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

30814. Создание таблиц для базы 18.26 KB
  Создание таблиц для базы Важным моментом при создании базы данных является распределение информации между полями записи. Очевидно что информация может быть распределена между полями различным образом. После того как определены поля записи необходимо выполнить распределение полей по таблицам. В простой базе данных все поля можно разместить в одной таблице.
30815. Создание модуля данных 23.7 KB
  Создание модуля данных Для размещения компонентов доступа к данным в приложении баз данных желательно использовать специальную форму модуль данных класс TDtModule. Обратите внимание что модуль данных не имеет ничего общего с обычной формой приложения ведь его непосредственным предком является класс TComponent. В модуле данных можно размещать только невизуальные компоненты. Модуль данных доступен разработчику как и любой другой модуль проекта на этапе разработки.
30816. Доступ к базе данных (таблице) 19.97 KB
  Доступ к базе данных таблице Доступ к базе данных обеспечивают компоненты Dtbse Tble Query и DtSource значки которых находятся на вкладках Dt ccess и BDE палитры Компонент Dtbse представляет базу данных как единое целое т. совокупность таблиц а компонент Tble одну из таблиц базы данных. Компонент DtSource источник данных обеспечивает связь компонента отображенияредактирования данных например компонента DBGrid и источника данных в качестве которого может выступать таблица компонент Tаblе или результат выполнения SQLзапроса к...
30817. Для сохранения целостности пользователь может наложить ограничения на процессы вставки удаления или обнов. 12.09 KB
  Для сохранения целостности пользователь может наложить ограничения на процессы вставки удаления или обновления данных в базе. База данных состоит из различных объектов таких как таблицы виды домены сохраненные процедуры триггеры. Объекты базы данных содержат всю информацию о ее структуре и данных.
30818. ADO, провайдеры ADO 11.36 KB
  DO позволяет представлять данные из разнообразных источников реляционных баз данных текстовых файлов и т. Провайдеры DO обеспечивают соединение приложения использующего данные через DO с источником данных сервером SQL локальной СУБД файловой системой и т. Для каждого типа хранилища данных должен существовать провайдер DO. Провайдер знает о местоположении хранилища данных и его содержании умеет обращаться к данным с запросами и интерпретировать возвращаемую служебную информацию и результаты запросов с целью их передачи приложению.
30819. Генератор отчетов Rave Reports 5.0 18.73 KB
  Компоненты для создания отчетов Генератор отчетов Rve Reports 5.0 Генератор отчетов Rve Reports 5.0 разработан фирмой Nevron и входит в состав Delphi 7 в качестве основного средства для создания отчетов. Он состоит из трех частей: ядро генератора отчетов обеспечивает управление отчетом и его предварительный просмотр и отправку на печать.
30820. Доступ к общим данным 17.87 KB
  Доступ к общим данным Строки являются записями а столбцы полями таблицы базы данных. Класс tdtset обеспечивает возможность редактирования набора данных а также предоставляет средства для перемещения навигации по записям. Этот класс инкапсулирует в себе функциональные возможности borlnd dtbse engine bde процессора баз данных фирмы borlnd. Класс tbdedtset имеет класспотомок tdbdtset в котором определены дополнительные свойства и методы обеспечивающие возможность связывания набора данных с физическими таблицами базы данных.
30821. Структура BDE 46.29 KB
  Структура BDE Архитектура и функции BDE BDE представляет собой набор динамических библиотек которые умеют передавать запросы на получение или модификацию данных из приложения в нужную базу данных и возвращать результат обработки. В составе BDE поставляются стандартные драйверы обеспечивающие доступ к СУБД Prdox dBSE FoxPro и текстовым файлам. Структура процессора баз данных BDE Доступ к данным серверов SQL обеспечивает отдельная система драйверов SQL Links. Помимо этого в BDE имеется очень простой механизм подключения любых драйверов...
30822. Модели организации данных в БД 30.78 KB
  Модели организации данных в БД Организация баз данных – физическая и логическая Организация БД Организация данных базыопределяется видом модели данных которую поддерживает конкретная СУБД. Модель данных это методпринцип логической организации данных реализуемый в СУБД. Организация данныхв базе характеризуется двумя уровнями логическим и физическим. Логическаяорганизация БД определяется типом структур данных и видоммодели данных которая поддерживается СУБД.