Курсовая_по_фазовращателю

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Московский государственный технический
университет
имени Н.Э. Баумана»
(МГТУ им.Н.Э. Баумана)
Факультет РТ
Кафедра РЛ-1 «Радиоэлектронные системы и устройства»
Расчетно – пояснительная записка
к курсовой работе
по курсу «Устройства СВЧ и антенны»
Волноводный ферритовый фазовращатель на
частотах 7-8 ГГц
Выполнил: студент гр. РТ1-61 Малышев Н.М.
Руководитель: Крехтунов В.М.
Москва, 2013
Реферат
В работе произведен структурный анализ и расчеты ферритового
фазовращателя на частотах 7-8 ГГц, имеющим на входе – круглый волновод, на
выходе – прямоугольный. Волны, распространяющиеся в схеме - H11o,в и H11o,г.
В работе произведена связь заданного по ТУ фазовращателя с аналогом
фазовращателя 71-10М2, применяющемся в ЗРК «Тор».
Расчётно-пояснительная записка выполнена в объёме 22 стр. текста, иллюстраций
– 10, источников – 6, приложений – 2.
Объектом разработки является ферритовый фазовращатель.
Метод работы. В рамках курсовой работы произведён расчёт ферритового
фазовращателя , соответствующего заданным в условии задания параметрам,
приводятся чертежи устройства. Для расчётов используется программа Mathcad, а
для построения чертежей – программа AutoCad.
Основные
характеристики
разработанного
изделия.
Изделие
характеризуется рабочим диапазоном частот f = 7..8 Ггц, средней рабочей
частотой fср = 7.5 Ггц.
Область
применения.
Ферритовый
переключатель
поляризации
используется в основном как элемент фазированной антенной решётки, в
волноводном тракте приёмной антенны спутникового телевидения, в технике
СВЧ.
2
Содержание
1.Введение………………………………………………………………………………4
2. Выбор и обоснование схемы построения устройства ……………….....................5
2.1. Актуальность темы………………………………………………………………..5
2.2. Цель исследований………………………………………………………………...5
2.3. Обоснованность и достоверность…………………………………………….......5
3. Схема устройства ферритового СВЧ-фазовращателя……………………………..5
3.1. Расчет размеров волноводных трактов…………………………………………...6
3.2. Устройство поляризатора 𝝅⁄𝟐 и его расчет……………………………………...9
3.3. Устройство трансформатора и его расчет………………………………………12
4.Описание конструкции устройства………………………………………………...14
5.Заключение…………………………………………………………………………..15
4. Список литературы…………………………..……………………………………..17
5.Приложение 1………………………………………………………………………..18
6.Приложение 2………………………………………………………………………..23
3
Введение
Фазовращатель (phase rotator) - устройство, применяемое в индустрии вещания с
70-х годов 20-го века. Изобрел его Роберт Орбан - основатель компании,
всемирно известной своими вещательными процессорами Orban.
Фазовращатели – устройства, изменяющие электрическую длину отрезка линии
передачи. Их применяют, например, для управления фазами радиосигналов в
излучающих элементах фазированных антенных решеток, в фазовых
циркуляторах и других элементах тракта.
Они могут быть нерегулируемыми, регулируемыми, взаимными и невзаимными.
Существует несколько видов осуществления магнитной памяти в ферритовых
фазовращателях:
1. Использование феррита с прямоугольной петлей гистерезиса
2. Подведение постоянного тока к фазовращателю
Существует также несколько типов фазовращателей:
1. Взаимные фазовращатели
2. Невзаимные
В курсовой работе помимо произведенных расчетов фазовращателя по
техническому заданию (ТЗ) приводится фазовращатель производства ГСКБ
«Алмаз-Антей» 71-10М2, для зенитно-ракетных комплексов (ЗРК) «Тор»,
приводятся чертежи и описание работы боевых машин.
