АФУ Семинары

Рис.3. Вариант схемы возбуждения проектируемой АФАР

Вся решетка разбивается на 14 подрешеток по 14 элементов в каждой. Каждая подре- шетка возбуждается своим передающим модулем (ПМ1), а вся решетка - передатчиком. В

качестве делителей мощности используются 16-канальные делители, два выхода которых нагружаются на согласованные нагрузки. Коэффициент усиления ПМ должен компенси- ровать потери в схеме разводки от ПМ1 до усилителя мощности ПМ. Потери в схеме раз-

водки складываются из потерь в фазовращателе Lфв , потерь в кабеле Lкаб , омических по-

терь в делителе Lдел и потерь при делении сигнала. Принимая длину соединительного кабеля равной ~0,5 м и учитывая, что количество этажей бинарных делителей в 16-канальном делителе равно 4, окончательно получаем

LΣ = Lфв + lLкаб0 + nLдел0 + 3n »15 дБ.

По условию коэффициент усиления УМ передающего модуля kp ³17 дБ. Отсюда де-

лаем вывод о практической реализуемости схемы возбуждения АФАР, изображенной на рис.3.

Задание 1. Спроектировать передающую АФАР со следующими параметрами:

Нарисовать и обосновать схему возбуждения АФАР.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Задание 2. Рассчитать электрические параметры передающей АФАР, имеющей сле- дующие характеристики:

Определить Ппрд , N, G.

Литература

1. Чистюхин В.В. Антенно-фидерные устройства. - М.: МИЭТ, 1997. - С. 183 - 193.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Семинар № 14. Проектирование приемных АФАР. Расчет их энергетических параметров

Энергетический потенциал приемных АФАР определяется соотношением

Ппрм = Sэф Tэф ,

где Sэф - эффективная площадь антенны; Tэф - шумовая температура АФАР (в градусах

Кельвина), приведенная к раскрыву решетки.

Эффективная площадь АФАР связана с ее геометрической площадью S через коэффи- циент использования поверхности σ , определяемый в свою очередь амплитудно- фазовыми характеристиками ее тракта, требуемым уровнем боковых лепестков и допус- тимыми потерями потенциала на краях сектора сканирования A: Sэф = SσA .

Значение σ изменяется, как правило, от 0,1 до 0,8 и определяется сектором сканиро- вания решетки и соответственно ДН ее элементов, значение A обычно равно 1/2. Тогда

Sэф = 12 Sσ .

Простейшая структурная схема приемной АФАР приведена на рис.1.

kш1,k p1

ФВ

Рис.1. Структурная схема приемной АФАР

Рис.2. Структурная схема приемного канала АФАР

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Для вычисления Tэф необходимо изобразить путь прохождения сигнала от каждого канала до приемника (рис.2). На рис.2:

- величина L1 определяется потерями в соединительном кабеле (излучателя с МШУ),

потерями в фильтре на входе МШУ, сумма которых обычно составляет 0,5 ÷1,5 дБ (

1,1 ÷1,4 отн. ед.);

- значение kш1 » kш 2 (условие стандартизации и унификации) определяется коэффици-

ентом шума МШУ и имеет достаточно широкий диапазон значений - от 1 до 7 дБ (1,25 ÷ 5

отн. ед.);

- значение k р1 ≈ kр2 (коэффициенты усиления соответствующих МШУ на рис.2) со-

ставляет обычно 15 ÷ 30 дБ ( 30 ÷1000 отн. ед.);

- величина L2 включает потери в фазовращателе, юстировочном фазовращателе, сум-

маторе и соединительных кабелях, обычно L2 составляет 3 ÷ 5 дБ ( 2 ÷ 3 отн. ед.);

- величина L3 , равная примерно 0,5 дБ (1,1 отн. ед.), определяется потерями в соедини-

тельном кабеле;

- значение Tпрм (собственная шумовая температура приемника, К) достигает величины

1000 К.

Для схемы приемной АФАР, изображенной на рис.1, эффективная шумовая температу- ра, приведенная к ее входу, определяется формулой

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Из анализа формулы (2) с учетом проведенных выше оценок составляющих ее вели- чин можно сделать следующие выводы. При больших значениях коэффициента усиления МШУ ( k p »100 ¸1000 ) наибольший вклад в Tэф вносят коэффициент шума МШУ, который однозначно определяется kш используемого транзистора, и потери L1 , связанные с поте-

рями в соединительном кабеле и фильтре на входе МШУ. Тогда, по сути, можно исполь- зовать для расчетов только первые три члена суммы:

Однако при значениях k р1 » kр2 » 10 ¸15 дБ (10 ÷ 30 отн. ед.) такое упрощение форму-

лы (2) уже недопустимо. В этом случае существенную роль будут играть потери в ФВ и сумматоре. Проведем следующее вычисление:

Пример. Рассчитать эффективную шумовую температуру на входе приемной АФАР, имеющей следующие параметры входящих в нее блоков и устройств: потери в кабеле от излучателя до модуля L1′ ≈ 0,3 дБ; потери в полосе пропускания полосно-пропускающего фильтра на входе модуля L1′′ ≈ 0,7 дБ; коэффициент шума МШУ kш ≤ 2 дБ; коэффициент усиления МШУ kр ³ 20 дБ в рабочей полосе частот; суммарные потери в выходном тракте приемного канала L2 ≈ 4 дБ.

Решение. С учетом того, что значение k р МШУ достаточно велико, для расчета Tэф

воспользуемся выражениями (3) и (4). В формулу (4) подставим значение L1 = L1′ + L1′′ = 1дБ.

