Бортовая цифровая АФАР системы направленной передачи информации

Страница 1 2

---

Оглавление

• Перечень используемых сокращений и условных обозначений
• Введение
• Исследовательский раздел
• Раздел 1.1 Обзор литературы
• Раздел 1.2  Оценка параметров каналов связи
• Раздел 1.3 Обзор пакета электродинамического моделирования
• Раздел 1.4 Постановка задачи
• Раздел 1.5 Моделирование отдельного излучателя
• Раздел 1.6 Моделирование антенной решетки
• Технико – экономический раздел
• Безопасность жизнедеятельности и экологии
• Заключение

Перечень используемых сокращений и условных обозначений

АФАР – активная фазированная антенная решетка; БПЛА – беспилотный летательный аппарат;

КСВ – коэффициент стоячей волны; КУ – коэффициент усиления;

ЛА – летательный аппарат;

НКУ – наземный комплекс управления; РЛС — радиолокационная станция;

САПР — система автоматизированного проектирования; СВЧ – сверхвысокие частоты;

УВЧ – ультравысокие частоты;

ФАР – фазированная антенная решетка; ЭПР – эффективная площадь рассеяния;

ADK — Antenna Design Kit, инструментарий для разработки антенн; DDM — технология разложения на подобласти;

HPC — высокопроизводительные вычисления.

Введение

Практически ежедневно в новостных материалах мы встречаем упоминание о беспилотных комплексах.

Беспилотники неплохо вписываются в мирную экономику лесного и сельского хозяйства, системы МЧС и МВД, госструктуры землепользования, освоения территорий Крайнего севера и Арктики.

Перспективным направлением в развитии систем связи с БПЛА является использование частотных диапазонов выше 5 ГГц. При этом становится возможной передача большого объема данных полезной нагрузки в режиме реального времени (например, это могут быть изображения с датчиков излучения различного диапазона длин волн).

Факторами, резко ограничивающими радиус действия радиосистемы связи при использовании данных диапазонов, являются сильная зависимость условий распространения электромагнитных волн от погодных условий, необходимость прямой видимости и влияние многолучевости.

Применение БПЛА в гражданском секторе в настоящее время находится в ожидании решения некоторых технических и организационных проблем, без чего невозможно стабильное использование БПЛА.

Основные проблемы связаны с использованием воздушного пространства, выделением частотного диапазона для управления БПЛА и передачи информации с борта на землю и наоборот и, наконец, с развитием рынка гражданских услуг, который находится в стадии становления.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн.

Существует большое количество различных типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала.

Диапазоны коротких, средних и длинных волн, называемые также диапазонами амплитудной модуляции по типу используемого в них метода модуляции сигнала, обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн, для которых характерна частотная модуляция, а также диапазонах сверхвысоких частот.

В диапазоне СВЧ сигналы уже не отражаются ионосферой Земли и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, где это условие выполняется.

Исследовательский раздел Раздел 1.1 Обзор литературы

Проблемы систем связи дальнего действия. Прямая видимость между БПЛА и НКУ

Рассмотрим вопрос построения систем цифровой связи беспилотных летательных аппаратов для передачи высокоскоростной информации на большие расстояния.

Основными проблемами на пути создания систем связи дальнего действия являются:

а) обеспечение радиовидимости между летательным аппаратом и наземным комплексом управления;

б) компенсация большого затухания сигнала на трассе.

Прямая видимость между БПЛА и наземным комплексом управления может быть достигнута за счет увеличения высоты полета БПЛА и увеличением высоты подъема наземной антенны.

Передача информации с высокой скоростью на расстояния более 300 км возможна с использованием ретрансляционного оборудования, спутниковых систем связи, стационарных систем передачи информации.

Для компенсации большого затухания сигнала на трассе могут быть предприняты следующие меры:

а) увеличение выходной мощности передатчика;

б) увеличение коэффициентов усиления антенного оборудования.

Без учета рефракции в атмосфере и при отсутствии препятствий на пути распространения радиоволн существует возможность организации прямой связи между БПЛА и НКУ на дальностях до 200–300 км.

Для повышения дальности работы системы связи необходимо увеличивать высоту полета ЛА и использовать мачтовые сооружения для антенны наземного комплекса управления. На рисунке 1 изображена зависимость дальности прямой видимости БПЛА от высоты полета и высоты подъема антенны НКУ.

Рисунок 1 — Дальность прямой видимости БПЛА в зависимости от высоты полета и высоты подъема антенны НКУ

• Проблема затухания сигнала на трассе. Анализ прохождения радиоизлучения в атмосфере

Большое расстояние между БПЛА и НКУ приводит к большому затуханию сигнала на трассе, которое необходимо компенсировать повышением выходной мощности сигнала передатчиков и использованием антенных систем с большим коэффициентом усиления.

