Бортовая фазированная антенная решетка для спутниковой связи

Техническое задание
Диапазон на передачу: 13.75-14.50 ГГц
Диапазон на приём: 10.70-12.75 ГГц
Эффективная полоса: > 300 МГц
Развязка по поляризации:> 30 дБ тип (Tx и Rx)
Энергетический потенциал: 47.5-50.5 дБВт
Ширина луча в горизонтальной плоскости: 1,5 °
Ширина луча в вертикальной плоскости: 2,5 °
Поляризация: переключаемая линейная вертикальная
...

1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. Описание бортовой антенные решетки (прототипа)
1.2. Низкопрофильные бортовые антенные решетки спутниковой связи.
1.3. Излучатели бортовых антенных решеток
1.4. Активные фазированные антенные решетки
1.5. Преимущества АФАР для бортовых антенных систем
1.6. Выводы
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГАБАРИТНЫХ РАЗМЕРОВ АНТЕННОГО ПОЛОТНА
2.1. Выбор шага излучателей
2.2. Предварительный расчет характеристик направленности антенной решетки с учетом амплитудных и фазовых ошибок.
2.3. Выводы
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
3.1. Печатный излучатель
3.2. Печатная антенна с излучателем круглой формы со штыревым возбуждением.
3.3. Характеристики направленности излучателя печатной антенной решетки
3.4. Характеристики направленности излучателя в составе печатной антенной решетки
3.5. Выводы
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
4.1. Моделирование антенной решетки
4.2. Характеристики направленности антенной решетки
4.3. Выводы
5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ.
5.1. Характеристика и оценка прогрессивности научно-технической продукции
5.2. Определение общей трудоёмкости
5.3. Определение показателей экономического обоснования разработки
5.4 Определение затрат на эксплуатацию НТ.
5.5 Определение и оценка показателей экономической эффективности
5.6 Выводы:
6. ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
6.1 Описание выполняемой работы и помещения, в котором она производится
6.2 Анализ условий труда.
6.2.1.Микроклимат
6.2.2 Шум
6.2.3 Вибрация
6.2.4Освещение
6.2.5.Электробеспасность
6.3 Расчётная часть
6.4 Выводы
7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
8. ЛИТЕРАТУРА
9. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

1. Описание бортовой антенные решетки (прототипа)
2. Низкопрофильные бортовые антенные решетки спутниковой связи.
3. Излучатели бортовых антенных решеток
4. Активные фазированные антенные решетки
5. Преимущества АФАР для бортовых антенных систем
6. Выводы

44 показано амплитудное распределение, обеспечивающее низкий уровень бокового излучения.На рис.45 и 46 приведены ДН плоской антенной решетки в вертикальной и горизонтальной плоскости в режиме передачи.Рис.44. Амплитудное распределениеРис.45.ДН плоской антенной решетки в двух ортогональных плоскостях с учетом амплитудных и фазовых ошибокРис.46.ДН плоской антенной решетки в двух ортогональных плоскостях с учетом амплитудных и фазовых ошибок вблизи главного максимумаНа рис.47 и 48 приведены ДН плоской антенной решетки в вертикальной и горизонтальной плоскости в режиме приема.Рис.47.ДН плоской антенной решетки в двух ортогональных плоскостях с учетом амплитудных и фазовых ошибокРис.48.ДН плоской антенной решетки в двух ортогональных плоскостях с учетом амплитудных и фазовых ошибок вблизи главного максимума.Расчет с учетом амплитудных и фазовых ошибок даёт следующие характеристики антенного полотна при работе на передачу ина приемтаблица 7.Таблица 7ХарактеристикиL1,мL2,мd, ммD2θ0,72φ0,7N1N2передача0,880,5281135,01,52,58048приём0,980,561435,01,52,57040Если делаем одну апертуру для работы в 2-х частотных диапазонах, то получаются следующие параметры таблица 8.Таблица 8ХарактеристикиL1,мL2,мd, ммD2θ0,72φ0,7N1N2приём0,980,561135,01,52,590502.3. ВыводыОпределены структуры антенного полотна и число элементов. Рассчитаны ДН антенных решеток в режиме передачи и приема с учетом амплитудных и фазовых ошибок.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ3.1.Печатный излучательПечатный излучатель представляет собой прямоугольную пластинку, возбуждаемую одним или несколькими штырями. теория печатного излучателя может быть построена на базе различных физических моделей. Одна из таких моделей базируется на представлении печатного излучателя в виде разомкнутого отрезка несимметричной полосковой линии, возбуждаемого штырем через отверстие в экране. При приближенном подходе, основанном на теории длинных линий, в отрезке учитывается возбуждение только кавзи-Т-волны. В качестве продольной оси отрезка полосковой линии выбирается одна из осей симметрии прямоугольной пластинки.