close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Issledov fazirov anten reshetki lab rab Fedorova

код для вставкиСкачать
Федеральное агенТство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ
ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
Методические указания к выполнению
лабораторной работы
Санкт-Петербург
2008
Составители: ассистент А. Ю. Мельникова, кандидат технических
наук, доцент Л. А. Федорова
Рецензент кандидат технических наук, доцент В. Г. Смирнов
В методических указаниях к выполнению лабораторной работы «Исследование фазированной антенной решетки» рассмотрен принцип действия фазированных антенных решеток.
Приводятся основные соотношения, позволяющие рассчитать диаграмму направленности облучателя решетки отражательного типа, амплитудно-фазовое распределение электрического поля в раскрыве и диаграмму
направленности фазированной антенной решетки.
При экспериментальных исследованиях производится коррекция сферического фронта волны в Н-плоскости для нескольких положений луча,
формируемого антенной решеткой, методом дискретного фазового управления. Диаграмма направленности фазированной антенной решетки, полученная экспериментально, сравнивается с теоретической диаграммой
направленности.
Методические указания предназначены для выполнения лабораторных
работ и рекомендуются для подготовки студентов всех форм обучения по
следующим специальностям: 131200, 200700 и 552500, 201300, 200400,
201400, 201600, 552000 и др.
Методические указания подготовлены к публикации кафедрой антенн
и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры факультета радиотехники,
электроники и связи Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Редактор В. П. Зуева
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 21.01.08. Подписано к печати 20.02.08.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.-печ. л. 2,56.
Уч.-изд. л. 2,60. Тираж 150 экз. Заказ №
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© ГУАП, 2008
Исследование фазированной антенной решетки
Цель работы:
1. Ознакомление с основными способами движения луча антенны в пространстве.
2. Изучение основных типов и характеристик фазированных антенных решеток (ФАР).
3. Изучение теоретических основ метода управления положением диаграммы направленности (ДН) антенной решетки в пространстве посредством изменения фазового распределения питания излучателей.
4. Рассчитать теоретическую диаграмму направленности (ДН)
рупорного облучателя решетки в Н-плоскости, произвести аппроксимацию амплитудного распределения электрического поля в раскрыве решетки и рассчитать ее диаграмму направленности в этой
плоскости.
5. Исследовать экспериментально диаграмму направленности
ФАР в Н-плоскости при исходном фазовом распределении и сравнить ее с расчетной теоретической ДН.
6. Исследовать ДН решетки в Н-плоскости при дискретном изменении фазового распределения.
1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК
1.1. Анализ диаграммы направленности линейной АР
Рассмотрим линейную антенную решетку (АР) из n идентичных
направленных излучателей (например, вибраторов) с функцией
направленности каждого f(θ), расположенных на расстоянии dp
друг от друга (рис. 1). Решетки с постоянным расстоянием d между
излучателями называются эквидистантными антенными решетками. Суммарное поле излучения АР в дальней зоне определится как
сумма полей Ep от каждого p-го излучателя с учетом начальной амплитуды тока или поля Am, фазы тока ψр на излучателе, расстояния
rp до точки наблюдения для различных углов наблюдения θ и фазы
волны за счет пути krp, где k=2π/λ – волновое число:
EΣ =
n
n
p =
p =
∑ E p = ∑ Am f (θ)e
−ikr p −iψ p
p
rp
.
(1)
Если расстояние между излучателями одинаковое d = const, амплитуда тока постоянна и равна Am, а фаза тока в излучателях изменяется по линейному закону ψp=(p–1)ψ, т. е. отличается в каждом
последующем излучателе на величину ψ от предыдущего, то сумму
в выражении (1) можно свести к сумме геометрической прогрессии
и преобразовать к виду:
Em Σ ≈
Am
f (θ )fn (θ ),
r0
здесь r0 – расстояние от центра АР до точки наблюдения в дальней
зоне, а fn(θ) – функция направленности линейной АР из n воображаемых ненаправленных излучателей c прогрессивным питанием
по фазе(множитель решетки) принимает следующий вид:
n
sin  (kd sin θ − ψ )
2