Прежде чем производить расчеты, необходимо все заданные величины перевести в разы. Тогда L1 ≈ 1,25 ; kш ≈ 1,58 ; k р »100 ; L2 ≈ 2,5 . Значение kшΣ будет равно

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Литература

1. Чистюхин В.В. Антенно-фидерные устройства. - М.: МИЭТ, 1997. - С. 193 - 201.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Семинар № 15. Влияние амплитудно-фазового разброса на энергетические характеристики АФАР

Особенности дискретного фазирования элементов. Известно, что при создании со-

временных АФАР для управления положением луча используются дискретные фазовра- щатели, с помощью которых фаза возбуждения в каждом излучателе может быть изменена только скачком на величину ΔΦ , называемую дискретом фазирования. Обычно

ΔΦ = 2π2 p , где p - целое число, определяющее количество разрядов фазовращателя.

Важнейшим преимуществом дискретного фазирующего устройства по сравнению с плавным (аналоговым) является улучшенная стабильность. Это объясняется тем, что

управляющие устройства работают в режиме переключения с использованием только двух крайних областей их характеристик. Другим преимуществом дискретного фазирующего устройства является удобство управления им с помощью ЭВМ.

При дискретном фазировании решетки в направлении θ0 , ϕ0 для каждого излучателя рассчитывается точное (идеальное) значение фазы Φп0 по формуле

Φп0 = −k(dxn sin θ0 cos ϕ0 + dyn sin θ0 sin ϕ0 ),

где k = 2πλ - волновое число; dxn , dyn - координаты n-го излучателя в решетке.

Заметим, что идеальное значение Φп0 округляется до ближайшего дискретного значе- ния Φп :

Fп = DFEæç0,5 + Fп0 DFö÷ = Fп0 - dFп ,

èø

где E(x) - операция выделения целой части числа x; δΦп = δΦп (Φп0 )= Φп0 − Φп - системати-

ческая фазовая ошибка из-за дискретности фазирования, зависимость этой ошибки от зна- чения “идеальной” фазы Φп0 представляет функцию с периодом ΔΦ (см. [1], стр. 206, рис. 2.81).

С учетом вышесказанного множитель направленности любой дискретно-фазируемой

решетки может быть представлен в виде

N

F(q, j)= å In e j(φn +Φпо )e− jδΦп , n=1

где φп = −k(dxn sin θcos ϕ + dyn sin θsin ϕ).

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

После ряда преобразований [1] выражение для множителя решетки принимает вид

Этот множитель представляет собой бесконечную сумму парциальных ДН FΣm (θ,ϕ),

главный вес в которой имеет нулевой член FΣ0 (θ,ϕ), характеризующий ДН решетки с иде-

альным фазированием. Однако главный максимум этой ДН уменьшен в С0 = (sin(ΔΦ2))(ΔΦ2) раз, что свидетельствует о снижении коэффициента направленного действия. Другие слагаемые в (1) дают дополнительное паразитное излучение из-за дис- кретности фазирования. С уменьшением дискрета фазы до нуля интенсивность паразит- ных составляющих стремится к нулю.

Паразитные лепестки заметного уровня характерны лишь для линейных и плоских АФАР с дискретным фазированием. В неплоских решетках происходит своеобразное рассеяние мощности паразитных ДН в широкой зоне углов. Аналогичного эффекта мож-

но добиться для линейных и плоских решеток путем создания нелинейного начального фазового распределения - фазовой подставки. Естественно, что начальное фазовое рас- пределение должно компенсироваться ФВ при сканировании.

Снижение коэффициента использования поверхности АФАР с дискретным фазирова-

нием описывается приближенной формулой

A = sin2 (ΔΦ2) , ΔΦ2

справедливой как при наличии начальной фазовой подставки, так и при ее отсутствии.

Пример. Рассчитать уровень паразитных максимумов при m = 1; ±2 в плоской АФАР для величин дискрета фазирования ΔΦ = π2; π4 .

Решение. Абсолютный уровень паразитных максимумов определяется значением ко- эффициента Cm (см. формулу (2)). Подставив в выражение (2) заданные значения m и ΔΦ ,

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

рассчитаем искомые величины, которые сведем в таблицу (расчеты проведем по мощно- сти):

Значение Аm вычисляется по формуле

Аm =10lg Cm 2 .

Рассмотрим несколько иной подход к учету влияния дискретного фазирования на энергетику АФАР. В ФВ, имеющем дискретность управления в p бит (разрядов), фаза мо- жет устанавливаться до нужной величины с остаточной ошибкой:

- максимальной фазовой a = ± p 2 p ;

Точность наведения луча при дискретном фазировании. В моноимпульсных радио-

локационных станциях точное определение направления на цель обеспечивается с помо- щью разностной ДН, следовательно, определенный интерес представляет оценка точности установки нулевого положения ДН. При использовании ФВ с квантованием фазы положе- ние нуля может смещаться с дискретностью, зависящей от степени дискретности ФВ.

Для заданного направления сканирования θ0 ошибка наведения луча антенной ре-

шетки и соответственно нуля разностной диаграммы δθ может быть рассчитана по фор-

муле

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

где d - межэлементное расстояние в решетке; λ - рабочая длина волны; N - количество из- лучателей решетки в плоскости отклонения луча; p - количество разрядов используемого ФВ.

Уравнение (3) можно выразить через ширину луча с использованием известного соот-

Задание 1. Рассчитать уменьшение усиления АФАР, используя два подхода для вели- чины дискрета ФВ: ΔΦ = π2;π4 .

Задание 2. Оценить точность выставки луча для АФАР со следующими параметрами: θ0,5 X = 5o; θ0,5Y =1o; θ0 = ±30o; λ =10см; p = 3 .

Литература

1. Чистюхин В.В. Антенно-фидерные устройства. - М.: МИЭТ, 1997. - С. 205 - 215.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com