Многолучевая цилиндрическая фазированная антенная решетка системы метеорологического радиомониторинга
|
ВВЕДЕНИЕ 9
1 Обзор литературы и постановка задачи исследования 13
1.1 Метеорологические станции 13
1.2 Особенности радиозондирования 14
1.3 Обзор существующих аналогов в области радиолокационных
комплексов 19
1.4 Постановка цели исследования 27
2 Анализ и синтез излучателей на основе спиральных структур в
составе антенных систем метеорологических РЛС 28
2.1 Описание спиральных излучателей 28
2.1.1 Цилиндрический спиральный
излучатель 29
2.1.2 Конический спиральный
излучатель 30
2.1.3 Плоский спиральный
излучатель 31
2.1.4 Квадрифилярный спиральный
излучатель 32
2.2 Анализ электродинамических характеристик КСА 33
2.3 Описание и анализ антенной решетки для
метеорологической станции 36
2.3.1 Классификация антенных
решеток 36
2.3.2 Анализ цилиндрической
ФАР 40
3 Результаты моделирования и экспериментальных исследований антенных систем метеорологических РЛС 46
3.1 Построение феноменологической модели КСА 46
3.2 Построение феноменологической модели цилиндрической
АР 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 62
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Обзор литературы и постановка задачи исследования 13
1.1 Метеорологические станции 13
1.2 Особенности радиозондирования 14
1.3 Обзор существующих аналогов в области радиолокационных
комплексов 19
1.4 Постановка цели исследования 27
2 Анализ и синтез излучателей на основе спиральных структур в
составе антенных систем метеорологических РЛС 28
2.1 Описание спиральных излучателей 28
2.1.1 Цилиндрический спиральный
излучатель 29
2.1.2 Конический спиральный
излучатель 30
2.1.3 Плоский спиральный
излучатель 31
2.1.4 Квадрифилярный спиральный
излучатель 32
2.2 Анализ электродинамических характеристик КСА 33
2.3 Описание и анализ антенной решетки для
метеорологической станции 36
2.3.1 Классификация антенных
решеток 36
2.3.2 Анализ цилиндрической
ФАР 40
3 Результаты моделирования и экспериментальных исследований антенных систем метеорологических РЛС 46
3.1 Построение феноменологической модели КСА 46
3.2 Построение феноменологической модели цилиндрической
АР 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 62
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
В настоящее время широкое использование метеорологических станций, предназначенных для мониторинга параметров атмосферы, требует применение эффективных и малогабаритных радиолокационных станций. Данные станции существуют в большом количестве, но они, как правило имеют большие габариты за счет антенной системы, и не обладают той скоростью приема метеорологической информации, которая требуется в сложных метеоусловиях.
Для того чтобы более оперативно проводить мониторинг радиозондов или иметь множество каналов для приема информации, в их основе используются антенные системы, на основе антенных решёток с механическим приводом. Это является их недостатком, так как скорость переключения и скорость формирования необходимой диаграммы направленности напрямую зависит от скорости движения механического привода. Так же при этом точность позиционирования становится недостаточно высокой. Поэтому для решения поставленной задачи необходимо использовать эффективные антенны системы, в частности цифровые фазированные антенные решетки с электрическим сканированием луча.
Целью квалификационной работы является создание подходящей антенной решетки с электрическим сканированием луча, работающей на частоте 1680 МГц (± 10), которая позволит расширить функционал РЛС, а именно: увеличить пропускную способность за счет многолучевости антенной системы, уменьшить время развертки данной системы, возможность работы в многоканальном режиме с несколькими зондами одновременно, а так же прирост показателей дальности и высоты связи с зондом, по сравнению с существующими аналогами.
Материалы по данной теме были опубликованы в следующих изданиях:
- Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж). Сборник научных статей по материалам VII Международной научно-технической конференции, посвященной Дню образования войск связи «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией» (24-25 октября 2018 года). «Особенности построения цилиндрической фазированной антенной решетки на основе квадрифилярного излучателя для метеорологической радиолокационной станции».
- Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж). Сборник научных статей по материалам VII Международной научно-технической конференции, посвященной Дню образования войск связи «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией» (24-25 октября 2018 года). «Синтез сверхширокополосных излучателей различной апертуры для высокоскоростных беспроводных систем передачи данных».
- Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж). Сборник научных статей по материалам VII Международной научно-технической конференции, посвященной Дню образования войск связи «Современное состояние и перспективы развития систем связи и
радиотехнического обеспечения в управлении авиацией» (23-24 октября 2019 года). «Синтез квадрифилярной антенны на основе спиральных излучателей, работающих в резонансном режиме для радиолокационной станции метеоразведки».
- Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж). Сборник научных статей по материалам VII Международной научно-технической конференции, посвященной Дню образования войск связи «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией» (23-24 октября 2019 года). «Построение феноменологической модели полуволновой и четвертьволновой квадрифилярной спиральной антенны с многопроводными спиральными излучателями».
- Научное издание «Радиоэлектроника. Проблемы и перспективы развития». «Синтез структуры антенной решетки с электрическим сканированием луча на основе излучателей круговой поляризации для радиолокационной метеостанции».
- Научное издание «Радиоэлектроника. Проблемы и перспективы развития». «Анализ апертурного излучателя для систем высокоскоростного беспроводного широкополосного доступа Е-диапазона».
- Научное издание «Радиоэлектроника. Проблемы и перспективы развития». «Синтез антенной решетки для систем высокоскоростного беспроводного широкополосного доступа Е- диапазона».
- Научное издание «Энергосбережение и эффективность в технических системах». «Синтез квадрифилярных излучателей различных структур для радиолокационной метеорологической станции».
В первой главе представлены общие сведения о радиолокационных станциях метеорологической разведки, радиозондах, используемых на данных станциях.
Во второй главе произведен анализ объекта управления (антенной решетки), построенного на базе квадрифилярного спирального излучателя. рассмотрены основные типы фазированных антенных решеток, выбрана форма моделируемой антенной решетки. Так же в данной главе был произведен выбор основного типа излучателя и рассмотрены основные методы расчета физических и электродинамических характеристик квадрифилярного спирального излучателя.
В третьей главе было произведено моделирование работы как одной антенны, так и всей АР. А также получены основные характеристики разработанной антенной решетки.
Бакалаврская работа выполнена в соответствии с ГОСТ 7.32-2001 «Отчёт о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления». Настоящий стандарт устанавливает общие требования к структуре и правилам оформления научных и технических отчетов, а также правила для тех случаев, когда единая процедура оформления будет содействовать обмену информацией, совершенствуя обработку отчета в информационной системе.
Для того чтобы более оперативно проводить мониторинг радиозондов или иметь множество каналов для приема информации, в их основе используются антенные системы, на основе антенных решёток с механическим приводом. Это является их недостатком, так как скорость переключения и скорость формирования необходимой диаграммы направленности напрямую зависит от скорости движения механического привода. Так же при этом точность позиционирования становится недостаточно высокой. Поэтому для решения поставленной задачи необходимо использовать эффективные антенны системы, в частности цифровые фазированные антенные решетки с электрическим сканированием луча.
Целью квалификационной работы является создание подходящей антенной решетки с электрическим сканированием луча, работающей на частоте 1680 МГц (± 10), которая позволит расширить функционал РЛС, а именно: увеличить пропускную способность за счет многолучевости антенной системы, уменьшить время развертки данной системы, возможность работы в многоканальном режиме с несколькими зондами одновременно, а так же прирост показателей дальности и высоты связи с зондом, по сравнению с существующими аналогами.
Материалы по данной теме были опубликованы в следующих изданиях:
- Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж). Сборник научных статей по материалам VII Международной научно-технической конференции, посвященной Дню образования войск связи «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией» (24-25 октября 2018 года). «Особенности построения цилиндрической фазированной антенной решетки на основе квадрифилярного излучателя для метеорологической радиолокационной станции».
- Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж). Сборник научных статей по материалам VII Международной научно-технической конференции, посвященной Дню образования войск связи «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией» (24-25 октября 2018 года). «Синтез сверхширокополосных излучателей различной апертуры для высокоскоростных беспроводных систем передачи данных».
- Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж). Сборник научных статей по материалам VII Международной научно-технической конференции, посвященной Дню образования войск связи «Современное состояние и перспективы развития систем связи и
радиотехнического обеспечения в управлении авиацией» (23-24 октября 2019 года). «Синтез квадрифилярной антенны на основе спиральных излучателей, работающих в резонансном режиме для радиолокационной станции метеоразведки».
- Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж). Сборник научных статей по материалам VII Международной научно-технической конференции, посвященной Дню образования войск связи «Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией» (23-24 октября 2019 года). «Построение феноменологической модели полуволновой и четвертьволновой квадрифилярной спиральной антенны с многопроводными спиральными излучателями».
- Научное издание «Радиоэлектроника. Проблемы и перспективы развития». «Синтез структуры антенной решетки с электрическим сканированием луча на основе излучателей круговой поляризации для радиолокационной метеостанции».
- Научное издание «Радиоэлектроника. Проблемы и перспективы развития». «Анализ апертурного излучателя для систем высокоскоростного беспроводного широкополосного доступа Е-диапазона».
- Научное издание «Радиоэлектроника. Проблемы и перспективы развития». «Синтез антенной решетки для систем высокоскоростного беспроводного широкополосного доступа Е- диапазона».
- Научное издание «Энергосбережение и эффективность в технических системах». «Синтез квадрифилярных излучателей различных структур для радиолокационной метеорологической станции».
В первой главе представлены общие сведения о радиолокационных станциях метеорологической разведки, радиозондах, используемых на данных станциях.
Во второй главе произведен анализ объекта управления (антенной решетки), построенного на базе квадрифилярного спирального излучателя. рассмотрены основные типы фазированных антенных решеток, выбрана форма моделируемой антенной решетки. Так же в данной главе был произведен выбор основного типа излучателя и рассмотрены основные методы расчета физических и электродинамических характеристик квадрифилярного спирального излучателя.
В третьей главе было произведено моделирование работы как одной антенны, так и всей АР. А также получены основные характеристики разработанной антенной решетки.
Бакалаврская работа выполнена в соответствии с ГОСТ 7.32-2001 «Отчёт о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления». Настоящий стандарт устанавливает общие требования к структуре и правилам оформления научных и технических отчетов, а также правила для тех случаев, когда единая процедура оформления будет содействовать обмену информацией, совершенствуя обработку отчета в информационной системе.
В ходе выполнения бакалаврской работы была разработана фазированная антенная решетка для метеорологических радиолокационных комплексов. Для данной антенной решетки также был спроектирован и разработан излучатель, оценены его электродинамические характеристики, обосновано применение такого типа излучателя. На основе этого излучателя была синтезирована антенная решетка, были проведены расчеты и моделирование антенной решетки, были получены основные электродинамические характеристики, что позволяет судить о том, что данная антенная решетка может быть использована в существующих метеорологических комплексах, и обладает хорошими электродинамическими характеристиками.
Таким образом в результате выполнения данной квалификационной работы была разработана антенная система, позволяющая повысить эффективность работы метеорологических комплексов, путём увеличения территории покрытия, а так же работы в многоканальном режиме с несколькими зондами.
Так же данная антенная система, ввиду своих массо-габаритных показателей, а также скорости развертки может использоваться как мобильная установка, что повышает её универсальность и позволяет использовать её не только на гражданских объектах, но и на военных.
Таким образом в результате выполнения данной квалификационной работы была разработана антенная система, позволяющая повысить эффективность работы метеорологических комплексов, путём увеличения территории покрытия, а так же работы в многоканальном режиме с несколькими зондами.
Так же данная антенная система, ввиду своих массо-габаритных показателей, а также скорости развертки может использоваться как мобильная установка, что повышает её универсальность и позволяет использовать её не только на гражданских объектах, но и на военных.