Графики для затухания сигнала на трассе для различных диапазонов длин волн и при различном расстоянии между БПЛА и НКУ представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 — Затухание сигнала на трассе для различных диапазонов длин волн и при различном расстоянии между БПЛА и НКУ

При распространении радиоволн короче 3…4 см (частота больше 7…10 ГГц) в земной атмосфере происходит дополнительно к потерям в свободном пространстве ослабление поля за счет поглощения в газах.

Различные атмосферные образования в виде конденсированных водяных паров — дождя, тумана, облаков, града, снега, которые состоят из отдельных частиц — капель, льдинок (гидрометеоров), являются причиной ослабления напряженности поля радиоволн.

Ослабление вызывается, во-первых, нерезонансным поглощением в частицах и, во-вторых, рассеянием энергии на частицах. Ослабление может также происходить за счет отражения от резко очерченной полосы осадков.

Ослабление в осадках начинает сказываться на частотах более 6 ГГц. При этом основное значение имеет ослабление в дожде, а также в тумане и облаках.

Зависимости коэффициента ослабления в дожде от частоты при различной его интенсивности изображены на рисунке 3.

Рисунок 3 — Зависимости коэффициента ослабления в дожде от частоты при различной его интенсивности

Для обеспечения бюджета канала связи при большом затухании сигнала на трассе необходимо использовать направленные антенны на борту БПЛА. Задача управления направлением максимального усиления бортовой антенны может быть решена использованием многоэлементной антенной решетки с управляемой диаграммой направленности.

• Анализ преимуществ использования АФАР

Интенсивное развитие технологий в области ракетостроения, авиации, космоса увеличило спектр задач поставленных перед комплексами РЛС, что привело к необходимости их усовершенствования и внедрению в РЛС новых устройств – активных фазированных антенных решеток (АФАР).

Применение АФАР, по сравнению с пассивными ФАР, открывает ряд дополнительных возможностей по:

• энергетическому потенциалу,
• гибкости управления характеристиками системы,
• повышению надежности,
• существенному расширению круга решаемых задач;

В основе построения АФАР используется антенная решетка, у которой к каждому излучателю подключен передатчик или приемник. Излучатели обычно расположены в узлах прямоугольной или косоугольной сетки.

В передающей АФАР к каждому излучателю подключен усилитель мощности. Иногда вместо усилителя мощности используется синхронизируемый автогенератор или преобразователь частоты.

Организация сигнала происходит за счет формирования диаграммы направленности распределением амплитуд и фаз в излучателях решетки.

Система формирования содержит:

• комплект усилителей мощности,
• комплект фазовращателей,
• комплект согласующих цепей;

Приемо-передающий модуль, в таких антенных решетках имеет возможность изменять амплитуду сигнала, регулировать фазу несущего колебания, а также преобразовывать радиосигнал из аналоговой формы в цифровую и наоборот.

Раздел 1.2 Оценка параметров каналов связи

Критерии эффективности

Системы связи, обеспечивающие необходимую скорость информации R при заданной помехоустойчивости, различаются степенью использования ими ресурсов канала: пропускной способности С, мощности сигнала Ps и занимаемой полосы частот F.

Характеризует расход h21 на единицу переданной информации. На основе формулы Шеннона для пропускной способности непрерывного канала связи.

Зависимость между двумя показателями эффективности изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 — График зависимости = ()

Предел Шеннона характеризует минимальные затраты энергии на передачу одного двоичного знака при заданной спектральной мощности шума, которые нельзя уменьшить никакими способами кодирования и модуляции.

Среди методов повышения эффективности важное место отводится методам сокращения избыточности сообщений. В частности, при передаче дискретных сообщений для сокращения избыточности применяют статистическое кодирование.

Для сокращения избыточности непрерывных сообщений часто используют методы декорреляции, основанные на аппроксимации непрерывных сообщений с помощью различных базисных функций. В частности, широкое применение находят методы линейного предсказания.

Особенно остро стоит проблема сжатия информации при цифровой передаче непрерывных сообщений: так как необходимая полоса частот увеличивается примерно в 10 раз по сравнению с аналоговой передачей.

Введение количественной меры информации, передаваемой по каналу связи, позволяет производить объективную оценку как существующих систем передачи, так и проектируемых по оценке их помехоустойчивости и эффективности.

Применение современных методов кодирования, модуляции и оптимальных методов приема позволяет обеспечить относительно высокую эффективность использования пропускной способности реальных каналов при весьма высокой помехоустойчивости.

2.2) Способы измерения параметров цифровых каналов

Современная система электросвязи базируется на цифровой первичной сети, которая основывается на применении цифровых систем передачи, и в качестве среды передачи применяет электрический и оптический кабели.