Предполагается, что энергия излучается через торцевые щели, образованные кромками отрезка полоскового проводника и экраном, а излучение из боковых щелей пренебрежимо мало. По сравнению с мощностью квази-Т-волны, набегающей на щель, мощность излучаемая торцевыми щелями, невелика, поэтому коэффициент отражения в плоскости торцевых щелей близок к единице. распределение тока, а также поля вдоль оси полосковой линии между торцевыми щелями и возбуждающим штырем мало отличается от соответствующих распределений в несимметричной полосковой линии со стоячей квази-Т-волной. На торцевые щели приходятся максимум напряженности электрического поля и нуль электрического тока. При определенной длине отрезка полосковой линии происходит синфазное сложение волн, отраженных от его концов, и волн, возбуждаемых штырем, что соответствует резонансному режиму работы. Интенсивность колебаний поля и тока, а также мощность излучения в резонансном режиме резко возрастают. Резонанс квази-Т-волны, распространяющейся в направлении оси отрезка полосковой линии получается при ширине пластинки: . Длина a определяет входное сопротивление при резонансе. ДН печатной антенны прямоугольной формы можно получить из следующих соотношений:(10)(11)Общий вид антенны показан на рис.49.Рис.49.Общий вид печатной антенны3.2. Печатная антенна с излучателем круглой формы со штыревым возбуждением.В настоящее время в области моделирования СВЧ устройств существует множество программ, предлагающих различные подходы к компьютерному решению электродинамических задач (MICROWAVESTUDIO, MICROWAVEOFFICE, HPHFSS). Наиболее удобным программным продуктом в этой области является пакет программ MICROWAVESTUDIO, так как он позволяет проектировать не только планарные устройства, но и волноводные устройства, апертурные и объемные антенны. В основе программы лежит метод аппроксимации идеальных граничных условий (PerfectBoundaryApproximation) и метод конечных интегралов, работающий во временной области. Как и большинство численных методов, метод определенных интегралов основан на дискретизации уравнений Максвелла, записанных в интегральной форме. Для численного решения уравнений Максвелла, любая сложная структура разбивается сеткой на подструктуры в одной из плоскостей. В других плоскостях осуществляется разделение с помощью линий, ортогональных линиям разбиения первой плоскости. Неизбежную погрешность из-за пространственной дискретизации вносят материальные уравнения. При определении соотношений между компонентами электрического и магнитного поля, их интегральные значения должны быть приближены по краям сетки и областям ячейки. Следовательно, получающиеся коэффициенты зависят от усредненных материальных параметров так же как и от пространственной разрешающей способности сетки. Материальные уравнения так же представляются в матричной форме.Если структура задана в декартовой системе координат, то с помощью метода конечных интегралов, можно провести ее расчет во временной области. В этом случае метод конечных интегралов преобразуется в классический метод конечных разностей во временной области (FDTD). Т.к. наша антенна использует два частотных диапазона (на приём и на передачу), приведем соответствующие им антенны.Ниже приводятся результаты численного электродинамического моделирования печатного излучателя с возбуждением с помощью штыря. Печатный излучатель рис.50, изготавливается на подложках из диэлектрика с диэлектрической проницаемостью равной 3 с толщиной 2мм и 0.5мм, между которыми находится металлический экран, параметры излучателя приведены в таблице 9 (антенна на передачу) и в таблице 10(на приём).Рис.50. Печатный излучатель с штыревым возбуждениемТаблица 9Размеры печатного излучателяДиэлектрическая проницаемость материала подложкиТолщина 1-ой подложкиТолщина 2-ой подложкиТип линииТолщина металлизацииa, ммb, ммεh, ммh, ммt, мм77320.5РК-50-2-210,1Таблица 10Размеры печатного излучателяДиэлектрическая проницаемость материала подложкиТолщина 1-ой подложкиТолщина 2-ой подложкиТип линииТолщина металлизацииa, ммb, ммεh, ммh, ммt, мм99320.5РК-50-2-210,1Характеристики направленности печатного излучателя в антенной решетке будут меняться в результате взаимодействия. Поэтому необходимо провести анализ характеристик в решетке. При настройке излучателя в полотне антенной решетки его характеристики могут быть изменены. Кроме геометрических размеров пластины возможно изменение параметров подложки. При достаточно большой распределительной системе и удовлетворительном согласовании элементов, может возникнуть излучение возбуждающих штырей. Для уменьшения этого излучения необходимо уменьшить расстояние между проводящими плоскостями, т.