4
Выбор и обоснование схемы построения устройства
Актуальность темы. В настоящее время интенсивно разрабатываются и находят
все более широкое применение в радиолокационных системах и в технике связи
антенные системы миллиметрового диапазона длин волн с электрически
управляемой диаграммой направленности.
Целью исследований, результаты которых приведены в курсовой работе,
является иследование научно обоснованных методик рассчета геометрической и
электрической конфигурации феритового фазовращателя на частотах 7-8 Ггц.
Обоснованность и достоверность курсовой работы подтврждается:
1. использованием строгой электродинамической модели
2. применением практически обоснованных технологических методов и способов
при изготовлении ФФВ
Схема устройства ферритового СВЧ-фазовращателя
На рисунке 1 приведена схема устройства по ГОСТ.
Рисунок 1. Схема устройства ферритового фазовращателя по ГОСТ
Достоинства этой конструкции:
- простота конструкции,
- сравнительно маленькая энергия управления,
- минимальное время переключения,
- меньшие габариты.
СВЧ-фазовращатель содержит переход от круглого волновода к
прямоугольному, поляризатор 𝜋⁄2, фазовращатель регулируемый взамный.
5
На поляризатор 𝜋⁄2, поступает кругло поляризованная волна Н11. После
прохождения устройства волна преобразуется в волну с линейной поляризацией
и попадает на переход с прямоугольным волноводом. На выходе фазовой секции
волна приобретает фазовый сдвиг, определяемый параметрами феррита,
магнитным полем, создаваемым магнитной системой и длиной фазовой секции.
Расчет размеров волноводных трактов
f = 7..8 ГГц.
Для расчётов выбираем среднюю частоту. Она равна:
fср = 7.5 ГГц.
В первую очередь рассчитываем входной и выходной волноводы.
Рисунок 1. Чертеж прямоугольного волновода по ГОСТ 13317-89
Рисунок 2. Чертеж круглого волновода с указанным значением диаметра
6
Размеры поперечного сечения волновода определяются из условия:
λб.в.т. < λр < λб.н.т.
(1)
где λр — рабочая длина волны,
λб.в.т — критическая длина волны ближайшего высшего типа,
λб.в.т — критическая длина волны ближайшего низшего типа.
Для входного волновода (рисунок 4), имеющего круглое сечение, это
неравенство имеет вид:
λкр. Е01 < λр < λкр. Н11
(2)
Для расчёта подставим критические значения длин волн основного типа и
ближайшего высшего типа соответственно:
λкр. Е01 =2.61с,
λкр. Н11 = 3.41с,
где с — радиус волновода.
Считая, что С = 3*10^8 — скорость света в вакууме, рабочую длину волны
рассчитываем из выражения:
λр. = С / fср:
(3)
λр. = 4 см.
Подставляя эти данные в формулу (2), получаем:
2.61с < 4 < 3.41с;
Выразив из этого неравенства радиус волновода с, получим, что величина
этого радиуса находится в пределах:
1.17 cм < с < 1.53 cм.
7
Из справочника берём стандартный размер:
На выходе устройства у нас стоит прямоугольный волновод. Для него
неравенство 1 имеет вид:
λкр. Н20 < λр < λкр. Н10 .
(4)
Для расчёта подставим критические значения длин волн основного типа и
ближайшего высшего типа соответственно:
λкр. Н20 = а,
λкр. Н10 =2а.
Подставляя эти данные в неравенство (4), получим выражение:
а < 4 < 2а;
Выразив из этого неравенства большую сторону волновода а, получим, что
величина этой стороны находится в пределах:
4 см < а < 8 см.
Из справочника берём стандартный размер:
а = 4.0 см,
b = 2.0 см.
Толщина стенки:
h = 1 мм.
8
Устройство поляризатора 𝝅⁄𝟐
Поляризатор – волноводное устройство, осуществляющее преобразование
поляризации электромагнитной волны в волноводе; в частности, π/2 поляризатор
преобразует волну типа
с линейной поляризацией на входе кругового
волновода в волну этого же типа, но с круговой поляризацией (правой или левой)
на выходе поляризатора. Для такого преобразования необходимо, чтобы в
волноводе могли распространяться две волны типа квази
фазовыми
постоянными.
