43272

Синтез линейной дискретной антенны с равномерным амплитудным распределением

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Акустическая антенна обычно состоит из электроакустических преобразователей элементов антенны акустических экранов несущей конструкции акустических развязок амортизаторов и линий электрокоммуникаций. По способу создания пространственной избирательности антенны можно подразделять на интерференционные фокусирующие рупорные и параметрические. Интерференционные антенны можно подразделять на непрерывные и дискретны. И непрерывные и дискретные антенны подразделяют по конфигурации геометрического образования объединяющего активные...

Русский

2013-11-04

892.5 KB

31 чел.

ВВЕДЕНИЕ

Акустические волны – единственный вид излучения, способный распространяться в водной среде на большие расстояния благодаря сравнительно малому затуханию. С помощью устройств, принцип действия  которых основан на использовании акустических волн в море и называемых гидроакустическими станциями (ГАС), решают многие народнохозяйственные задачи. Измерение глубин и обследование рельефа дна, обеспечение безопасности плавания судов осуществляют средствами судовождения.

В состав всякой ГАС входит гидроакустическая антенна, которая предназначена, с одной стороны, для преобразования электрических колебаний, создаваемых генератором, в акустические колебания водной среды (режим излучения), а с другой – для преобразования акустических колебаний среды в электрические сигналы (режим приема) [ ].

Акустической антенной называют устройство, обеспечивающее пространственно избирательное излучение или прием звука в рабочей среде. Акустическая антенна обычно состоит из электроакустических преобразователей (элементов антенны), акустических экранов, несущей конструкции, акустических развязок, амортизаторов и линий электрокоммуникаций [1].

Пространственная избирательность акустических антенн образуется вследствие интерференции (сложения гармонических сигналов, имеющих одинаковую частоту, но в общем случае различные амплитуды и фазы); во многих случаях существенное влияние на избирательность антенн оказывает и дифракция (искажение поля источника при наличии каких-либо неоднородностей, границ, тел и т.п.).

По способу  создания пространственной избирательности антенны можно подразделять на интерференционные, фокусирующие, рупорные и параметрические.

Интерференционные антенны можно подразделять на непрерывные и дискретны. И непрерывные и дискретные антенны подразделяют по конфигурации геометрического образования, объединяющего активные элементы, на линейные, поверхностные и объемные.

По способу обработки принятых сигналов антенны можно подразделять на аддитивные (компенсированные, некомпенсированные, имеющие или не имеющие фазово-амплитудное распределение и т.д.), мультипликативные, самофокусирующиеся, адаптирующиеся, с синтезированной апертурой и др.

По режиму тракта, в котором работают гидроакустические антенны, их можно подразделить на антенны шумопеленгования, эхопеленгования, подводной связи, разведки, рыбопоисковых систем и многих различных средств и аппаратов специального назначения [2].

Конструктивные особенности акустических антенн различны. В первую очередь следует выделить антенны с общим для всех преобразователем контуром герметизации и антенны с раздельной герметизацией каждого преобразователя. Антенны с общим контуром герметизации делятся на антенны силовой и компенсированной конструкций. Антенны с раздельными контурами герметизации преобразователей делятся на антенны с плотной и разряженной постановкой преобразователей. Кроме того, по типу конструкции антенны можно подразделить на антенны, имеющие собственную несущую конструкцию, и антенны, устанавливаемые на носитель поэлементно или поблочно.

По месту установки и условиям эксплуатации антенны делят на корабельные, стационарные, буксируемые, береговые, донные, вертолетных станций, радиогидроакустических буев, мин, торпед и т.д.

Акустические антенны бывают излучающими, приемными и обратимыми [3].

Антенны могут обеспечивать обзор некоторого сектора в пространстве путем механического поворота, введения фазового или временного распределения по элементам антенны или переключения рабочего участка. Иногда эти способы могут применятся совместно.

В настоящее время наибольшее распространение в гидроакустике получили интерференционные дискретные и непрерывные антенны [1].

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Рассчитать параметры акустической антенны:

  1.  Тип АА - Линейная дискретная акустическая антенна с амплитудным распределением, линейно ростущим к краям;
  2.  Рабочая частота – 10000 Гц;
  3.  Скорость звука в рабочей среде – 1500 м/с;
  4.  Сектор обзора - =;
  5.  Ширина ХН - ;
  6.  Критерий  - по ;
  7.  Уровень боковых лепестков – β= -30 дБ.

