. Антенна получается плоской и компактной. Такая антенна применена в РЛС СБР 3. Сканирование пространства производится вращением всей конструкции.
При решении ряда задач необходим очень быстрый (менее 1 миллисекунды) переброс луча из одной точки пространства в другую. Например при многоканальном сопровождении многих целей. Это задачи противовоздушной обороны, засечки огневых позиций по выстрелу. Сделать это механически невозможно. Для этого разработаны электронно- управляемые системы. На плоской поверхности размещают NxM излучателей в виде диполей или миниатюрных рупорочков с электронными фазовращателями ФВ. Каждый фазовращатель может изменять фазу излучаемого в пространство сигнала. С помощью ЭВМможно рассчитать такое фазовое состояние каждого фазовращателя, которое и обеспечит нужное направление луча. Каждый фазовращатель получает от ЭВМ команду на установку фазы и таким способом формируется фазовый фронт в раскрыве антенны.
Время переключения электронный фазовращателей может составлять 10-50 мкс.
Фазоаращатели и система управления очень дорогие элементы. Один фазовращатель может стоить до 100$. Как показано на рисунке, для обеспечения ДНА только в одной плоскости, необходимо N=101 / Qa фазовращателей. Для формирования ДНА 2о х2о в двух плоскостях
потребуется 50х50 =2500 штук. С учетом цены одного ФВ общая стоимость одного полотна может составить 250 тысяч долларов.
ФАР (Фазированные Антенные Решетки) имеют широкий спектр применений в различных областях. Вот некоторые из них:
Радиолокация: ФАР широко используются в системах радиолокации для обнаружения, отслеживания и измерения объектов в воздухе, на море и на суше. Они обеспечивают электронное сканирование пучка излучения без необходимости физического поворота антенны, что делает их идеальными для радарных систем с высокой скоростью обновления и точности.
Спутниковые связи: ФАР широко применяются в спутниковых коммуникационных системах для передачи и приема сигналов. Они позволяют эффективно формировать узкие пучки излучения в направлении спутника, обеспечивая высокую пропускную способность и качество связи.
Беспроводные коммуникации: ФАР используются в сотовых сетях и беспроводных системах связи для повышения пропускной способности и покрытия зоны обслуживания. Они позволяют эффективно управлять направлением пучков излучения, обеспечивая более стабильную связь и увеличение емкости сети.
Аэрокосмическая промышленность: ФАР применяются в аэрокосмической промышленности для связи, навигации и радиолокации на борту самолетов, спутников и космических аппаратов. Они обеспечивают высокую точность и надежность связи в сложных условиях.
Медицинская диагностика: ФАР используются в медицинской диагностике, например, в ультразвуковых системах образования изображений, для фокусировки и формирования пучка ультразвуковых волн.
Военные системы: ФАР широко применяются в военных системах, включая радиолокационные системы обнаружения, целеуказания и обороны. Они обеспечивают высокую точность и скрытность во время работы.
Автомобильная электроника: ФАР могут использоваться в автомобильной электронике, включая системы автопилота и помощи при парковке. Они помогают в обнаружении препятствий, определении расстояния и направления движения.
Это лишь некоторые из множества областей применения ФАР. Их способность электронного сканирования и точного управления направлением излучения делает их универсальным инструментом для многих приложений, где требуется высокая направленность и эффективность антенной системы.
1. Выгодно ли повышать коэффициент усиления антенны и почему?
2. Как организуется сканирование пространства антенной?
3. Как работает сканер Льюиса?
4. Для чего нужны ФАР и как они работают?
Выводы из данной статьи про выбор антенны указывают на необходимость использования современных методов для оптимизации любых систем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое выбор антенны, зеркальные антенны, плоские антенны и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Радиотехнические системы
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Радиотехнические системы
Термины: Радиотехнические системы