КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Решетки излучателей с частотным сканированиемРасчет волноводно-щелевой решетки излучателей с частотным сканированием состоит из определения параметров волновода, возбуждающего щелевые излучатели, и расстояния между излучателями d с учетом сканирования луча в заданном угловом секторе, расчета излучателей и их связи с волноводом для обеспечения требуемого закона распределения излучаемой мощности вдоль решетки и расчета диаграммы направленности решетки. Особенностью определения параметров волновода и расстояния d является то, что параметры волновода γ и d является то, что при заданных секторе сканирования ∆θ и рабочей длине волны λ связаны одним уравнением [(2.21) или (2.22)]. Поэтому для нахождения одной из искомых величин приходится предварительно задаваться остальными величинами, входящими в это уравнение. Например, чтобы определить величину γ , надо задаться значением величин θ и d. Меняя значения величин θ и d можно получить несколько вариантов возможной волноводной возбуждающей системы, а затем выбрать тот из них, который позволяет лучше удовлетворить главным требованиям технического задания (например, минимальное изменение частоты при сканировании, малый коэффициент затухания в волноводе, высокая углочастотная чувствительность решетки й т.д.). Перейдем к изложению методики расчета волноводно-щелевой решетки излучателей с частотным сканированием. С целыо облегчения изложения введем обозначения: Р- мощность, излучаемая антенной, квт ; λмин , λср , λмах — соответственно минимальная, средняя и максимальная длины волн генератора, см; — относительное изменение длины волны генератора, %. Θмин, Θср , Θмах —направление главного максимума диаграммы направленности соответственно при λмин , λср , λмах , град ; 2θ0.5 - ширина главного лепестка диаграммы направленности на уровне, половинной мощности при λ= λср , град. Уравнение (2.22) на границах сектора сканирования, ограниченного, углами Θмах и Θмин имеет вид
При проектировании могут встретиться различные варианты заданий. Приведем некоторые из них. Вариант 1. Заданы Р, λср , , 2, 2θ0.5 . При проектировании определить возможный сектор сканирования ∆θ. Вариант 2. Заданы P, λср , , 2θ0.5, ∆θ . При проектировании определить возможное направление луча θср Вариант 3. Заданы Р, λср , , 2θ0.5 . При проектировании определить направление луча θср, для которого сектор сканирования ∆θ будет наибольшим. Вариант 4. Заданы Р, λср, 2θ0.5 , θср, ∆θ . При проектировании обеспечить заданный сектор сканирования при возможно меньшем относительном изменении длины волны . При расчете любого из вариантов рекомендуется пользоваться графиками рис. 2.9—2.12 и материалами, приведенными в § 2.1—2.3. Рассмотрим примерную методику расчета для случая, когда заданы Р, λср , , 2θ0.5 , θср и надо определить возможный сектор сканирования ∆θ . 1.Выбираем тип излучателей и номер рабочего луча. С учетом соображений, изложенных в § 2.3, выбираем в качестве излучателей антенной решетки щели, переменнофазно связанные с полем волновода, и номер луча n=0. 2.Пользуясь кривыми рис. 2.9, 2.10, 2.13, проводим прикидочный расчет возможных вариантов ния заданного направления луча θср. Исходя из заданных λср и , находим длины волн λмах. и λмин. Расчет начинаем с выбора величины соответствующей γср. Учитывая, что углочастотная чувствительность А [формула. (2.20)] будет больше при меньших γ, γср желательно выбирать меньше 0,5, однако при этом надо помнить, что при изменении частоты γмин может оказаться меньше 0,36 и потери в волноводе возрастут. По этой причине γср близкое к величине 0,36 выбирать нецелесообразно. По графикам рис. 2.13 ориентировочно находим величину γср при условии λ/d>1 для получения требуемого направления луча θср . По кривым рис. 2.9, 2.10 для известных γср и θср находим величину 2a/d, которая для проектируемой антенны является конструктивным параметром и, следовательно, при частотном сканировании будет сохраняться неизменной. Далее определяем γмах и γмин ,найдя предварительно размер а волновода, соответствующий величине γср. Для нахождения размера а и замедлений γмах и γмин можно использовать формулу (2.16) или графики γ=γ(λ/2а)на рис. 2.8 или 2.9, 2.10. Для определения углов θмах и θмин на графике рис. 2.9, 2.10 находим точки пересечения вертикальных линий, соответствующих γмах и γмин с линией при 2a/d=const (значение параметра 2а/d было найдено выше). Если точка пересечения лежит выше линии n = 0, то такой режим неосуществим и расчет следует проделать заново, задавшись другой величиной γср. Обычно бывает желательным получить наибольший сектор сканирования ∆θ при заданном относительном изменении длины волны . Поэтому при расчете можно задаться двумя-тремя значениями γср и найти наибольший возможный сектор. Учитывая приближенность проделанного расчета, связанного с погрешностью определения расчетных величин по графикам, далее производим уточнение этих величин (пункты 3—6). 