Для того чтобы они успешно функционировали и надлежащим образом выполняли свое предназначение, необходимо проводить своевременное техническое обслуживание, которое помимо всего прочего также включает в себя измерение параметров каналов и трактов. Для всего этого применяют измерительные технологии, которые представляют собой совокупность средств измерений, методов проведения измерений и обработку результатов.

Измерить параметры бинарных цифровых каналов можно двумя способами: с отключением канала и без отключения канала.

Способ измерения «с отключением канала» предполагает в качестве источника и приемника сигнала использование специальных приборов – анализаторов цифрового сигнала, в которых заранее предусмотрено принятие стандартизованного для каждого типа канала или тракта измерительного сигнала, который является тестовой последовательностью бит, которая анализируется на приеме.

Способ измерения «без отключения канала» называется мониторингом и применяется в аппаратуре, которая имеет встроенные средства контроля без прекращения связи, выполняющие оценку показателей ошибок по блокам реального сигнала и выводящие информацию об выявленных отклонениях и повреждениях в систему технической эксплуатации, которая производит их фиксацию и по специальным алгоритмам проводит их анализ.

Способ измерения «с отключением канала» является более точным.

На рисунке 5 представлен алгоритм определения параметров тракта.

Рисунок 5 — Алгоритм определения параметров тракта

• Параметры цифрового канала

Для бинарного цифрового канала определены следующие основные параметры:

• AS (Availability Second) [с] – время готовности канала. Находится, как разность между общей длительностью теста и временем неготовности канала.
• AS (%) (Availability Seconds) – относительное время готовности канала.
• BIT (Bit Errors) – число ошибочных бит.
• BER (Bit Error Ratio) – коэффициент ошибок по битам, который за время AS можно найти, как отношение числа ошибочных бит к общему числу бит.
• ES (Errored Seconds) – секунда с ошибками. Это период, равный 1 с, в котором присутствует хотя бы одна ошибка.
• ES (%) – процент времени с ошибками.
• ESR (Errored Second Ratio) – коэффициент ошибок по секундам. Находится как отношение ES к общему числу секунд за время готовности канала.
• EFS (Error Free Seconds) – секунда, свободная от ошибок. Определяется, как время, в течение которого не было выявлено ошибок.
• EFS (%) — процент времени, свободного от ошибок.
• SES (Severely Errored Second) – секунды, пораженные ошибками. Это число периодов длительностью в 1 с, у которых . SES является частью параметра ES, так как определяется в период AS.
• SES (%) – относительная продолжительность времени, которая многократно поражена ошибками
• SESR (Severely Errored Second Ratio) – коэффициент ошибок по секундам, пораженными ошибками
• UAS (Unavailability Seconds) – секунды неготовности канала. Они отсчитываются с начала регистрации 10 последовательных секунд SES. Эти 10 секунд считаются частью периода неготовности, который заканчивается до начала 10 последовательных секунд без SES (эти 10 секунд считаются частью периода готовности AS).
• ЕВ (Errored Block) – число блоков с ошибкой, у которых один или несколько бит оказываются ошибочными. Блок является последовательностью бит, ограниченной по числу бит, которые относятся к данному тракту.
• ВВЕ (Background Block Error) – блок с фоновой ошибкой. Это блок с ошибками, который не является частью SES.
• BBER (Background Block Error Ratio) – коэффициент ошибок по блокам с фоновыми ошибками. Он представляет собой отношение числа блоков с фоновыми ошибками ко всему количеству блоков в течение времени готовности за фиксированный интервал измерений за исключением всех блоков в течение SES.
• BLER (Block Error Rate) – коэффициент ошибок по блокам. Находится как отношение числа ошибочных блоков данных к общему числу переданных блоков.
• SLIP (Clock Slips) – число тактовых проскальзываний. Количество синхронных управляемых проскальзываний, появившихся с начала теста.
• CRC ERR (CRC Errors) – число ошибок. CRC (Cyclic Redundancy Check) это параметр ошибки, который определяется с применением циклического кода с избыточностью. Этот параметр оценивается с использованием встроенных средств самодиагностики и без отключения канала.
• CRC RATE-CRC Errors Rate – частота ошибок параметра CRC
• DGRM, DM (Degraded Minutes) – число минут деградации качества.
• Параметр представляет собой число интервалов длительностью 60 с, когда канал находится в состоянии готовности. На протяжении этого времени параметр BER хуже, чем 10-6 . Параметр определяется на скоростях 64 кбит/с.
• DGRM (%) – процент минут деградации качества
• LOSS (Loss of Signal Seconds) – число секунд потери сигнала.

Количество бит в блоке определяется скоростью передачи, что представлено в таблице 1.

