Плоская антенная решетка с дискретным фазованием (стр. 2 из 4)

В качестве диэлектрика возьмем вещество ЦМ-4, имеющее e=6,5, tgd=6*10⁴. Размеры выберем исходя из условия пропускания заданной мощности. Для учета неоднородностей необходим запас по мощности, который можно обеспечить путем выбора конструктивных размеров и подбором диэлектрика подложки. Для полосковых ЛП с воздушным заполнением, максимальная передаваемая мощность определяется по графикам в [4]:

(P_max/d²)10^-8, Вт/м²

Выберем D/d=0.1, b/d=2, b=4мм, тогда d=2мм и D=0,2мм. Максимальная мощность может быть определена по формуле:

где P_ГР – значение, определенное по приведенному графику: Рmax = 17 кВт.

С учетом того, что пробивное напряжение в воздухе составляет порядка 30 кВ/см, а в ЦМ-4 250 кВ/см, и что пропускаемая мощность пропорциональна квадрату пробивной напряженности, то максимальная пропускаемая мощность данной ЛП будет больше примерно в 7 раз больше, т.е. около 120 кВт.

Волновое сопротивление и длина волны в такой ЛП определится по формуле[4]:

1.2 Расчет геометрических размеров решетки и числа излучателей

Введем систему координат:

Выбор размера антенны производится исходя из уровня боковых лепестков. Согласно табл. 3.1 в [3] по уровню боковых лепестков определим размер антенны по оси Х и оси Y:

Число излучателей и расстояние между ними будем выбирать исходя из следующих условий (для излучателей вдоль оси Х):

- число излучателей n равно 2^p,	где p-целое число, p=1,2,3…,т.к. в схеме питания используются двоичные делители мощности
- ,	где 2Q₀ –ширина по нулям ДН одиночного элемента, Q₀=90⁰

Последнее условие обеспечивает не вхождение побочного главного максимума решетки в главный лепесток одиночного излучателя при максимально отклоненном луче.

Минимальным n, удовлетворяющим заданным условиям будет n=8. Тогда по следующей формуле можно определить расстояние между излучателями:

Проверка условия:

Расчет для оси Y абсолютно аналогичен. Получим: m=8,

Таким образом, проектируемая плоская эквидистантная ФАР имеет квадратную форму и состоит из 8х8=64 элементов.

1.3 Расчет параметров одиночного излучателя

В качестве излучателя в данной работе используется прямоугольный полосковый резонатор. Материалом подложки служит ФЛАН-10, имеющий

Резонансная длина антенны

. Размер а определяет излучение торца резонатора и входное сопротивление, изменяя его можно добиться требуемого распределения по мощности. Определение размера а можно найти в разделе расчета схемы питания. Для упрощения конструкции резонатора смещение от края

примем равным 0.

Рис. 3 Полосковый излучатель

1.4 Выбор структуры и расчет геометрических размеров фазовращателя

Обычно фазовращатель выбирают исходя из нескольких условий:

· возможность реализации сдвига фазы с требуемым дискретом и простого управления фазовращателями;

· простота реализации и малая стоимость фазовращателя;

· простота коммутации с линией питания и излучающими элементами.

Исходя из данных требований, выберем проходные фазовращатели на полосковой линии. Проходные фазовращатели – это согласованные четырехполюсники, в идеале реактивные, обладающие переменной фазой коэффициента передачи. Проходные фазовращатели бывают плавными (с непрерывным изменением фазы) и ступенчатыми, в которых фаза принимает ряд фиксированных значений, различающихся на величину Dj – дискрет фазы. Дискретные фазовращатели обычно состоят из нескольких каскадов, каждый из которых может создавать при подаче управляющего сигнала изменение фазы волны на величину Dj=2p/М, где М=2^р, р=1, 2, 3… Фазовращатели состоят из отрезков линий передачи и электронных ключей на p–i–n диодах. Чаще всего такие фазовращатели строятся на основе полосковых и волноводных линий передачи. В качестве параллельных ключей в полосковых линиях передачи используют корпусные p–i–n диоды типа 2А507, 2А509, 2А511, а в качестве последовательных ключей – бескорпусные диоды 2А517, 2А522. В волноводных резонансных диафрагмах применяют двойные диоды 2А505, 2А508, 2А513. Т.к. применение дискретных фазовращателей приводит к ухудшению направленных свойств антенны, то необходимый дискрет фазирования определяется с учетом трех основных факторов:

- роста боковых лепестков:

- дискретности перемещения луча при сканировании:

- снижения коэффициента направленного действия

Необходимо так выбрать дискрет фазирования DФ, чтобы:

Таким образом, дискрет фазирования, удовлетворяющий ранее указанным условиям равен 22,5 градуса и при нем:

d_max= -23,5дБ, dQ_min=6,44×10^-3 град.

Снижение КНД при этом:

Так как для управления фазированием антенны используются фазовращатели, имеющие два состояния: "0" и "1" (“включено” и “выключено”), то для перекрытия диапазона изменения фазы [0;2p] c дискретом 22,5 градуса необходимо 4 фазовращателя для каждого излучателя соединенных последовательно, которые могут осуществлять следующие сдвиги фаз: (0; p),

(0; p/2), (0; p/4), (0; p/8).

В качестве фазовращателей осуществляющих сдвиги (0; p), (0; p/2) лучше всего использовать фазовращатели на коммутируемых линиях. Потери в линии мало зависят от дискрета фазы и примерно одинаковы в каждом фазовом состоянии. Недостатком является большое число p-i-n-диодов – 4, по сравнению с двумя в других типах ФВ. Для сдвига (0; p/4) (0; p/8) используем ФВ типа «нагруженная линия». Возможный вариант конструкции блока фазовращателей приведен в приложении 4.

Устройство управления сканированием ФАР должно выполнять следующие функции:

· прием необходимого углового положения ДН ФАР от другого устройства, например ЭВМ;

· расчет фазы для каждого излучателя ФАР, который выполняется в несколько этапов:

1) расчет фазы элемента ФАР.

В антеннах с непрерывными фазовращателями фазирование излучающих элементов осуществляется таким образом, чтобы поля от всех излучателей в дальней зоне в заданном направлении складывались синфазно. Для плоской решётки излучателей требуемое фазовое распределение имеет вид:

где х_n, y_n – координаты n-го излучателя в решётке; q_гл, j_гл– углы, определяющие направление максимума диаграммы направленности в пространстве; F₀–постоянный фазовый сдвиг, величина которого зависит от выбора начала отсчёта фазы.

В нашей решётке, в силу дискретного характера изменения фазы токов в излучающих элементах, требуемое фазовое распределение не может быть реализовано точно, вследствие чего возникают специфические фазовые ошибки ( коммутационные ошибки).

Фазовое распределение реализуемое в решётке, определяется следующим образом:

F_реал(х_n)=F_нач(х_n)+q_nDF, q_n=0, ±1, ±2, ¼,

в котором F_нач–так называемое начальное фазовое распределение в решетке, которое имеет место в том случае, когда все коммутационные фазовращатели находятся в одной и той же позиции; DF–дискрет изменения фазы, обеспечиваемый коммутационным фазовращателем; q_n–число последовательных переключений коммутационного фазовращателя от исходной позиции с дискретом изменения фазы DF.

В качестве начального фазового распределения F_нач может быть выбрано фазовое распределение на выходе распределительного устройства.

Коммутационные фазовые ошибки определяются как:

dF=F_реал-F_тр.

Дискретный характер работы фазовращателей приводит к увеличению уровня бокового излучения и к скачкообразному движению луча. Фазирование антенной решётки осуществляется различными способами в зависимости от требуемой точности установки луча или уровня бокового излучения в заданном секторе углов. Одним из распространённых способов является фазирование по наименьшей фазовой ошибке, когда для любого излучателя в решётке выполняется условие