Этот
эффект
достигается,
с разными
например,
малой
деформацией поперечного сечения круглого или квадратного волновода.
Аналогичный результат достигается введением в волновод диэлектрической или
металлической пластины.
Для конструирования волноводного тракта, изображенного на рисунке 4,
нам
необходимо,
чтобы
поляризатор
выполнял
обратную
задачу:
преобразовывал волну с круговой поляризацией в линейно поляризованную
волну. Эту функцию может выполнять поляризатор, так как он является взаимным
устройством. Будем использовать в качестве π/2 поляризатора диэлектрическую
пластину, так как она имеет относительную технологическую простоту в
изготовлении.
Рисунок 3. Чертеж устройства π/2 поляризатора
9
Расчет будем проводить на рабочей частоте 7,5 ГГц. В качестве диэлектрика
выбираем полистирол с диэлектрической проницаемостью lп=2,56.
λраб=3*108/ 7.5*109 =4 cм
– рабочая длина волны.
Основной тип волны круглого волновода -
.
Критическая длина волны для круглого волновода
λкр. Н11 = 13,64 см
Найдем длину волны распространяющейся в волноводе
Толщину диэлектрической пластинки должна быть не более 1/5 диаметра
волновода, поэтому примем ее равной t = 3 мм.
Найдем площадь поперечного сечения пластинки по формуле
Найдем площадь круглого волновода, в который устанавливается
диэлектрическая пластина, по формуле
Определим вспомогательный коэффициент
В
качестве диэлектрика выбираем
полистирол
с диэлектрической
проницаемостью Sп=2,56.
10
Найдем эффективные перпендикулярную и параллельную диэлектрические
проницаемости.
Определим эффективную параллельную и перпендикулярную длину волны:
11
Устройство трансформатора
Для того,чтобы осуществить переход от круглого волновода на входе к
прямоугольному волноводу на выходе , нам необходим трансформатор.
Значения a и b нам известны из предыдущих расчетов и соответственно равны
4см и 2 см.
Рисунок 4 – Ступенчатый волноводный переход
Расчет размеров трансформатора:
12
Поскольку согласуемые волноводы имеют одинаковые размеры 2R и a, то
целесообразно выбрать размер широкой стенки волновода трансформатора будет
определяться соотношением.
Значения параметра атр возьмем равными а, и составляющими 4 см.
Рассчитаем длину трансформатора:
13
Описание конструкции устройства
Ферритовый
переключатель
поляризации
выполнен
в
виде
последовательно соединённых соосных волноводов: круглого волновода,
волновода, вдоль продольной оси которого расположен ферритовый стержень, и
прямоугольного волновода. Волновод с ферритом, в котором происходит поворот
плоскости поляризации, согласуется с круглым волноводом ступенчатым
волноводным переходом
Наиболее простым в конструктивном отношении взаимным ВФФ является
фазовращатель,
выполненный
на
основе
прямоугольного
волновода
с
расположенным вдоль его оси продольно намагничеваемым ферритовым
стержнем. Однако в современных фазированных антенных решетках(ФАР)
обычно используют взаимные ВФФ, более сложные по реализации, но имеющие
лучшие параметры. На рисунке 5 показан эскиз такого ВФФ, построенного на
основе невзаимного фазирующего устройства.
Фазовращатель состоит из входного 1 и выходного волноводов и
квадратного волновода 2, полностью заполненного ферритовой средой 3 и
согласуемого со ступенчатыми диэлектрическими трансформаторами 7 и 9.