Таблица 1 – Количество бит в блоке

 

Оценка параметров каналов связи позволяет не только вовремя вывить повреждения и факторы, которые могут в значительной степени изувечить сигнал, но и дает возможность улучшить его.

Измерив и рассчитав основные параметры сравнив их с нормируемыми параметрами, мы можем с абсолютной точностью сказать в каком состоянии находится исследуемый канал.

Нормы на электрические параметры, допустимые и предельные значения параметров и методы их измерений, определяются Международным союзом электросвязи по группе телекоммуникаций (МСЭ-Т).

Предельно   допустимые   параметры   ошибки   для международного тракта длиной 27 500 км приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Предельно допустимые     параметры     ошибки для международного тракта

 

• Оценка параметров цифрового канала

При вводе объектов технической эксплуатации в эксплуатацию, во время эксплуатации и при их восстановлении применяют эксплуатационные нормы, которые зависят от среды передачи данного тракта. Проверку соответствия нормам проводят за 15 минут, за 2 или 24 часа.

Результат расчета параметров цифрового канала Найденные параметры представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Параметры цифрового канала

 

Все найденные параметры не превышают предельно допустимые нормы, представленные в таблице 2.

Следовательно, канал связи полностью соответствует требованиям установленных рекомендаций.

Оценка параметров каналов связи позволяет не только вовремя вывить повреждения и факторы, которые могут в значительной степени изувечить сигнал, но и дает возможность улучшить его.

Измерив и рассчитав основные параметры сравнив их с нормируемыми параметрами, мы можем с абсолютной точностью сказать в каком состоянии находится исследуемый канал.

Раздел 1.3 Обзор пакета электродинамического моделирования

Возможности и доступные технологии программного продукта

Синтез планарной антенной решетки будем производить с помощью пакета электродинамического моделирования ANSYSElectronicsDesktop 19.0.

ANSYSElectronicsDesktop является отраслевым стандартом программного обеспечения для численного электродинамического моделирования.

Базовым алгоритмом является метод конечных элементов в трехмерной постановке, реализованный в частотной области для расчета поведения электромагнитных полей на произвольной геометрии с заданными свойствами материалов.

Данный программный продукт позволяет:

• Извлекать матричные параметры СВЧ-структуры (S, Y, Z – матрицы);
• Рассчитывать коэффициент стоячей волны (КСВ);
• Извлекать параметры излучения и рассеяния (диаграммы направленности, коэффициенты направленного действия, реализуемое усиление антенн, ЭПР и др.);
• Отображать в 3D-распределение токов, векторов плотности потока мощности, распределения электромагнитных полей (в ближней и дальней зонах).

Решение граничной задачи ищется в частотной области. Использование метода конечных элементов обеспечивает высокую степень универсальности численных алгоритмов, которые оказываются весьма эффективными для широкого круга задач от анализа волноводных и полосковых структур до моделирования антенн и сложных невзаимных устройств, содержащих гиротропные среды.

Процесс проектирования с помощью ANSYSElectronicsDesktop включает в себя ряд стандартных шагов:

• Создание модели анализируемой структуры, в том числе:
• создание трехмерной           графической                     модели            структуры (чертежа);
• задание параметров          материалов,           из                     которых        состоит структура.
• Определение электродинамических параметров структуры:
• задание граничных условий на поверхностях, формирующих анализируемый объект;
• определение и калибровка портов;
• задание параметров решения.
• Электродинамический анализ исследуемого объекта, в том числе:
• анализ объекта в полосе частот;
• параметрический анализ объекта;
• параметрическая оптимизация объекта.
• Визуализация результатов электродинамического анализа:
• построение графиков в декартовых, полярных координатах, диаграмм Смита, диаграмм направленности и т.д.;
• анимация распределений электромагнитного поля и электрического тока.

Доступные технологии для моделирования антенн в ANSYSElectronicsDesktop:

• Метод конечных элементов (включено в ANSYSElectronicsDesktop);
• Метод интегральных уравнений (включено в ANSYSElectronicsDesktop);
• Физическая оптика (включено в ANSYSElectronicsDesktop);
• Метод Галёркина (временная область) (включено в ANSYSElectronicsDesktop);
• Иструментарий для разработки антенн (Antenna Design Kit), содержащий более 50 стандартных конструкций антенн (включено в ANSYSElectronicsDesktop).
• Метод конечных элементов.

Хорошо подходит для 3D­геометрии произвольной формы. Этот метод подразумевает, что геометрическая модель автоматически разбивается на некоторое количество тетраэдрических элементов, конформных соответствующим поверхностям геометрии. Тетраэдрические элементы хорошо подходят для этого типа неструктурированной и неравномерной сетки, так как они могут растягиваться, чтобы в итоге максимально точно соответствовать заданной геометрии.

Под формулировкой «метод конечных элементов» подразумевается использование передовых математических методов, удовлетворяющих уравнениям Максвелла для всей модели.

