Разработка пакета программ для расчета фазированной антенной решетки
1. Обзор литературных источников
1.1 Метод наводимых ЭДС
1.2 Метод парциальной диаграммы направленности
1.3 Методы на основе теории бесконечных периодических структур
2. Расчет полевых и импедансных характеристик ФАР
2.1 Входное сопротивление элемента бесконечной периодической линейной решетки
2.2 Расчет взаимного сопротивления полосковых излучателей в составе бесконечной линейной решетки
2.3 Расчет взаимного сопротивления в двумерной плоской ФАР
2.4 Расчет входного сопротивления излучателя с учетом взаимных связей
2.5 Определение полевых характеристик ФАР
3. Программы для расчета характеристик ФАР
3.1 Общие сведения
3.2 Программа для расчета полевых и импедансных характеристик ФАР
3.2.1 Описание применения
3.2.2 Методика испытаний
3.2.3 Руководство пользователя
3.2.4 Описание программы
3.3 Программа для характеристик ФАР в полосе частот
3.3.1 Описание применения
3.3.2 Методика испытаний
3.3.3 Руководство пользователя
3.3.4 Описание программы
3.4 Программа для расчета входного сопротивления изолированного излучателя
3.4.1 Описание применения
3.4.2 Методика испытаний
3.4.3 Руководство пользователя
3.4.4 Описание программы
3.5 Программа для расчета взаимного сопротивления между излучателями
3.5.1 Описание применения
3.5.2 Методика испытаний
3.5.3 Руководство пользователя
3.5.4 Описание программы
4. Результаты расчетов
4.1 Взаимное сопротивление
4.2 Диаграмма направленности ФАР
4.3 Частотные характеристики ФАР
5. Технико-экономическое обоснование дипломной работы
5.1 Краткая характеристика работы
5.2 Определение затрат на создание программы
5.2.1 Расходы по оплате труда разработчиков программы
5.2.2 Среднечасовая оплата разработчика
5.2.3 Затраты по оплате машинного времени
5.2.4 Общие затраты на создание программы
6. Безопасность и экологичность дипломной работы
6.1 Краткая характеристика работы
6.2 Безопасность проекта
6.2.1 Электробезопасность рабочего места
6.2.2 Пожаробезопасность рабочего места
6.2.3 Микроклимат рабочего места
6.2.4 Освещенность рабочего места
6.2.5 Шумы и вибрации на рабочем месте
6.3 Эргономичность проекта
6.3.1 Рабочее место оператора ЭВМ
6.3.2 Оценка качества программных средств
6.4 Экологичность проекта
6.5 Особенности проектирования антенно-фидерных устройств к воздействию сильных электромагнитных излучений. Возможный характер повреждений
6.5.1 Экранирование
6.5.2 Фильтрация
6.5.3 Заземление
Заключение
Приложение 1
Библиографический список
Аннотация
В дипломной работе на основе метода бесконечных периодических структур был разработан пакет программ, позволяющий рассчитать полевые и импедансные характеристики плоской двумерной фазированной антенной решетки (ФАР), выполненной из полосковых вибраторов или резонансных излучателей на многослойном диэлектрической подложке, с учетом и без учета взаимной связи между излучателями как на фиксированной частоте, так и в полосе частот. Кроме того, пакет включает в себя программу для расчета взаимного сопротивления между излучателями и программу для расчета входного сопротивления изолированного излучателя.
Были произведены расчеты зависимости взаимного сопротивления от расстояния между излучателями при различных диэлектриках, характерисик ФАР в полосе частот при различных диэлектриках и количества излучателей в решетке.
1. Обзор литературных источников
Прогресс техники антенных решеток стимулировал рост числа теоретических работ, посвященных ислледованию электродинамических характеристик ФАР. Элементарная теория антенных решеток рассматривается в (3, 4). Здесь полагается, что решетка представляет совокупность независимых индивидуальных излучателей, а характеристики излучения ФАР зависят лишь от пространственного расположения отдельных излучателей, а также от распределения амплитуд и фаз токов, заданных на излучателях.
Наряду с этим, в работах (5, 6, 7) приводятся различные методы учета взаимного влияния между излучателями в антенных решетках. Кратко охарактеризуем эти методы.
Возможны два способа оценки взаимной связи между элементами антенной решетки. Первый способ состоит в оценке изменения входного сопротивления элемента за счет взаимного влияния. Второй способ состоит в оценке изменения диаграммы направленности элемента, изолированного от влияния соседних элементов. Для нахождения взаимных сопротивлений существует множество методов как точных, так и приближенных. Кроме этого, все методы можно рассматривать с точки зрения поэлементного подхода, который полезен при анализе решеток малых размеров и подхода на основе бесконечных периодических структур, применяемого в случае больших решеток.
