Тема: Разработка антенной системы метеорологической станции

РЕФЕРАТ
Пояснительная записка содержит: 60 страниц, 14 таблиц,
7 источников.
Цель работы - разработка антенной системы метеорологической станции.
В процессе работы при помощи компьютерного моделирования были рассчитаны конструкции антенн наземной станции и коммутатора 1Х8, изготовлены макеты. Результаты будут использованы Институтом радиоэлектроники и информационных технологий - РТФ Уральского Федерального Университета им. Б.Н. Ельцина при дальнейшей разработке метеорологического комплекса. В перспективе разрабатываемая антенная система будет использоваться на метеостанциях для радиозондирования атмосферы.
В данной работе производится выбор между секторной антенной с переключением каналов и кольцевой ФАР, и выбор оптимальной конструкции коммутатора.
В результате проведённой работы готовы 3 устройства: два коммутатора и один угол секторной антенны.
Первые комплексные метеорологические измерения атмосферных характеристик и явлений стали проводиться ещё в 18 веке, когда отдельные учёные или научные общества занимались систематическим наблюдением за погодой. Согласно источнику [1], в 19 веке после учреждения центральных метеорологических институтов, в частности Главной физической обсерватории в Петербурге, основанной в 1849 году, МС получили единое руководство, а также общую программу наблюдений.
МС - это большой комплекс, который оснащается, по возможности, по последнему слову техники. В МС имеется метеорологическая площадка, где устанавливаются основные приборы: психрометрическая будка с
термометрами и гигрометрами, приборы для измерения скорости и направления ветра, осадкомер, почвенные термометры и др., а также многие приборы находятся внутри здания МС, в котором ведётся обработка множества данных. Согласно источнику [1], наблюдения проводятся по стандартной программе в течение 10-минутного интервала времени через каждые 3 или 6 часов, а в некоторых случаях ежечасно. Полученные и обработанные данные передаются в установленные адреса (бюро погоды, авиационные метеостанции и т. п.).
Техническая оснащённость МС влияет на качество составления прогнозов погоды и предупреждений о её неблагоприятных явлениях, изучения климата и его изменений. И, соответственно, чем стабильнее и современнее оборудование, тем выше процент точного прогноза.
Одну из основных ролей играют наземные станции, в состав которых входят антенные системы. Такие АС могут состоят из двух и более антенн различных конструкций и направленных характеристик. Но для всех антенн имеется одно общее требование - высокий КУ и чем больше, тем лучше, т.к. от этого зависит дальность слежения за метеорологическим радиозондом, который собирает и передаёт на МС данные о состоянии атмосферы. Благодаря современным средствам компьютерного моделирования можно в сжатые сроки определить оптимальные конструкции антенн и ДОС для решения поставленных задач.
В данной выпускной квалификационной работе стоит цель разработать антенную систему МС, в которую войдут одна антенна: секторная или кольцевая ФАР, с возможностью сканирования пространства в горизонтальной плоскости в диапазоне от 0 до 360 градусов. Обязательное требование, предъявляемое к антенне с электронным сканированием - при отклонении ДН на определённый угол уровень равносигнального направления между соседними ДН не должен быть ниже -2 дБ. Это позволит стабилизировать связь при переключении между соседними каналами с метеорологическим зондом, который может находиться в любом направлении относительно стационарного пункта наблюдения на МС. Ещё одно требование, предъявляемое к разрабатываемым антеннам - это соблюдение определённых размеров: диаметр антенны не должен превышать 1500 мм, а высота должна быть не более 500 мм. Такое требование не случайно, т.к. для разрабатываемой антенны сконструирован радиопрозрачный купол, имеющий вышеприведённые размеры. Данное обстоятельство снимает ряд проблемных вопросов с разработчика, потому что есть строго определённые рамки, от которых нежелательно отступать и всё, что будет находиться под куполом, не повлияет на парусность и устойчивость АС.
Также в АС войдёт ДОС, обеспечивающая коммутацию требуемых каналов секторной антенны или подключение сразу нескольких определённых излучателей в случае с кольцевой ФАР для формирования луча в заданном направлении. К ДОС предъявляется несколько требований, одно из которых - это получить рабочий макет малых размеров.
Все полученные результаты должны быть практически полезны и применимы для дальнейшей разработки эффективной АС метеорологического комплекса, которая проводится Институтом радиоэлектроники и информационных технологий - РТФ Уральского федерального университета им. Б.Н. Ельцина.
Купить

В ходе выполнения данной работы были разработаны две модели антенн с электронным сканированием пространства в горизонтальной плоскости. Удалось обеспечить на требуемом уровне (> -2 дБ) провал ДН в равносигнальном направлении. Был изготовлен макет секторной антенны в виде одного из восьми секторов. Сняты основные характеристики антенны. Результаты макетирования и моделирования, в целом, схожи. Получить макет кольцевой ФАР не удалось из-за задержек при проектировании АС.
Также была разработана квадрифилярная антенна для стабилизации связи с метеорологическим зондом при прохождении последним области над АС, в направлении которой изначально образовывалась слепая зона.
К предложенным антеннам разработано два варианта коммутатора. По результатам расчётов проведено макетирование. Получены все основные характеристики устройств и обоснован выбор одно из двух вариантов. Однако оба варианта, в основном, ориентированы на работу в составе АС с секторной антенной, т.к. в них производится коммутация одного из восьми каналов. А для кольцевой ФАР требуется коммутация сразу четырёх каналов. Чтобы обеспечить работу конечных макетов в составе с данной ФАР необходимо дополнительно провести комплекс мер по согласованию коммутаторов.
В процессе работы были освоены навыки работы с пакетами AWR DE, Ansys HFSS и способы измерения характеристик микроволновых устройств.
Поставленное задание в рамках данной диссертации выполнено успешно.

Купить