Обычно волновод 2 с ферритом 3 выполняют в виде ферритового стержня с
металлизированной боковой поверхностью. Продольное намагничивание в
стержне задается катушкой намагничивания 4. На боковых гранях стержня
располагаются четыре П-образных скобы 5 из магнитного материала (обычно из
низкочастотного феррита), образующие вместе со стержнем замкнутую цепь с
малыми полями рассеяния. В сочетании с малой толщиной слоя металлизации
это позволяет снизить энергию управления и время переключения. Если
ферритовый материал стержня и скоб имеет близкую к прямоугольной петлю
гистерезиса, то фазовращатель обладает магнитной памятью. Он может работать
как в аналоговом, так и в дискретном режиме управления.
14
Рисунок 10 – Эскиз ферритового взаимного фазовращателя
Заключение
В
результате
проведённой
работы
был
рассчитан
ферритовый
фазовращатель, выполненный в виде последовательно соединённых соосных
волноводов: круглого волновода, волновода, вдоль продольной оси которого
расположен ферритовый стержень, и прямоугольного волновода. Волновод с
ферритом, в котором происходит поворот плоскости поляризации, согласуется с
круглым волноводом плавным или ступенчатым волноводным переходом.
Данный переключатель поляризации состоит из управляемой фазовой секции,
четырёх внешних магнитопроводов и намагничивающей катушки. С помощью
катушки намагничивания, соосной волноводу и стержню, в последнем создаётся
продольное магнитное поле. Данное устройство согласовано четвертьволновым
трансформатором с круглым волноводом на входе и с прямоугольным на выходе.
В результате расчётов получили устройство, работающее в диапазоне частот
7..8 ГГЦ, на волнах Н11в , Н11г . Конструкция устройства довольно проста и поэтому
данное устройство можно выпускать серийно.
Фазовращатели на данных частотах используются в американских зенитноракетных комплексах «Патриот», и имеют массу 98 грамм, при длине 17 см.
15
В курсовой работе приведен пример фазовращателя, использующийся на
ЗРК «Тор», предоставлены чертежи, описания работы системы с ГСКБ «АлмазАнтей».
16
Список литературы:
1. Charles R. BOYD, JR.
Microwave Applications Group, Santa Maria, California, USA
2. Фирсенков А.И., Крехтунов В.М., Гуськов А.Б., Павлов Г.Д., Русов Ю.С.
Элемент фазированной антенной решетки. Патент 2439759
3. Крехтунов В.М., Лавнов А.В. Исследование элементов волноводного тракта
приемной антенны спутникового телевидения: Методические указания к
лабораторным работам по курсу «Конструирование и производство
устройств СВЧ». – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. – 24 с.
4. Линии передачи сверхвысоких частот. Термины и определения. ГОСТ
1823872. М.: Изд-во стандартов, 1973. –12 с.
5. Линии сверхвысоких частот и их элементы. ГОСТ 2.734 - 68. М.: Изд-во
стандартов, 1968. – 15 с.
6. Маркувитц. Справочник по волноводам: Пер. с англ. / Под ред. Я.Н. Фельда.
М.: Советское радио, 1952.
7. Микаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах,
М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, 664 с.
8. Воскресенский Д.И., Грановская Р. А., Давыдова Н. С. Проектирование
фазированных антенных решёток: Учебн. пособие для вузов, М.: Радио и
связь, 1981. - 432 с.
17
Приложение №1
Приведенный, в качестве примера в курсовой работе, фазовращатель 71-10М2
является рабочим фазовращателем на ЗРК «Тор», описание и тактико-технические
характеристики которого приведены ниже.
Описание работы и ТТХ(Тактико-Технические Характеристики) ЗенитноРакетного Комплекса «Тор»
«Тор» (индекс ГРАУ — 9К330, по классификации МО США и НАТО — SA15 Gauntlet («Латная рукавица»)) — всепогодный тактический зенитный
ракетный комплекс, предназначенный для решения
задач противовоздушной и противоракетной обороны на уровне дивизионного
звена.