е. толщину подложки.3.3.Характеристики направленности излучателя печатной антенной решеткиВ настоящее время разработаны строгие и приближенные методы расчета печатных излучателей. Результаты, полученные при использовании приближенных методов расчета поля излучения антенны, хорошо совпадают с результатами, полученными при использовании электродинамической модели. Поэтому для расчета характеристик направленности печатного излучателя можно применить численные электродинамические методы, реализуемые современными программными продуктами. Характеристики направленности элемента антенной решетки в вертикальной и горизонтальной плоскости представлены на рис.51 в диапазоне на передачу и на рис.52 на прием.Рис.51. ДН излучателяРис.52. ДН излучателяНа следующих рисунках представлена зависимость коэффициента стоячей волны от частоты на рис.53 (на передачу) и рис.54 (на приём), а также пространственные ДН печатного излучателя на трёх частотах диапазона рис.55(на передачу) и рис.56 (на приём).Рис.53.Зависимость коэффициента стоячей волны от частоты (на передачу)Рис.54.Зависимость коэффициента стоячей волны от частоты (на приём)Рис.55. Пространственные ДН печатного излучателя с штыревой запиткойРис.56. Пространственные ДН печатного излучателя с штыревой запиткой3.4.Характеристики направленности излучателя в составе печатной антенной решеткиПри исследовании характеристик направленности линейной антенной решетки необходимо учитывать взаимное влияние излучателей друг на друга. Взаимодействие излучателей в решетке приводит к изменению характеристик направленности отдельных элементов. При взаимодействии изменяется ДН и входное сопротивление излучателя, что в некоторых случаях, приводит к «ослеплению» решетки. Степень взаимодействия излучателей зависит от направления главного максимума ДН в пространстве, и это влияние получается различным в зависимости от местоположения излучателя.Для оценки направленных свойств антенной решётки целесообразно определить парциальную ДН излучателя, т.е. ДН излучателя в составе антенной решётки. Парциальную ДН излучателя АР рассчитываем для элемента АР размерностью 8х8. На рис.57 представлены парциальные диаграммы направленности элемента АРв режиме передачи.На рис.58 представлены парциальные диаграммы направленности элемента АРв режиме приёма. Из рисунка видно, что влияние соседних элементов незначительно изменяет ДН одиночного излучателя.а)б)Рис.57. Парциальные ДН из АР размером 8х8 в режиме передачи: а – ДН в плоскости Е, б – ДН в плоскости На)б)Рис.58. Парциальные ДН из АР размером 8х8 в режиме приёма:а – ДН в плоскости Е, б – ДН в плоскости НТакой вариант антенной решётки, при соответствующей доработке, даёт требуемые характеристики направленности. Оптимальный выбор материалов и конструктивное исполнение обеспечивают достаточно высокую механическую прочность.3.5.ВыводыС помощью пакета электродинамического моделирования (CST Microwave Studio) проведена параметрическая оптимизация печатного излучателя, запитываемого коаксиальной и микрополосковой линиями и исследованы характеристики направленности и частотные характеристики этого излучателя. 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ4.1.Моделирование антенной решеткиДля формирования остронаправленных диаграмм и получения больших коэффициентов направленного действия слабонаправленные излучатели объединяются в систему, называемую антенной решеткой. Антенная решетка представляет собой систему идентичных излучателей, определенным образом расположенных в пространстве и питаемых от одного или нескольких генераторов. Высокая направленность при этом достигается за счет того, что в нужном направлении поля всех излучателей суммируются синфазно, а в других направлениях несинфазно. Как правило, синфазную решетку собирают из одинаковых антенн, расположенных в несколько строк и столбцов. Система питания элементов решетки должна быть составлена таким образом, чтобы не нарушалась синфазность сигналов, поступающих от каждой антенны в нагрузку, так как только при одинаковых фазах этих сигналов они будут складываться. Кроме того, система питания элементов решетки одновременно должна обеспечивать их согласование с нагрузкой, так как при рассогласовании общего входного сопротивления решетки с сопротивлением нагрузки часть энергии принятого антеннами сигнала отразится от нагрузки и будет излучаться обратно в пространство, что приведет к ухудшению коэффициента стоячей волны и уменьшению коэффициента усиления антенной решетки.