3. Для выбранной величины γср по уравнению (2.22) уточняем расстояние между излучателями: Здесь следует проверить выполнение условия d ≤dmax при λ= λmin [см. формулу (2.24)], во избежание появления боковых главных максимумов. экспоненциального, определение величин LA, ηA и N можно производить так, как дано ниже в пп. 13-15. 13. Выбираем равномерный или экспоненциальный закон распределения излучаемой мощности вдоль решетки излучателей и, исходя из заданной ширины главного лепестка 2θ0.5 , находим ориентировочно длину антенной решетки из формулы (2.15): Lэф определяется из формулы (2.9) или (2.12) в предположении, что L =Lэф при λ= λср. Уточняем LА проверкой выполнения условия 2θ* 0.5 ≈2θ0.5 , где 2θ* 0.5 — ширина главного лепестка, определенная по формуле (2.14). 14. Определяем к. п. д. антенной решетки по формуле (2.8) или (2.11) на краях рабочего диапазона волн. 15. Находим число излучателей антенной решетки;
16*). Выбираем размеры щелевых излучателей и расположение их на стенке волновода с учетом выбранного закона распределения излучаемой мощности вдоль решетки излучателей. 17*). Рассчитываем диаграмму направленности при λ= λmin, λср , λmax. Определяем соответствие ширины главного лепестка диаграммы направленности требуемой и изменение ее при сканировании. 18*). Находим коэффициент направленного действия (к. н. д.) антенной решетки. 5. Составляем электрическую схему антенны. 5. Рассчитываем фидерный тракт, соединяющий передатчик с антенной. Конструирование антенны ведется с'учетом ее применения. Приведённая методика в основном сохраняется и при расчете других вариантов(2—4), меняется лишь п. 2. Для варианта 2 прикидочный расчет (п. 2) для определения направления луча θср, при котором может быть получен требуемый сектор сканирования ∆θ, производится с помощью графиков рис. 2,9 и 2.10. Так как углочастотная чувствительность будет большей при ма- _______________________________ *) Пункты 16—18 выполняются по методике, изложенной в гл. 5. лых γ, то, задавшись γмин близким к 0,36, определяем γмах способом, указанным в п. 2, Проведя две вертикальные линии, соответствующие значениям γмин и γмах и горизонтальную линию λ /d=1, получим на графике область для выбора θср , при котором, может быть получен требуемый сектор сканирования. Расчет сводится к определению расстояния между излучателями которое обеспечивает требуемый ∆θ при выбранных γмин и γмах . Используя кривые λ/d(γ) при 2a/d = const, на графике в полученной области находим кривую, при движении вдоль которой от γмах до γмин получаем требуемое значение ∆θ. Далее, определив находим θср . С п. 3 расчет ведется согласно методике, изложенной выше. Для варианта 3 прикидочный расчет ведется аналогично расчету для варианта 2 с тем лишь отличием, что определяется θср, для которого ∆θ будет максимальным. Для варианта 4 прикидочный расчет в п. 2 сводится к получению заданного сектора ∆θ при возможно меньшем изменении длины волны, т. е. желательно, чтобы было небольшим. С этой целью по графику рис. 2.1З находим область замедлений, при которых возможно получить заданное направление θср. Выбираем два-три значения γср, соответствующие θср. По заданным ∆θ и θср находим границы сектора сканирования θмах и θмин. Для каждого из выбранных значений проделываем следующий расчёт. По γср и λср находим размер волновода а и определяем параметр Далее по графикам рис 2.9, 2.10 определяем значения и , соответствующие точкам пересечения прямых с кривой при найденном параметре 2а/d. Длины волн определяются из формул: а изменение длины находится из формулы ∆λ= , Повторив такой же расчет и для других значений γср, найдем новые значения ∆λ. В результате расчета определяем γср, соответствующее меньшему изменению ∆λ , обеспечивающему