Система «Тор» предназначена для прикрытия важных административных,
экономических и военных объектов, первых эшелонов сухопутных соединений от
ударов противорадиолокационных и крылатых ракет, дистанционно
пилотируемых летательных аппаратов, планирующих
авиабомб, самолётов и вертолётов, в том числе и выполненных по технологии
«стелс». Может работать как в ручном, с участием операторов, так и полностью
автоматическом режиме. При этом система «Тор» сама контролирует
обозначенное воздушное пространство и самостоятельно сбивает все воздушные
цели, не опознанные системой «свой-чужой»
Состав:
Боевая машина 9А330
Основной единицей комплекса «Тор» является боевая машина. В состав боевой
машины входят станция обнаружения целей, станция наведения, ЭВМ, пусковая
установка, и прочая аппаратура (стартовая автоматика, система топопривязки и
навигации, газотурбинный энергоагрегат для автономного электропитания и
система жизнеобеспечения). Всё оборудование боевой машины устанавливается
на гусеничное шасси «Объект 355», унифицированное с шасси боевой машины
2С6 ЗПРК 2К22 «Тунгуска». На боевой машине размещено 8 ЗУР 9М330. Старт
ракет осуществляется вертикально по аналогии с ЗРС С-300 для защиты от
климатических факторов, а также от воздействия осколков бомб и снарядов.
Станция обнаружения целей (СОЦ)
Когерентно-импульсная радиолокационная станция кругового обзора решает
задачи обнаружения воздушных целей и выдаёт их координаты местонахождения.
Станция оборудована системой опознавания «свой-чужой». Работает
в сантиметровом диапазоне волн с частным управлением по углу места лучом.
Одновременно может производиться обзор угла места сразу тремя лучами,
18
очерёдность устанавливается с помощью ЭВМ. Каждый луч имеет ширину 4° по
углу места и 1,5° по азимуту. Один луч способен перекрыть сектор в 32° по углу
места. В основном режиме темп просмотра зоны обнаружения составляет три
секунды, при этом нижняя часть зоны сканируется два раза. Дополнительно,
имеется режим обзора тремя лучами с темпом в 1 секунду. Отметки с
координатами обнаруженных целей завязываются в трассы. Всего станция
обнаружения целей может завязать 10 трасс по 24 обнаруженным целям.
Цели с векторами скорости, номерами трасс, степенью опасности и номером луча,
в котором находится цель, отображаются на индикаторе командира боевой
машины. При наличии сильных пассивных помех имеется возможность
бланкирования проблемного участка обзора и ввода в ЭВМ координат цели с
помощью ручного наложения маркера и ручного съёма координат. Максимальные
ошибки при определении координат не превышают половину разрешающей
способности станции обнаружения целей. Разрешающая способность: не хуже
1,5—2° по азимуту, 4° — по углу места и 200 метров — по дальности.
Вероятность обнаружения самолёта типа F-15 на высоте от 30 до 6000 метров и
дальности 25—27 км составляет 80 %. Беспилотные летательные аппараты
обнаруживаются на дальности от 9 до 15 км с вероятностью 70 %. Вертолёты,
находящиеся на земле, с включенными винтами на дальности 6—7 км могут быть
обнаружены с вероятностью 40—70 %, зависшие в воздухе на расстоянии 13—20
км — 60-80 %, при осуществлении подскока на высоту 20 м при дальности 12
км — не ниже 60 %. Для своевременного обнаружения целей используется защита
от противорадиолокационных ракет.
Станция наведения (СН)
Когерентно-импульсная радиолокационная станция предназначена для
обнаружения и автосопровождения одной цели по трём координатам с помощью
моноимпульсного метода, и наведения одной или двух ракет на цель после
запуска. Работает в сантиметровом диапазоне волн.
Конструкция РЛС представляет собой малоэлементную фазированную антенную
решётку, способную формировать луч шириной 1° по углу места и азимуту.
Станция наведения обеспечивает электронное сканирование и поиск цели с
секторе 3° по азимуту и 7° по углу места. Через единый передатчик антенной
решётки осуществляется передача на борт команд наведения, кроме того,
осуществляется одновременное определение координат цели и наводимых на неё
ракет. Среднеквадратическая ошибка при сопровождении ЗУР не превышает 2,5
метров, при автосопровождении истребителей — не более 7 метров по дальности
и 30 м/с по скорости. Разрешающая способность: не хуже 1° по азимуту и углу
места, 100 метров — по дальности.