Этот метод наиболее эффективен для моделей, содержащих много различных материалов.

На рисунке 6 приведен пример использования метода конечных элементов.

Рисунок 6 — Пример решения задачи методом конечных элементов Как показано на рисунке 6, поля вычисляются во всем объеме —

то есть не только в области антенны и объекта, с которым она связана; областью расчета является также и их окружение.

• Метод интегральных уравнений.

В основе лежит 3D­метод интегральных уравнений или, как его еще называют, метод моментов, позволяющий эффективно решать открытые задачи излучения и рассеяния.

При таком методе решения токи вычисляются только на поверхности модели, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7 — Изменение диаграммы направленности антенны

В первую очередь метод наиболее эффективен для конструкций из металла, но это не значит, что конструкция не может также включать диэлектрики.

Типичные области применения данного метода: моделирование антенн, определение эффективной площади рассеяния, моделирование антенны, размещенной, например, на транспортном средстве или платформе, решение задач электромагнитной совместимости и т.д.

Моделирование антенн методом интегральных уравнений исключает необходимость использования воздушного объема с

граничными условиями на излучение, что необходимо было бы в случае применения метода конечных элементов.

• Гибридный метод: метод конечных элементов и интегральных уравнений.

ANSYSElectronicsDesktop предлагает возможность использовать преимущества метода конечных элементов и метода моментов для решения одной задачи, воспользовавшись гибридным методом.

Такое гибридное решение в ряде задач очень выгодно, поскольку метод конечных элементов можно применять для разрешения задачи внутри объема со сложной геометрией, а метод интегральных уравнений позволит решить задачу распространения поля через свободное пространство вне объема метода конечных элементов.

Это устраняет необходимость заключать всю геометрию в объем и решать всю задачу с помощью только метода конечных элементов, тем самым значительно экономя ресурсы (память и время анализа).

• Физическая оптика.

Эффективна для решения электрически больших задач. Но при применении этого метода токи вычисляются только в области подсветки. В теневой области токи равны нулю. Немаловажно, что в качестве источника возбуждения можно использовать результаты, полученные в классическом методе конечных элементов.

Типичные области применения включают моделирование больших рефлекторных антенн, антенн, размещенных на платформах или на любых крупных объектах, ЭПР крупных объектов, таких как самолеты, корабли или спутники.

На рисунке 8 представлено моделирование системы «рупор — рефлектор».

Рисунок 8 — Моделирование рефлекторной антенны посредством физической оптики: а — геометрия рефлектора и облучателя (рупор); б

— электрическое поле, окружающее рупор; в — распределение тока по поверхности рефлектора; г — поле в дальней зоне наложено на рефлектор с распределением тока

Рупор моделируется с помощью метода конечных элементов и является источником первичного электромагнитного излучения. Далее посредством этих вычисленных полей вычисляются токи на поверхности рефлектора. Затем вычисляется вторичное излучение, которое необходимо для определения полей в дальней зоне.

Физическая оптика позволяет получать результаты очень быстро, следовательно, идеально подходит для электрически больших структур и быстрой оценки исследуемой структуры.

• Метод Галёркина (временная область).

Полноволновое решение во временной области методом Галёркина. Во временной области создается неструктурированная сетка, которая также является адаптивной.

Некоторые типичные применения данного метода:

• разработка импульсных георадаров;
• моделирование электростатического разряда;
• визуализация полей      и    определение         центров       рассеяния в задачах ЭПР.

На рисунке 9 иллюстрируется задача определения ЭПР на примере самолета типа F35.

Рисунок 9 — Решение с помощью метода Галеркина. а – временная

подпись ЭПР; б – снимок электромагнитных полей в определенный момент времени

Плоская электромагнитная волна падает на самолет под косым углом.

На рисунке 9(а) показана временная подпись ЭПР, а рисунок 9(б) иллюстрирует прохождение/отражение электромагнитной волны через самолет F35.

• Технология HPC. Технология разложения на подобласти (DDM)

Высокопроизводительные вычисления (HPC) предлагают целый ряд различных технологий в ANSYSElectronicsDesktop, которые позволяют эффективно моделировать чрезвычайно большие и сложные задачи.

Одной из таких технологий является технология DDM (Domain Decomposition Method), которая наиболее интересна с точки зрения моделирования больших антенн и антенных решеток.

Принцип работы DDM следующий: большая задача разделяется на небольшие подзадачи.

Как показано на рисунке 10(а), большая область (домен) с сеткой разбивается на небольшие подобласти с сеткой, после чего каждая подобласть решается на отдельном ядре или наборе из нескольких ядер.

Отдельные ядра могут размещаться на одном компьютере или быть распределены по нескольким компьютерам, связанным высокопроизводительной сетью.