теоретические сведения

Линейными называют антенны, один размер которых больше или соизмерим с длиной волны, при этом два других размера много меньше длины волны [1].

Линейные антенны подразделяют на непрерывные и дискретные. На практике, наиболее часто применяют линейные антенны вида отрезка прямой и эквидистантные решетки, а также антенны в виде окружности,  дуги,  эллипса.

Для решения ряда технических задач, например поиска или обзора пространства, нужны остронаправленные антенны больших размеров и тем больше, чем ниже рабочая частота. Изготовить приемоизлучающую поверхность антенны в виде сплошной поверхности больших линейных размеров трудно технологически, а в некоторых случаях невозможно. Поэтому такие антенны реализуют в виде набора отдельных (дискретных) преобразователей малых волновых размеров, и, следовательно, ненаправленных. С другой стороны, при таком построении антенны можно к отдельным её элементам подводить напряжения с различными амплитудами и фазами(в режиме излучения), т.е. можно получать ХН, не только с разной остротой, но и с различной ориентацией акустической оси, т.е. ориентировать главный максимум в желаемом направлении.

Наибольшее применение находят линейные (плоские) и цилиндрические (дуговые) дискретные антенны.

Антенна, состоящая из  n элементов, которые одинаково и синфазно колеблются и находятся друг от друга на расстояние d, имеем характеристику направленности описываемую выражением [4]:

                       

Поскольку, технически механический поворот антенны затруднён, то искусственно поворот осуществляют с таким распределением фазовых распределений. Антенны с таким распределением называют компенсированными.

Характеристика направленности линейной дискретной компенсированной антенны примет вид :

                                          

где  - угол компенсации.

Характеристика направленности такого вида обладает следующими свойствами :

  1.  При      характеристика направленности обращается в единицу, т.е. в общем случае может иметь несколько единичных максимумов.
  2.  При      характеристика направленности обращается в ноль.
  3.  Если  , то получаем случай наличия только одного единичного максимума.
  4.  Направление и уровни малых боковых направлений.

Направление на максимум бокового лепестка считается по формуле: .

Уровни  боковых лепестков определяется путем подстановки  .

  1.  Острота направленного действия (ОНД).

.

  1.  Острота главного максимума и его ширина раскрыва.

основнЕ соотношения

Вид и характерные особенности функции  показаны на Рис.1.1,

Рис.1.1. Функция  и ее сомножители

на котором изображены сомножители  и  и их произведение . В точке  функция  обращается в единицу

Основные свойства функции  и характеристики направленности антенны в виде отрезка.

1. Функция  обращается в нуль при всех , где  - любое целое число, за исключением . Таким образом, нуль характеристики направленности отрезка, имеющий порядковый номер , имеет место при угле , определяемом из выражения , т. е.

 

2. Функция  0,707 при , поэтому значения углов, соответствующих уровню характеристики направленности 0,7, определяется выражением: ,

где знак плюс соответствует , большему , а минус – значению , меньшему .

3. Добавочные максимумы функции  имеют знак , где  - номер добавочного максимума, абсолютные значения добавочных максимумов монотонно убывают в соответствии с законом  и первые максимумы имеют величину: -0,22; 0,13; -0,09; 0,07;-0,06; 0.05. Располагаются добавочные максимумы примерно посредине между соседними нулями.

4. При , т. е. в отсутствие компенсации, при изменении от 0 до 90 величина  меняется от 0 до , и поэтому число нулей характеристики направленности в первом квадранте равно целой части отношения .

5. При  число добавочных максимумов характеристики направленности в первом квадранте равно целой части отношения  без единицы.

6. Направление боковых максимумов с допустимой погрешностью в 15%:

, (1.6)

где m=1,2,3…

Расчет параметров ЛДАА

  1.  Определение количества элементов и расстояния между ними.

d – расстояние между элементами антенны ;

L – длина антенны ;

- сектор обзора (=);

- угол компенсации;

- предельная разрешающая способность по углу ().

На рис.1.2. представлен гипотетический вариант статического веера.