ЗУР 9М330
В пусковом контейнере боевой машины располагаются зенитные управляемые
ракеты 9М330. Антенное и пусковое устройства составляют единую
конструкцию, вращающуюся относительно вертикальной оси. ЗУР 9М330
выполнена по конструктивной схеме «утка». Во время старта ракеты
19
выбрасываются катапультным устройством из пускового контейнера со
скоростью 25 м/с, затем раскрываются складные крылья. Для склонения ракеты на
заданный угол у основания аэродинамического руля установлен специальный
газогенератор. В зависимости от необходимого поворота руля перекрываются
газоходы, ведущие к соплам. На высоте 16—21 м включается двигатель и через
1,5 км ракета набирает скорость 700—800 м/с. На дальности 250 метров
включается режим командного наведения. В зависимости от скорости сближения
с целью в целях оптимального уничтожения со станции наведения на
борт ЗУР передаются значения задержки взрывателя. При действии на малых
высотах имеется возможность селекции поверхности и срабатывания взрывателя
при контакте с самой целью. В ракете используется твердотопливный ракетный
двигатель.
Рис.1. ТОР-М2Е на гусенечной и колесной основе
Тактико-технические характеристики ЗРС «Тор-М1»
Количество одновременно
обрабатываемых целей
Количество одновременно
сопровождаемых трасс целей с их
ранжированием по степени
опасности
Дальность обнаружения, км
Зона поражения, км
по дальности
по высоте
48
9+1 ПН*
25
1,0–12,0
0,01–6,0 (0,01–10,0 в
модернизированной БМ)
20
по курсовому параметру
до 6,0 (до 8,0 в модернизированной
БМ)
Поражение целей
количество целевых каналов 2
ед.
скорость целей, м/с
до 700
перегрузка маневра цели,
10
Угол места обнаружения, град.
Возможность обмена
радиолокационной информацией
между двумя боевыми машинами
Время реакции (от обнаружения
цели до старта ракеты), с
Максимальная скорость движения,
км/ч
по шоссейным дорогам
по грунтовым дорогам
0–32 (32–64)
нет (имеется в модернизированной
БМ)
5–10
до 65
до 30
37
Масса, т
500
Запас хода по топливу (при
двухчасовой работе аппаратуры), км
4
Боевой расчет, чел.
*ПН – помеховое направление
21
Схема работы ЗРС «Тор»
Выключенный комплекс можно привести в боевое положение за 3 минуты, в
случае необходимость есть «фарсированый» режим работы, который
приводит станцию в режим работы за 2 минуты.
Комплекс может работать автономно и в составе 4 машин. В этом случае
предусмотрен батарейный командный пункт, который весьма мобилен. Его
можно транспортировать и по воздуху, и по морю, и по железной дороге. В
ходе работы зенитной ракетной системы в режиме ведения боя Станция
обнаружения целей (СОЦ) определяет азимут, дальность и высоту, вторая станция
– Станция наведения (СН) – использует эти данные, производит захват цели и
сопровождает ее. После подачи сигнала с командного пункта - происходит залп.
В установке присутствуют 8 ракет, которые стартуют вертикально и
наводятся на цель.
22
Приложение №2
Описание, сборочные чертежи и чертежи соединений фазовращателя 7110М2
Фазовращатель 71-10М2 является фазовращателем без магнитной памяти, память
в данном устройстве обеспечивается постоянным током, который подводится
скобами 1,2,3,4,5,6, представленном на чертеже 1, вид А.
С двух сторон от фазовращателя находятся передающие антенны
изготовленные из пластика, чертеж антенны представлен на чертеже 3. В
середине фазовращателя находится феррит круглого сечения (чертеж 2).
23