требуемый сектор ∆θ. Уточнение параметров антенны ведется далее, начиная с п. 3, по методике, изложенной выше. При расчете варианта 4 может оказаться, что сектор сканирования ∆θ требуется значительный (например, ∆θ >ЗО°). В этом случае для уменьшения требуемой величины при сканировании можно использовать систему параллельных волноводов с разным расстоянием между излучателями. Каждый волновод при одинаковом изменении будет обеспечивать сканирование в соответствующем секторе, а сумма этих секторов должна быть равной полному сектору. Конструкция такой антенны будет более сложной, так как она должна состоять из нескольких волноводов, переключающихся при переходе с одного сектора сканирования на другой. Методика расчета такой антенный несколько иная, чем одиночной волноводно-щелевой антенны, однако при расчете каждого из волноводов можно воспользоваться уже рассмотренной методикой. Разделение полного сектора сканирования на составные и определение числа необходимых волноводов можно произвести, используя графики рис. 2.10, 2.11, а также работу [ЛО 10]. Литература 1. "Сканирующие антенные системы СВЧ", т. I и II. Пер. с англ., под ред. Г. Т. Маркова и А. Ф. Чаплина. Изд-во «Советское радио», 1966 и 1969. 2. S h n i i k i n H. Electronically scanned antennas. The Microwave Journ., I960, Dec., Ш 12, p. 67—72, 1961, Jan., № 1, p. 57—64.
Глава 3 КОММУТАЦИОННЫЕ ЛИНЕЙНЫЕ И ПЛОСКИЕ РЕШЕТКИ 3.1. Коммутационный способ сканирования Управление положением луча остронаправленной антенной решетки осуществляется изменением фазовых соотношений между токами в излучающих элементах. Для этой цели может быть использована система фазовращателей, включенных в фидерную систему, возбуждающую излучатели. Основными недостатками электрически управляемых антенн с фазовращателями, обеспечивающими непрерывное изменение фазы электромагнитных колебаний (ферритовыми, полупроводниковыми, сегнетоэлектрическими и т. д.), являются нестабильность (особенно температурная) и неидентичность отражений от фазовращателей, сложность управляющих схем и высокие требования к стабильности источников питания фазовращателей. Эти недостатки имеются и в системах дискретного управления, когда на характеристике фазовращателей с непрерывным изменением фазы используется ряд отдельных рабочих точек. Указанные недостатки в значительной мере устраняются при коммутационном методе управления диаграммой направленности, предложенном проф. Л. Н. Дерюгиным в 1960 г. [ЛО 10]. Сущность коммутационного метода состоит в отказе от проходных фазовращателей с непрерывным изменением фазы и использовании коммутаторов и коммутационных фазовращателей, на выходе которых фаза электромагнитных колебаний принимает определенные фиксированные значения. Управление лучом антенны сводится в этом случае к простейшим операциям включения и выключения излучателей или ветвей фидерной системы. Стабильность коммутационных антенн определяется тем, что управляющие фазой элементы (полупроводни ки, ферриты ,сегнетоэлектрики) работают в режиме, при котором используются только две крайние области их характеристик. Кроме того, коммутационные антенны могут иметь более простое управляющее устройство, чем обычная антенна с параллельной схемой включения непрерывных фазовращателей. Последнее связано с тем, что положение луча в пространстве определяется не величиной управляющего напряжения, разной для различных фазовращателей антенны, а лишь наличием его на тех или иных коммутаторах. Однако коммутационные антенны имеют и ряд недостатков, важнейшим из которых является наличие фразовых ошибок, определяемых тем, что фазы возбуждения излучателей меняются скачком и могут принимать только определенные значения. Это влечет за собой снижение к. н. д. антенны, увеличение уровня бокового излучения и скачкообразное перемещение луча. Среди различных способов построения коммутационных антенн можно выделить два наиболее характерных. При первом способе каждый излучатель имеет определенный набор фаз, из которого производится выбор нужной фазы путем переключения коммутационного фазовращателя. При втором способе на каждом участке антенны длиной в /2 размещаемся несколько излучателей, питаемых с различными фазами, и осуществляется их выборочное включение. Далее будут изложены некоторые аспекты расчета коммутационных антенн первого типа, поскольку реализация антенн с коммутируемыми