Использование вместо одиночного излучателя нескольких таких же излучателей, объединенных системой питания в антенную решетку, приводит к сужению диаграммы направленности и увеличению коэффициента усиления антенной решетки по сравнению с одиночным излучателем. Форма диаграммы направленности синфазной линейной антенной решетки определяется диаграммами направленности входящих в ее состав одиночных излучателей и расстоянием между ними. Обычно расстояние между излучателями принимают равным половине длины волны. При использовании гексагональной структуры размещения элементов, шаг может быть увеличен до 0,7 длины волны. На рис.59 представлена модель печатной антенной решетки, работающей в режиме приёма. Рис.59. АР в диапазоне на приём размером 70х40Антенна выполнена на подложке толщиной h=3 мм с диэлектрической проницаемостью ɛ=3. Она обладает малыми массогабаритными параметрами и толщиной. Минимизация этих параметров особенно важна при изготовлении бортовой аппаратуры. Система возбуждения антенны может быть выполнена в виде многослойной структуры. Первый слой представляет собой блок модулей, а второй – систему питания и управления модулями. Для повышения прочности конструкции, антенное полотно целесообразно вставить в жесткую рамку. На рис.60 показана модель печатной антенной решетки, работающей в режиме передачи. Рис.60. АР в диапазоне на передачу размером 80х484.2. Характеристики направленности антенной решеткиРасчет характеристик направленности модели антенной может быть выполнен двумя способами: возбуждаются все элементы с требуемым амплитудным и фазовым распределением;рассчитывается парциальная ДН и умножается на множитель решетки Первый способ даёт более достоверные результаты, но требует больших затрат времени на расчет и компьютерных ресурсов. Второй способ позволяет с достаточной точностью учесть изменение характеристик направленности, возникающее при взаимодействии излучателей. Однако он не учитывает краевые эффекты, т.к. множитель решетки выводится, исходя из бесконечной модели. Как известно, в больших решетках краевые эффекты слабо влияют на характеристики направленности. Кроме того, в реальных конструкциях зеркальных антенн и антенных решеток по краям апертуры предусматривается слой поглотителя. Результаты расчёта характеристик направленности печатной антенной решётки представлены на рис.61-62.Рис.61.ДН в горизонтальной и вертикальной плоскости при работе антенной решетки на передачу с учетом взаимодействия излучателейРис.62.ДН в горизонтальной и вертикальной плоскости при работе антенной решетки на приём с учетом взаимодействия излучателей4.3. ВыводыС помощью пакета электродинамического моделирования (CST Microwave Studio) были проведены моделирование антенной решетки и расчет её характеристик направленности.5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ.5.1.Характеристика и оценка прогрессивности научно-технической продукцииБортовая фазированная антенная решетка для спутниковой связи используется для предоставления абонентам, находящихся на борту летательного аппарата, различных услуг связи, такие как интернет, спутниковое телевидение, мобильная связь и т.д. Особенность этой разработки состоит в том, что её массо-габаритные характеристики должны быть минимальны, т.к. антенная решетка устанавливается на фюзеляже ЛА, в результате чего она должна иметь малую глубину.Целью проведения НИР разработка бортовой фазированной антенной решётки для спутниковой связи на новой элементной базе, на основе которой антенная решетка будет иметь более низкие массо-габаритные и лучшие энергетические характеристики.В качестве аналога, который существует в на мировом рынке, выбрали низкопрофильную бортовую антенную решетку марки «ThinAirKU3020», разработанная американской компанией «ThinKom». Пользуясь таблицей 1 и 2, произведём оценку признаков научно-технического эффекта НТПр и возможности применения её результатов.