 ,
fn (θ) =

n sin  (kd sin θ − ψ )
2

(2)
λ ψ
sin θ max = m +
.
d kd
(4)
где θ − текущая угловая координата, отсчитываемая от перпендикуляра к оси линейной АР; k = 2π/λ − волновое число.
Тогда функция направленности линейной АР эквидистантных
направленных излучателей определится как произведение функции направленности одного излучателя на множитель решетки (теорема перемножения):
fл.с (θ) = f(θ)fn (θ). (3)
Проанализируем выражение (2). Найдем направления максимального излучения АР ненаправленных (изотропных) излучателей из условия, что синус в знаменателе (2) равен нулю. Аргумент
синуса в этом случае должен быть равен mπ, где m=0,±1,±2,… С
учетом сказанного получим выражение для определения направлений максимального излучения АР
Направление главного максимума получим при m = 0
sin θ max гл. = sin θ 0 =
ψ
.
kd
(5)
Анализ выражения (5) показывает, что направление главного
максимума можно менять за счет изменения величины фазы тока
ψ в излучателях АР и за счет изменения длины волны λ, так как с
ней связано волновое число k.
Различают антенные решетки с механическим сканированием
луча, с фазовым и частотным сканированием. Антенные решетки,
которые позволяют осуществлять перемещение максимума луча
диаграммы направленности в пространстве (сканирование) при неподвижной антенне за счет изменения фазы тока, называются фазированными антенными решетками (ФАР).
Сканирование антенным лучом позволяет осуществлять обзор
окружающего пространства, сопровождение движущихся объектов, а также определение их угловых координат.
Выбор того или иного способа сканирования при проектировании АС определяется назначением РТС и требуемыми тактико-техническими характеристиками, а также возможностями, связанными с характеристиками фазовращателей, электронных приборов,
канализирующих систем и т. п.
Фазированные антенные решетки в зависимости от назначения
могут иметь самое разное конструктивное исполнение. На практике
находят применение линейные, плоские (двумерные), а также объn
Θ0
1,0
Θ 0,5
0,707
Θ
n
d
Рис. 1.Линейная антенная решетка из n излучателей с углом сканирования луча θ0
емные трехмерные решетки (плоские, конические, цилиндрические, сферические или более сложной формы). Плоскостную антенную решетку можно получить, расположив несколько линейных
антенных решеток параллельно друг другу. При расчете такой АР
необходимо учитывать число этажей и расстояние между ними.
В качестве примера рассмотрим возможность фазового сканирования луча в ФАР, расстояние между излучателями которой
d=λ/2. Тогда произведение kd=π.
1. Если ψ = 0 и, как следует из (5), sinθmax гл = sinθ0 = 0. Соответственно линейная синфазная система излучает перпендикулярно своей оси и максимумы диаграммы направленности направлены
под углами θ0 = 0°, 180° при любых расстояниях d между излучателями.
2. При значении ψ = π/2 значение sinθmax гл = sinθ0 = 0,5. Соответственно линейная синфазная система излучает под углом θ0 = 30°.
3. При значении ψ=0,867π значение sinθmax гл=sinθ0 =0,867. Соответственно линейная синфазная система излучает вдоль своей
оси и угол θ0 = 60°.
4. При значении ψ=kd=π получим значение sinθmax гл = sinθ0 =1.
Соответственно линейная синфазная система излучает вдоль своей
оси и угол θ0 = 90°.
Таким образом, меняя значение фазы ψ плавно или дискретно от
нуля до kd, можно менять направление главного максимума диаграммы направленности.
С учетом (5) выражение (2) можно представить в виде
nkd
sin 
(sin θ − sin θ 0 )
2