Рассчитаем углы для нулевого лепестка, т.е. для случая когда :

Для дальнейшего расчета необходимо определить n и d.

По условию задачи нужно рассчитать параметры статического веера, лепестки которого перекрывают (дополняют) друг друга до уровня ХН равного 0,707.

Выражение для ХН линейной дискретной антенны имеет вид:

                                                             (1.1)

где                                                         (1.2)

Таким образом, для  получим:

                                                           (1.3)

где                                                     (1.4)

Чтобы избежать появления второго единичного максимума в ХН антенны необходимо, чтобы:

,                                                               (1.5)

что аналогично , где  , .

Подставим граничное  в выражение для ХН , получим:

                                             (1.6)

где                                                   (1.7)

Для определения количества элементов антенны решаем уравнение (1.6) графически.

Рис.1.3

Определили, что n=9.

Зная количество элементов антенны из выражения для ХН на уровне 0,707 нашел расстояние d между элементами антенны:

Рис.1.4

Графически определили d=0.07 м.

 Проверяем условие, подставляя значения n и d в выражение  получим:.

Условия для избегания появления второго единичного максимума в ХН антенны выполняется.

      Длина антенны определяется выражением:

                                                                                            (1.8)

L = 0.56 (м).

  1.  Расчет углов статического веера.

Для нулевого лепестка .

Острота направленности действия оценивается углом   :

  1.                                           

, а  

Строим ХН лепестков по функции:

, где ак=- угол компенсации.

Первый лепесток:

Для нахождения угла компенсации первого лепестка воспользуемся формулой:

            ,         (1.9)

где - угол «сшивания» нулевого и первого лепестка ХН АА.

Решаем уравнение графически:

Мы нашли значение угла компенсации первого лепестка . Зная угол «сшивания» слева от угла компенсации, рассчитаем такой же угол справа: .

Острота направленного действия: 12,25 градусов.

Второй лепесток:

Аналогично предыдущему расчету подставляем значение угла «сшивания» в (1.9) и находим угол компенсации для второго лепестка.

,

Острота направленного действия: 12,9 градусов.

 ХН имеет 2 лепестка (не считая нулевого) в сторону роста угла. Ширина лепестков превышает требуемую на 7,5%.

 В левую сторону симметричная ситуация, поэтому мы продолжим расчет до угла . Т.е. в сторону убывания углов мы будем называть лепестки первый (-) и второй (-), которые имеют те же углы «сшивания» и компенсации, но со знаком минус.

Третий (-) лепесток:

,

Острота направленного действия: 14,2 градусов.

Четвертый (-) лепесток:

,

Острота направленного действия: 18,8 градусов.

При угле равном  наблюдается переход ХН, при котором лепесток не пересекает уровня 0,707.

Сведем полученные результаты в таблицу:

-4

-3

-2

-1

0

1

2

°

-54,75

-38,25

-24,7

-12,125

0

12,125

24,7

Краткие выводы:

  1.  Синтезированная АА имеет сектор обзора от -64,15 до 31,15 градусов, что отличается от ТЗ. Выбор количества элементов и способ расчета углов компенсации был сделан исходя из следующих соображений:

- для получения акустической антенны имеющей сектор обзора, начинающийся от -80 градусов, необходимо минимум 39 элементов, что приведет к увеличению стоимости и усложнению конструкции;

- синтезирование антенны с шириной лепестка 12 градусов при крайнем угле статического веера (-80 градусов), приведет к уменьшению остроты направленности с ростом угла.

    2.  Было принято решение изменить значения углов сектора обзора и

         допустить изменение остроты направленности не более чем на 60%, в

        пользу меньшего количества элементов и оптимального размера

        антенны. Полученное значение в крайнем левом лепестке превысила

        заданный на 56% (максимальное значение равно ).

         

Полученная ХН синтезированной акустической антенны:

 Для расчета дополнительных максимумов ХН введем критерий отсечки уровней дополнительных максимумов ХН ниже 10% от уровня главного лепестка в заданном направлении компенсации, в связи с большим количество данных максимумов.

Имеем три дополнительных максимума. Направления и уровни  сведем в таблицу:

20

37.3

57.3

0.23

0.145

0.12

Направление нулей для удобства также сведем в таблицу:

13.93

28.6

46.3

74.75

Угол в пределах которого изменение пеленга не определяется.