2. Расчет полевых и импедансных характеристик ФАР
Результаты, полученные на основе модели бесконечных периодических структур, позволяют оценить свойства центральных излучателей больших АР. Часто требуется выполнить расчеты для АР малых размеров, либо исследовать краевые эффекты в больших АР. Расчет взаимных сопротивлений можно выполнять и методами поэлементного подхода, но как правило это сложная электродинамическая задача. Решить данную задачу позволяет процедура, построенная на основе эквивалентности метода поэлементного расчета входных сопротивлений излучателя в бесконечной АР и метода, основанного на теории бесконечных периодических структур (2).
2.1 Входное сопротивление элемента бесконечной периодической линейной решетки
Для линейной решетки полосковых вибраторов, расположенных на многослойной диэлектрической подлжке (рис. 2.1) и имеющих распределение тока
, (2.1)
где 
-единичный вектор, входное сопротивление можно записать в виде (1)
, (2.2)
где J(y) – распределение тока по (2.1);
- скалярная компонента функции Грина при разложении полей по волнам Е и Н.
, (2.3)
где 
- собственные функции (1);
-характеристические части функции Грина.
Записав выражения для характеристических частей и собственных функций и подставив их в (2.2) и (2.3), получим выражение для расчета входного сопротивления вибратора, имеющего структуру как на рис. 2.1 и находящегося в составе бесконечной решетки с периодом B (1)
, (2.4)
где B=nA – период решетки;
- множитель, учитывающий распределение тока по вибратору;
;
;
;
;
α – угол наклона излучателей в решетке (α=0° – параллельные излучатели, α=90° – коллинеарные излучатели).
Для слоистой структуры, представленной на рис. 2.1, проводимость в сечении 
определяется по следующим рекурентным формулам:
;
;
;
;
; 
;
; 
; 
.
Рис. 2.2 Полосковые излучатели на перевернутой диэлектрической подложке
Разложение функции Грина по волнам Е и Н, используемые в данном случае, позволяет получить компактную и достаточно простую запись выражений для расчета входного сопротивления элемента, находящегося в составе бесконечной периодической линейной решетки.
2.2 Расчет взаимного сопротивления полосковых излучателей в составе бесконечной линейной решетки
При анализе антенных решеток конечных размеров необходимо знать взаимное сопротивление между излучателями. Одним из классических методов расчета взаимных сопротивлений является метод наводимых ЭДС. Для простых типов излучателей, размещенных на воздушной подложке, удается получить либо аналитические, либо легко рализуемые алгоритмы расчета для ЭВМ. Однако, в тех случаях, когда в излучающей структуре располагается слоистый диэлектрик, расчет взаимных сопротивлений между излучателями существенно усложняется, так как кроме пространственных волн на взаимную связь между излучателями оказывают влияние поверхностные волны, направляемы диэлектрическими слоями. Одним из решением проблемы является способ определения взаимных сопротивлений между излучателями, в котором используются результаты численных расчетов входного сопротивления излучателя в составе бесконечной линейной решетки (1, 2).
Рассмотрим бесконечную линейную решетку излучателей, период которой может принимать дискретные значения nA, где n=1,2,3… Входное сопротивление решетки с периодом nA при синфазном и равноамплитудном возбуждении определяется как
взаимное сопротивление между центральным и p – элементом решетки с периодом nA,
, (2.6)
где 
- взаимные сопротивления между центральным и p‑м элементом (p
0) решетки с периодом nA, зависящее только от расстояния между излучателями;
- собственное сопротивление центрального излучателя.
В силу симметрии задачи (2.6) входное сопротивление можно записать в виде
(2.7)
Для того, чтобы определить взаимное сопротивление между центральным излучателем и соседним, находящимся на расстоянии 1A, нужно из входного сопротивления АР с периодом 1А вычитать входное сопротивление АР с другими периодами, кратными 1А так, чтобы при этом компенсировались все взаимные сопротивления кроме одного, интересующего нас. Рассмотрим это более подробно на примерах.
Разность входных сопротивлений центральных элементов решеток с периодом 1А и 2А определяется как 
.
Рис. 2.3 Бесконечные линейные решетки с разными периодами
Так как 
(см. рис. 2.3), то эта разность входных сопротивлений равна сумме взаимных сопротивлений центального элемента решетки с периодом 1А со всеми нечетными элементами этой решетки. Далее рассмотрим бесконечные АР с периодом 3А и 6А. Если учесть, что 
и 
, то разница между входными сопротивлениями центральных элементов данных решеток 
будет равна удвоенной сумме взаимных сопротивлений центрального элемента решетки с периодом 1А с элементами этой же решетки, имеющими номера 3 (2p‑1).