DDM — чрезвычайно масштабируемый метод. В некоторых случаях можно получить практически линейное ускорение по отношению к моделированию на одном ядре.

Рисунок 10 — Метод DDM — разложение на подобласти: а — концепция; б — примеры

Для конечных периодических структур, таких как антенные решетки или частотно­селективные поверхности, техника декомпозиции усиливается за счет использования повторяющейся геометрии, следовательно, и сеток в поддоменах и матрицах.

• Инструментарий для разработки антенн (Antenna Design Kit, ADK)

Инструмент ADK представляет собой автономную утилиту которая позволяет автоматизировать процесс создания геометрии антенн. Доступно более 50 популярных типов антенн.

Разработчику требуется выбрать нужный тип антенны из дерева и указать необходимые параметры, такие как физические размеры, частота решения, граничные условия, которые будут использоваться для назначения на внешние границы модели в ANSYSElectronicsDesktop.

При выборе программы крайне важно, что результаты моделирования антенны будут совпадать с измерениями. ANSYSElectronicsDesktop обеспечивает высокую точность вычислений при моделировании антенн, а также любых пассивных СВЧ­устройств.

Высокая точность достигается автоматическим адаптивным перестроением сетки в ходе решения, которое работает для всех внедренных в ANSYSElectronicsDesktop методов, применяемых для широкого спектра конструкций антенн.

Использование гибридного решателя в сочетании с технологиями высокопроизводительных вычислений, таких как DDM, позволяет решить электрически большие задачи эффективно и в довольно короткие сроки.

Кроме того, ANSYSElectronicsDesktop прост в применении и обладает интуитивно понятным интерфейсом.

В данной дипломной работе будем использовать метод конечных элементов.

Раздел 1.4 Постановка задачи

• Постановка и цель задачи

С помощью пакета электродинамического моделирования ANSYSElectronicsDesktop 19.0 синтезировать антенную решетку в заданной полосе частот:

При этом в рабочей полосе частот необходимо получить:

а) КСВ по входу решётки не более 2; б) КУ не менее 15 дБ.

• Выбор линии передачи

Для начала необходимо выбрать тип линии передачи, на которой будет синтезирована антенная решетка. Рассмотрим их виды.

• Симметричная полосковая линия

В симметричной полосковой линии центральный проводник заключен внутри диэлектрической пластины или подложки, на обе стороны которой нанесена общая металлизация, что обеспечивает хорошую экранировку и малые потери на излучение. Такие линии, однако, сложны в настройке. Сечение симметричной полосковой линии изображено на рисунке 11.

Рисунок 11 — Сечение симметричной полосковой линии

• Микрополосковая линия

Микрополосковая линия является неоднородной линией передачи, так как не все силовые линии поля между полосковым проводником и заземленной пластиной проходят через подложку.

Поэтому волна, распространяющаяся вдоль микрополоскового проводника, является не чистой Т-волной (является «квази – Т-волной»). Эффективная диэлектрическая проницаемость меньше диэлектрической проницаемости подложки, так как она учитывает поле вне подложки.

На рисунке 12 изображено сечение микрополосковой линии.

В отличие от несимметричной полосковой линии с малым значением диэлектрической проницаемости подложки, в микрополосковой линии электромагнитное поле концентрируется между микрополоском и заземленным основанием, поэтому потери на излучение уменьшаются.

На рисунке 13 изображено распространение поля в микрополосковой линии.

Рисунок 12 — Сечение микрополосковой линии

Рисунок 13 — Распределение поля в микрополосковой линии

• Щелевая линия

Эта линия представляет собой узкую щель или зазор в тонком проводящем слое, выполненном на одной стороне диэлектрический подложки с высоким значением.

Электромагнитная волна распространяется вдоль щели. Основными достоинствами щелевой линии является наличие эллиптической поляризации магнитного поля, что позволяет использовать ее для построения невзаимных устройств, простота изготовления, низкие потери, удобство монтажа дискретных элементов, возможность получения высокого волнового сопротивления.

Вид участка щелевой полосковой линии изображен на рисунке 14.

Рисунок 14 — Вид щелевой полосковой линии

• Компланарная линия

Волновое сопротивление копланарной линии практически не зависит от толщины подложки.

Влияние экранирующего корпуса, в который, как правило, помещается линия передачи, оказывается незначительным, если его внутренняя поверхность располагается относительно поверхности проводников на расстоянии, большем, чем удвоенная ширина щели.

Вид участка компланарной линии изображен на рисунке 15.

Рисунок 15 — Вид компланарной линии

Синтезируемая в  данной работе антенная решетка, будет смоделирована на микрополосковой линии.

• Анализ выбранной линии передачи

Микрополосковая антенна представляет собой узкополосную антенну с широким лучом. Физически такая антенна имеет двумерную геометрию.