Критерий  - по . Для случае  и уровень 0.93: , .  Получили

Полученное  достаточно велико и указывает на то, что критерий  следует уменьшить до 0.001, что приведет к уменьшению  до .

описание конструкции ЛДАА

Рис. 1.5. Типичная ЛДАА

На Рис. 1.5 изображена конструкция линейной дискретной акустической антенны. Детально данный тип антенн состоит из:

1. Тыльная накладка, которая выполняют функцию демпфера. Служит для повышая КПД излучения. Выполняется обычно из твердых металлических сплавов.

2. В качестве активных материалов ГАП современных антенн применяют пьезокерамику различных составов и, в значительно меньшей степени, магнитострикционные металлы и сплавы. Свойства активных материалов определяют параметры и характеристики ГАП, их конструкцию, условия эксплуатации, стабильность работы.

3. Излучающая накладка изготавливается из сплавов АМг или титановых сплавов, для эффективного излучения пьезоэлементами, защиты от механических повреждений.

Выбирая конструкцию антенны, стоит учитывать некоторые нюансы.

Взаимодействие по полю между элементами приводит к изменению их импедансов и рассогласованию с узлами электрической цепи (усилителями, генераторами), к искажению ДН преобразователей. Для ослабления этого взаимодействия волновые размеры рабочих поверхностей преобразователей следует выбирать по возможности большими или промежуток между соседними элементами принимать не менее .  Вместе с тем делать промежуток более 0,7 не рекомендуется, так как получается большой фазовый шаг, искажается ДН или уменьшается угол компенсации, то есть уменьшается сектор обзора.

В данном типе антенны выбираем материал активного элемента ЦТС-19. ЦТС-19 – пьезокерамика 1 класса, пригодна для производства пьезоэлементов приемников и излучателей малой и средней мощности. Размер одного активного элемента будет выбираться из соображений геометрических размеров антенны и типоразмеров пьезокерамик. Типоразмеры выбираются из ряда производимы пьезокерамических заготовок компании "Аврора-ЭЛМА".

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

1. Пьезоэлементы, изготовленные из пьезокерамического поликристаллического материала, обладают физическими свойствами преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот. Пьезокерамические материалы могут использоваться для изготовления изделий различных форм и размеров для использования в различных устройствах.

2. Пьезоэлементы могут быть изготовлены из пьезокерамических материалов  ЦТС-19, ЦТСНВ-1, ЦТБС-3, ЦТССт-3, ЦТСтБС-1, ПКВ-460 в соответствии с требованиями ОДО.339.190 ТУ по рабочей конструкторской и технологической документации.

3. Общий вид, габаритные и установочные размеры должны соответствовать чертежам.

4. Внешний вид пьезоэлементов должен соответствовать образцам внешнего вида, утвержденным в установленном порядке.

5. Толщина покрытия пьезоэлемента должна соответствовать требованиям чертежа.

6.  Прочность сцепления электрода с керамикой должна быть не менее 4,9*106 Па.

7.  Полярность пьезоэлемента должна соответствовать чертежу.

8. Электрофизические  параметры  пьезоэлементов при приемке и поставке должны соответствовать требованиям приведенным в таблице № 4.

    9. Правила приемки и методы контроля пьезоэлементов согласно  ОДО.339.190 ТУ.

1.2 ЦИЛИНДР (МАТЕРИАЛ ЦТС-19; ПКВ-460)

п/п

Чертеж №

Геометрические размеры, мм

Материал

Материал

Электрода

Соответствие

ТУ

Вес пьезоэлемента

г

Примечание

Dh12

dH12

Hh12

1

2

3

5

7

6

8

1

8

-07

12,0

10,0

15,0

ЦТС-19

-//-

-//-

3,83

Расстоянии между элементами 7 мм, в антенну будет входить 9 элементов. Соединение элементов будет последовательное, так как если подсоединить элементы параллельно, то в случае выхода из строя одного, антенна будет давать ложные данные, а в случае последовательного соединения, антенна будет выходить из строя полностью.

Диаметр излучающая накладки будет равен диаметру активного элемента. Тыльная накладка будет иметь ширину 1,5*диаметра пьезоэлемента.