Если продолжить аналогичные рассуждения далее, то можно составить процедуру.
В первой сумме n=3,5,7….-простые, во второй сумме 
,
-простые,
(2.8)
Из предыдущих рассуждений ясно, что при вычислении 
из входного сопротивления решетки с периодом 1А исключаются собственное сопротивление центрального элемента и взаимные сопротивления между этим элементом и элементами данной решетки с четными номерами. При вычитании из величины 
из рассмотрения исключаются взаимные сопротивления между центральным элементом решетки с периодом 1А и элементами данной решетки с номерами 3 (2p‑1) (p=0, ±1, ±2, ±3.) и т.д.
Следовательно, при N→∞ величина 
соответствует значению взаимного сопротивления двух излучателей, разнесенных на расстояние 1A. При расчетах взаимного сопротивления между двумя излучателями с заданной точностью требуется конечное число итераций N в (2.8), которое определяется скоростью сходимости значений входного сопротивления 
(n→∞) к значению собственного сопротивления излучателя. При использовании в (2.8) N итераций величина ошибки вычисления взаимного сопротивления будет определяться следующим выражением:
, (2.9)
где 
p – числовая последовательность, по которой осуществляется суммирование в процедуре (2.8);
- следующее за Nчисло этой числовой последовательности.
Для возбуждения пространственных волн выражение (2.9) можно записать в следующем виде:
, (2.10)
где k – волновое число;
B – коэффициент пропорциональности.
В случае возбуждения поверхностных волн выражение (2.9) можно записать в следующем виде:
, (2.11)
где 
- волновое число;
- коэффициент пропорциональности.
Ряд (2.10) является абсолютно сходящимся, ряд (2.11) сходится для всех А за исключением значений, кратных длине поверхностной волны.
Следует остановиться на оценке быстродействия данного алгоритма. Время счета одного значения взаимного сопротивления между излучателями складывается из времени счета 2·m значений входного сопротивления излучателя в составе бесконечной АР, где m – число слагаемых в процедуре (2.8).
2.5 Представление двумерной решетки в виде нескольких линейных решеток
Сделанные выше замечания позволяют создать алгоритм расчета взаимных сопртивлений между излучателями в составе плоской ФАР достаточно универсальным и значительно снижающим вычислительные затраты машинного времени по сравнению с решением задачи напрямую.
2.16)
где матрица 
имеет смысл матрицы проводимости. В этом случае, входное сопротивление для каждого элемента антенной решетки с учетом взаимных связей можно записать в виде (2.17)
где =1…N;
N – общее число излучателей в ФАР.
Например, для ФАР из четырех элементов входное сопротивление первого элемента будет иметь вид
.
2.20)
В силу линейности уравнений Максвелла электромагнитное поле антенной решетки представляет собой сумму полей отдельных элементов. Если эти элемениы имеют равные размеры, характеризуются одним и тем же законом распределения излучающих токов и ориентированы в пространстве одинаковым образом, то электромагнитное поле в дальней зоне может быть представлено в виде произведения векторной диаграммы направленности одиночного элемента на множитель направленности АР (3)
, (2.21)
где 
- амплитудный множитель, зависящий от общей мощности когерентных генераторов, питающих систему излучателей;
- векторная диаграмма направленности одиночного элемента;
- множитель направленности АР.
В главной системе координат отдельных излучателей различаются на величину 
(2.20). Учитывая, что комплексные амплитуды возбуждения отдельных излучателей могут быть различными, получим следующее представление суммарной диаграммы направленности (3)
(2.22)
Сравнивая выражение (2.21) и (2.22) можно заметить, что множитель направленности АР имеет вид
, (2.23)
где и q– координаты излучателя по оси ОХ и ОY соответственно;
- общее число излучателей в ФАР;
- разность хода лучей;
- комплексная амплитуда тока возбуждения на (q) излучателе.
Таким образом, если задано амплитудное распределение, линейные размеры антенной решетки, то определив 
по (2.19) и по (2.20) и приняв амплитуду тока 
, равной амплитуде напряжения возбуждения, можно найти множитель направленности АР без учета взаимной связи. Для учета взаимной связи вместо расчета фазы возбуждения необходимо рассчитать по (2.16) комплексную амплитуду тока 
и использовать эти значения в (2.23). Тип одиночного излучателя и его геометрия определяют его диаграмму направленности 
, что позволяет, в конечном счете, рассчитать общую диаграмму направленности ФАР
(2.24)
3. Программы для расчета характеристик ФАР
3.2 Программа для расчета полевых и импедансных характеристик ФАР
3.2.2 Методика испытаний
Объектом испытаний является файл с именем ФАР_вз_связь.mcd, который является программой для расчета полевых и импедансных характеристик ФА