Научно-техническая прогрессивность разработки характеризуется обобщённым количественным показателем:где Ri - значение весового коэффициента i-го признака; Qij - значение j-го показателя i-го признака научно-технической прогрессивности в баллах;i - порядковый номер признака;j - порядковый номер показателя.Значения весовых коэффициентов и показателей приведены в таблице 4.1.Таблица 4.1. Научно-технический эффект НТПрПризнак научно-технического эффекта НИРЗначимостьпризнака, RОпределение признакаОценка в баллах НИР, QнирОценка в баллах аналогаНаучно-технический уровень (новизна) НТПр0,4Находится на уровне мировых достижений85Перспективность НТПр0.4ВажныеПолезные41Возможность применения результатов НТПр0.2До 3-х лет88Подставляя данные из таблицы в формулу, получаемОпределим соотношение уровней научно-технической прогрессивности разрабатываемой модели и существующей по следующей формуле:По полученному результату можно сделать вывод о научно-технической прогрессивности проводимой работы.Оценка новизны НТПрНовизна НТПр оценивается с помощью ряда критериев с использованием метода балльных оценок.Новизна определяется соотношениемБкБм ,гдеБк – сумма набранных баллов при оценке по данным из таблицы ниже (Таблица 4);Бм – максимальная сумма баллов по всем критериям.Тогда новизна:БкБм=3+3+3+2+225=0.52Таблица 4.2 - Ориентировочная шкала новизны предложенийКритерий новизныНовизнаПринципиально новоеНовоеУлучшенноеСуществующего уровняУстаревшееОценка новизны, баллыФункциональный53210Технологический53210Производственный53210Социальный53210Юридический532105.2. Определение общей трудоёмкостиОбщая трудоёмкость разработки определяется по трудоёмкостям всех этапов, входящих в структуру выполняемой задачи:Последовательность выполняемых этапов приведена в таблице 4.3.Таблица 4.3. Последовательность выполняемых этапов разработки№ п/пНаименование этапаУдельный вес, %1Обзор научно-технической литературы, посвящённой исследованию характеристик антенн РНС КА52Постановка задачи (выбор методов и средств решения, обоснование разрабатываемого алгоритма)103Разработка алгоритма и построение концептуальной модели254Компьютерное моделирование на ЭВМ555Анализ результатов56ИТОГО100%Определим трудоёмкость каждого этапа и занесём полученные результаты в таблицу.1) Затраты труда на исследование поставленной задачи:где - коэффициент квалификации разработчика; - коэффициент повышения затрат труда вследствие недостаточного описания задачи; - условное количество команд (строк), которое рассчитывается по следующей формуле: где - предполагаемое число команд;kсл=1,7 коэффициент сложности программы;kк=0,05 коэффициент коррекции программы при её разработке;- количество коррекций программы в ходе её разработки.Подставляя вышеперечисленные данные, получаем (чел.-ч)2) Затраты труда на постановку задачи.Подставляя данные из п.1, получаем (чел.-ч)3) Затраты труда на разработку алгоритма программы. (чел.-ч)4) Затраты труда на разработку компьютерной модели и отладку. (чел.-ч )5) Затраты труда по заключительному этапу (анализ результатов). (чел.-ч)Таблица 4.4. Трудоёмкость разработки НТ№ п/пНаименование этапаУдельный вес, %Трудоёмкость этапа, чел.-ч1Обзор научно-технической литературы, посвящённой исследованию характеристик антенн РНС КА5162Постановка задачи (выбор методов и средств решения, обоснование разрабатываемого алгоритма)10463Разработка алгоритма и построение концептуальной модели25864Компьютерное моделирование на ЭВМ554685Анализ результатов51066ИТОГО100%722Календарное планирование работ осуществляется на основе построения календарного графика.Производственный цикл (Тцi) каждого этапа определяется следующим образом:где: Tэi- трудоёмкость этапа (см. таблицу 4.4):tр д= 8ч. - продолжительность рабочего дня;q = 2 - количество работников, одновременно участвующих в выполнении работ. Ими являются сам разработчик и техник. Для построения календарного графика необходимо длительность производственного цикла пересчитать в календарные дни следующим образом:Таблица 4.5. Определение продолжительности работ в календарном графике№п/пНаименование этапаУдельный вес, %Трудоёмкость этапа, чел.-чКол-во исполнителей, чел.Длительность этапа, календарные дниДлительность этапа, календарные даты1Исследование задачи51621,408.10-10.102Постановка задачи104624,211.10-15.103Разработка алгоритма25862717.10-25.104Моделирование55468240,626.10-13.125Анализ результатов510629,814.12-26.126ИТОГО100722-6307.10-26.12Календарный график приведён на рис. 4.2.ЭтапыКалендарныедаты5432108.1017.1015.1025.1026.1013.1214.1226.1210.1011.10Рис. 4.2. Календарный график5.3.