Основным элементом патч-антенны является плоская металлическая пластина.

В простейшей микрополосковой антенне используются пластины полуволновой длины, так что металлическая поверхность этих пластин действует как резонатор подобно полуволновому диполю.

Микрополосковая антенна обычно изготавливается путем помещения металлической пластины заданной формы на изолирующем слое диэлектрика, подобно тому, как делают печатные платы, с той разницей, что на противоположной от пластины стороне диэлектрика устанавливается сплошная металлическая подложка, которая образует заземляющую поверхность.

Такая конструкция проста в разработке и недорога в изготовлении. В некоторых патч-антеннах не используется сплошной слой диэлектрика, взамен чего металлические пластины устанавливаются над металлической подложкой на диэлектрических прокладках.

Получающаяся структура является менее прочной, но имеет более широкую рабочую полосу частот. Микрополосковые антенны разрабатываются для частот от УВЧ-диапазона до 100 ГГц.

В патч-антеннах в основном используются пластины квадратной, прямоугольной, круговой или эллиптической формы. Однако, возможно использование и любых других непрерывных форм.

Внешний вид одиночного излучателя изображен на рисунке 16.

Рисунок 16 — Внешний вид одиночного излучателя

Достоинства печатных антенн:

• Высокая точность изготовления за счет использования технологии фотопечати;
• Легкость интеграции с другими устройствами;
• Возможно получение высокого коэффициента направленного действия за счет применения микрополосковых решеток.

Недостатки печатных антенн:

• Узкая рабочая полоса частот;
• Сложность реализации некоторых способов питания (апертурный, бесконтактный).

Раздел 1.5 Моделирование отдельного излучателя

Связь такой антенны с внешними устройствами обеспечивается с помощью элемента возбуждения.

Часто в качестве элемента возбуждения используют коаксиальный кабель, центральный проводник которого имеет контакт с одним металлическим слоем, а внешний проводник — с другим.

В первую очередь рассчитаем длину волны на центральной частоте. Для этого возьмем за основу для излучателя и, соответственно, антенной решетки импортный материал RogersRO4350. Материалы Rogers имеют высокие параметры и их предпочитает большинство производителей СВЧ печатных плат.

Характеристики материала RogersRO4350:

• Состав — Углеводородная керамика;
• Диэлектрическая проницаемость – 3,66;
• Тангенс угла диэлектрических потерь – 0,0037;
• Поверхностное сопротивление, МОм – 5,7×109;
• Влагопоглощение, % — 0,06;
• Теплопроводность, Вт/м/К – 0,62;
• Плотность, г/см3 – 1,9;

Рассчитаем длину волны на центральной частоте:

Где 1) с – скорость света,

• f – центральная частота, в нашем случае 11,5 ГГц,
• ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Данная формула является приблизительной оценкой длины волны в материале.

Произведем расчет отдельного участка микрополосковой линии, приняв входное сопротивление 50 Ом, с целью согласования по входу.

Соответственно      оптимизируем      ширину                                          проводника          под следующие параметры:

Z0(1)=50 Ом Z0(2)=50 Ом

Вид    участка    микрополосковой   линии    с                    оптимизированными размерами представлен на рисунке 16.

Рисунок 16 — Модель участка микрополосковой линии

Рисунок 17 — Результат моделирования отдельного участка микрополосковой линии

Как видно из приведенных выше графиков, при ширине проводника 1,2 мм, значение сопротивления близко к 50 Ом. Далее в расчетах будем использовать это значение.

Зная    длину    волны    получим    первое                      приближение       сторон излучающего элемента по формуле:

Где 1) A, B – приблизительные размеры сторон излучателя,

• λ – длина волны,
• f – центральная частота,
• ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Используя приблизительные данные длины сторон излучающего элемента с помощью САПР электродинамического анализа произведем оптимизацию размеров патч-антенны, которые будут обеспечивать наибольший возможный КУ.

Оптимизируем следующие параметры излучателя: W, L, h, x0, Wt, которые показаны на рисунке 18.

На рисунках 19 и 20 изображены меню настройки оптимизации и список оптимизированных переменных соответственно.

Рисунок 18 — Параметры излучателя, надлежащие оптимизации

Рисунок 19 — Меню настройки оптимизации

Рисунок 20 — Список оптимизированных переменных

Вид   излучающего   элемента   с  оптимизированными  размерами изображен на рисунке 21.

Рисунок 21 — Вид одного излучающего элемента после оптимизации его размеров

• Результаты моделирования излучающего элемента

В   результате   моделирования   излучающего               элемента      получим следующие графики:

• Диаграмма направленности одного излучателя в трехмерном виде. Представлена на рисунке 22;
• Диаграмма направленности излучателя в азимутальной и угломестной плоскостях. Представлена на рисунке 23;
• Распространение поля от порта к излучателю. Представлено на рисунке 24.