ВЫВОды

В данном курсовом проекте была синтезирована линейная дискретная антенна с равномерным амплитудным распределением по апертуре антенны согласно техническому заданию. В ходе выполнения задания было принято решение изменить входные данные ТЗ, в пользу экономии средств и характеристик акустической антенны: сектор обзора был выбран от -64 до 31 градуса и значение остроты направленности не должен был превышать 60% от заданного в ТЗ. Были просчитаны и построены количество единичных максимумов ХН:

20

37.3

57.3

0.23

0.145

0.12

Было подсчитано количество и направление нулей ХН:

13.93

28.6

46.3

74.75

Посчитана острота направленного действия для всех лепестков ХН.

Подобран и рассмотрен критерий , заданный по ТЗ и подобранный аналитически.

В конструкции в качестве активного элемента будет использована пьезокерамика ЦТС-19.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коржик А.В. Акустические Антенны. Конспект лекций.- К.: НТУУ «КПИ», 2007 г.

2. Смарышев Д.М. Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник. –Л.: Судостроение, 1948г, 106 с.

3. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика, . –Л.: Судостроение, 1990 г.

4. Свердлин  Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны: Учебник.-2-е изд., перераб. И доп. –Л.: Судостроение, 1988.-200 с.

5. Евтютов А.П. Митько В. Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. –Л.: Судостроение, 1980


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11503. Формирование сложных запросов 50.5 KB
  Лабораторная работа №4. Формирование сложных запросов. Задание: Разработайте запрос с параметрами о студентах заданной группы в котором при вводе в окно параметров номера группы на экран должен выводиться состав этой группы. Создайте запрос в котором выводя...
11504. Создание сложных форм и запросов 58.5 KB
  Лабораторная работа №5. Создание сложных форм и запросов. Задание 1. Создание сложных форм. 1. Создайте сложную форму в которой с названиями дисциплин была бы связана подчиненная форма Студенты и подчиненная форма Оценки студентов. 2. Измените расположение элементов ...
11505. ПОВЕРКА МИЛЛИВОЛЬТМЕТРОВ 21.94 KB
  Поверка милливольтметра Поверку милливольтметров производят путём сравнения их показаний с показаниями образцового потенциометра. Поверка милливольтметра заключается во внешнем осмотре прибора в определении погрешности и вариации показаний по милливольтовой и г
11506. ПРОВЕРКА АВТОМАТИЧЕСКОГО МОСТА 25.22 KB
  Методика и порядок проведения поверки В условиях учебной лаборатории при испытании мостов проводят их внешний осмотр определяют характер успокоения подвижной системы прибора основную погрешность вариацию показаний порог чувствительности время прохождения указат...
11507. ИЗУЧЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИОМЕТРОВ 21.1 KB
  Методика и порядок проведения поверки В учебной лаборатории при испытании автоматических потенциометров проводят их внешний осмотр определяют характер успокоения подвижной системы прибора основную погрешность вариацию показаний порог чувствительности время про
11508. Определение соответствия статической характеристики термоэлектрического преобразователя 19.67 KB
  Методика и порядок проведения поверки В условиях учебной лаборатории поверка ТП включает внешний осмотр определение соответствия статической характеристики преобразователя стандартной НСХ. При проведении поверки соблюдают следующие условия: температура окруж...
11509. Виртуальные ПК 101 KB
  Лабораторная работа Тема: Виртуальные ПК Цель работы: изучить способы создания и настройки виртуального ПК установки на нём операционной системы Теоретические сведения Существует еще один способ установки на одном компьютере множества операционных систем с п...
11510. Восстановление файлов и каталогов в Windows 147.5 KB
  Лабораторная работа Тема: Восстановление файлов и каталогов в Windows Цель работы: научиться создавать резервные копии дисков и файлов клонировать носители создавать резервные копии системных носителей; научиться восстанавливать данные и систему с резервных копий. ...
11511. Файловая система NTFS 94 KB
  Лабораторная работа Тема: Файловая система NTFS Цель работы: изучить организацию файловой системы NTFS Теоретические сведения Файловая система NTFS была разработана для ОС Windows NT с учетом опыта разработки файловых систем FAT и HPFS. Основными отличиями являются: подд...