излучателями встречает серьезные трудности, связанные с необходимостью размещения на малом участке антенны большого числа излучающих элементов и созданием значительного замедления фазовой скорости электромагнитных' волн в фидере, возбуждающем излучатели. Во всякой коммутационной антенне можно выделить три основные части (рис. 3.1): излучающую систему 1, систему фазовращателей 2 и распределитель 3. Поступающая от генератора электромагнитная энергия делится в распределителе на части, относительная величина которых зависит от требуемого амплитудного распределения. Каждая из этих частей поступает в фазовращатель и соответствующий излучатель решетки. 3.2. Основные схемы распределения мощности и включения фазовращателей Распределение высокочастотной мощности между излучателями, а также включение коммутационных фазовращателей может осуществляться по последовательной и параллельной схемам (рис. 3.2). При последовательной схеме распределения мощности в питающей линии поддерживается режим бегущей волны и излучатели слабо связаны с линией. Фазовращатели в данном случае могут быть в свою очередь включены по параллельной или последовательной схеме (рис 3.3,а, б). Последовательное включение обычно не используется из-за высоких потерь, вносимых
фазовращателями, ограничения уровня подводимой мощности и жестких требований к точности установки фазы каждым фазовращателем. Кроме того, последовательное включение фазовращателей при коммутационном методе управления лучом не обладает основным преимуществом последовательного включения, имеющим место в антеннах с фазовращателями непрерывного действия и заключающимся в том, что при отклонении луча все фазовращатели изменяют свою электрическую длину на одну и ту же величину. В коммутационных антеннах в случае последовательного включения фазовращателей переключение фазы в каждом из них при движении луча происходит по разным законам. При последовательном распределении мощности и параллельном включении фазовращателей потери в антенне в основном складываются из потерь в одном фазовращателе и мощности, рассеиваемой в нагрузке питающего фидера. Последняя величина обычно составляет 5—10%. Распределение мощности может производиться в зависимости от типа используемой фидерной линий с помощью направленных ответвителей, резонансных щелей (рис. 3.3), коаксиальных тройников, волноводно - вибраторных элементов и т. д. К. п. д. антенны с последовательной схемой распределения мощнрсти и параллельным включением фазовращателей равен где Ризл, Рн , Рф — соответственно мощность излучения, мощность, поглощаемая в нагрузке фидера, и мощность потерь фазовращателя. При параллельной схеме распределения мощности через каждый фазовращатель проходит только лишь часть излучаемой мощности, потери в линиях передачи уменьшаются и к. п. д. антенны примерно равен к. п. д. одного фазовращателя. Параллельное питание может быть осуществлено различными способами, из которых некоторые могут быть пояснены с помощью схем, изображенных на рис. 3.4. В первой схеме постоянное деление мощности осуществляется с помощью волноводных тройников или кольцевых мостов. Другой разновидностью параллельной схемы распределения мощности является так называемая схема "эфирного" питания или схема квазиоптического типа, когда система фазовращателей устанавливается в раскрыве антенны оптического типа (рупорно-параболической, зеркальной и т. д.) . При этом каждый фазовращатель с обеих сторон соединен излучателями, которые, с одной стороны, служат для приема, а с другой — для передачи электромагнитной энергии. Такие схемы намного упрощают распределение мощности, особенно при большом числе излучающих элементов, из которых составлена антенна. В данном случае система фазовращателей с соответствующими излучателями представляет собой управляемую линзу. В последовательной схеме распределения мощности величина связи излучателей с питающим фидером характеризуется коэффициентом связи [ЛО 9]: где Рп —мощность, излучаемая п-м излучателем; РПр — мощность, проходящая дальше по линии. Характер изменения величины аn в решетке зависит от требуемого амплитудного распределения f(x). Методы расчета величины коэффициента связи даны в гл. 5. Зная коэффициент связи an, можно рассчитать элементы связи. Необходимые соотношения для элементов связи различных типов приводятся в справочной литературе.[ЛО 17]
|