Рисунок 22 — Диаграмма направленности одного излучающего элемента в трехмерном виде

Рисунок 23 — Диаграмма направленности одного излучающего элемента в азимутальной и угломестной плоскостях на частоте 11,5 ГГц

Рисунок 24 — Распространение поля от порта к излучателю

По результатам моделирования одиночного излучателя, КУ в рабочей полосе частот (при размерах излучающего элемента = 8,2 мм и b

= 6,4 мм) около 8 дБ.

Раздел 1.6 Моделирование антенной решетки

Следующим этапом является моделирование непосредственно планарной антенной решетки.

Расположим восемь излучателей на расстоянии 0,5 λ – 0,75 λ друг от друга с целью обеспечить сложение диаграммы направленности без образования дифракционных лепестков в секторе ± 90°.

В E – плоскости расположим два ряда излучателей, по четыре излучателя в каждом ряду. Расстояние между рядами излучателей в E – плоскости примем 0,75 λ.

Вид антенной решетки с расположенными излучателями изображен на рисунке 25.

Рисунок 25 — Вид синтезированной антенной планарной решетки

Запитаем каждый из излучателей отдельным портом и зададим амплитуду 1W на каждом из портов.

Рисунок 26 — Установка амплитуды на каждом порте

Произведем расчет смоделированной антенной решетки. Полученная диаграмма направленности в трехмерном виде представлена на рисунке 27.

Рисунок 27 — Разностная диаграмма направленности синтезированной антенной решетки в трехмерном виде в полосе частот

В результате моделирования получили разностную диаграмму направленности, что говорит о том, что два ряда излучателей в Е- плоскости возбуждаются несинфазно.

Чтобы получить суммарную диаграмму направленности, необходимо обеспечить синфазное излучение элементов, расположим их следующим образом:

Рисунок 28 — Модель синтезированной антенной решетки, обеспечивающая синфазное излучение элементов.

Следующим этапом смоделируем решетку с использованием распределительной системы питания.

Питающая система представляет собой делители мощности с трансформацией сопротивлений.

В качестве источника питания используем коаксиальный кабель, в котором центральная жила и оплетка состоит из меди, а изолятор из любого диэлектрического материала, например, фторопласта. Внешний вид смоделированного кабеля представлен на рисунке 29.

Рисунок 29 — Вид смоделированного коаксиального кабеля

Далее   произведем   соединение    излучающих                       элементов     между собой. Вид предварительного соединения показан на рисунке 30.

Рисунок 30 — Вид предварительного соединения излучающих элементов синтезированной антенной решетки

Построим график входного сопротивления коаксиального кабеля в рабочей полосе частот — изображен на рисунке 31.

Рисунок 31 — График входного сопротивления коаксиального кабеля в полосе частот 11 – 12 ГГц

На прямом участке питающей линии в качестве трансформации используем ступенчатое изменение ширины линии. Для согласования поворотов выполним фаску наружных углов и оптимизируем их размеры.

В таблице 4 представлены отдельные элементы питающей линии.

Таблица 4.Элементы питающей линии.

 

 

• Моделирование итоговой структуры

Внешний вид итоговой планарной антенной решетки с оптимизированными элементами питающей линии, приведенной в таблице 3 изображен на рисунке 32.

Рисунок 33 — Внешний вид антенной планарной решетки с оптимизированной питающей линией.

В итоге моделирования получили следующие результаты:

• Диаграмма направленности в трехмерном виде. Представлена на рисунке 34;
• Двумерные диаграммы          направленности            в азимутальной      и угломестной плоскостях. Представлены на рисунке 35;
• График КСВ       по     коаксиальному           входу антенной     решетки. Представлен на рисунке 36;
• Изображения распространения            волн      в граничных              условиях. Представлены на рисунках 37 и 38 соответственно.

Рисунок 34 — Трехмерный вид диаграммы направленности планарной антенной решетки

Рисунок 35 — Двухмерный график диаграммы направленности планарной антенной решетки на частоте 11,5 ГГц

Рисунок 36 — КСВ по входу антенной решетки в рабочей полосе частот

Рисунок 37 — Распространение волн в граничных условиях

Рисунок 38 — Распространение волн в граничных условиях

1.6. Результаты моделирования итоговой структуры

В    результате    моделирования    микрополосковой      антенной      решетки получили следующие значения:

1) КУ ≈ 15,5 дБ;

• КСВпо входу антенной решетки ≈ 2;
• ∆0,5 азим. = (19 ± 2)°, по уровню минус 3 дБ;
• ∆0,5 углом. = (22 ± 3) °, по уровню минус 3дБ.

---

Страница 1 2