,
fn (θ) =
kd

n sin  (sin θ − sin θ 0 )
2

(6)
где θ − текущая угловая координата; θ0 – угол между направлением
максимального излучения и нормалью к линейной системе элементарных излучателей; n − количество элементарных излучателей в
линейке ФАР; k = 2π/λ − волновое число; d – расстояние между соседними излучателями.
Рассмотрим условия, при которых возникают помимо главного
максимума в диаграмме направленности побочные максимумы, соизмеримые по величине с главным и называемые дифракционными максимумами.
Первый дифракционный лепесток получаем при значениях
m=±1 под углами
sin θ max = ±
λ ψ
λ
+
= ± + sin θ 0 ≤ . d kd
d
(7)
При положительных углах θ0 в выражении (7) берутся значения
– λ/d, а при отрицательных θ0 в выражении (7) берутся значения
λ/d. Отсюда получаем условие возникновения первого дифракционного максимума
d≥
λ
.
+ sin θ 0
d<
λ
.
+ sin θ 0
(8)
Равенство (8) позволяет провести анализ возможности возникновения дифракционного максимума ДН проектируемой системы
излучателей с электрическим сканированием и найти условия, при
которых он возникнуть не может. Для известной длины волны λ и
для заданного угла сканирования θ0 можно найти интервал d, при
котором дифракционный лепесток отсутствует. Этому требованию
соответствует выполнение неравенства
(9)
Выбор интервала d в соответствии с выражением (9) исключает
возможность возникновения дифракционного максимума.
Как было показано ранее, синфазная решетка излучает перпендикулярно своей оси θ0 = 0°, следовательно, расстояние между
излучателями с учетом (9) должно быть d<λ. Для решетки с излучением вдоль оси θ0 = 90° и расстояние между излучателями надо
выбирать d<λ/2.
Известно [1], что ширина диаграммы направленности на уровне
половинной мощности синфазной АР с равно амплитудным питанием излучателей связана с протяженностью антенны L=nd соотношением:
λ
2θ P 2 ≈ 5 
.
(10)
nd
Ширина диаграммы направленности синфазной АР между первыми нулями определяется выражением:
2θ 0 ≈ 5 
λ
.
nd
(11)
При проектировании ФАР весьма существенным является выбор параметра d/λ, называемого электрическим шагом решетки.
С одной стороны, при фиксированном числе излучателей в линей
ке АР (этажей АР) увеличение расстояния между излучателями d
должно приводить к уменьшению ширины главного лепестка ДН
согласно (10). С другой стороны, в случае заданных геометрических
размеров АР увеличение интервала d позволяет уменьшить число
излучателей АР и уменьшить число управляющих устройств. Это,
в свою очередь, позволяет снизить вес антенны, потери электромагнитной энергии в фидерном тракте, уменьшить стоимость АР и
фидерного тракта и вместе с тем увеличить их надежность. Однако
выбор расстояния между излучателями должен обеспечить выполнение условия (9), т. е. отсутствие дифракционных лепестков при
заданном секторе сканирования.
Рассмотрим в качестве примера пять положений главного лепестка ДН, оценивая при этом условия возникновения ближайшего к
нормали (m = –1) дифракционного максимума в соответствии с равенством (9).
Примем λ/d = 1,5 (т. е. d = 2λ/3), тогда выражение (4) можно
преобразовать следующим образом:
sinθ–1 = –1,5+ sinθ0.
(12)
1. Пусть θ0 = 0°, тогда равенство (12) не выполняется (синус не
может быть больше единицы), следовательно, дифракционный лепесток отсутствует (рис. 2, а).
2. Пусть θ0 = 15°, sin(15°) = 0,26, тогда
sinθ–1 =–1,5+ sin(15°)=–1,5+0,26=–1,24,
следовательно, условие возникновения дифракционного лепестка
по-прежнему не выполняется (рис. 2, б).
3. Пусть θ0 = 30°, sin(30°) = 0,5, тогда, как это следует из (12),
дифракционный лепесток возникает под углом θ–1 = –90° (рис. 3).
4. Пусть θ0 = 45°, sin(45°) = 0,707, следовательно, дифракционный лепесток имеет место под углом θ–1 = –52°30’.
5. Пусть θ0 = 90°, в этом случае дифракционный лепесток ДН образуется под углом θ–1 = 30°.
Таким образом, из анализа равенства (12) следуют два важных
заключения:
1) при d < λ/2 дифракционный лепесток не появляется при любых углах сканирования θ0;
2) при d ≥ λ дифракционный лепесток возникает уже при θ0 = 0.
Главный лепесток ДН линейной системы излучателей с фазовым
управлением формируется в том направлении, в котором разность
хода распространяющегося поля компенсируется соответствующим сдвигом фаз тока в излучателях. Дифракционный максимум
возникает в направлении, в котором разность хода волны поля в
пространстве дополняется сдвигом фазы тока в излучателях ψо до
360°, т. е.
2πd
sin θ − + ψ 0 = 2π.
λ
Наличие дифракционного максимума означает деление подводимой СВЧ энергии на две части, отчего существенно снижается
дальность действия РЛС, возникает неопределенность в определении направления на отражающий объект. Отсюда становится очевидной недопустимость возникновения дифракционного максимума в секторе сканирования.
При отклонении луча диаграммы направленности от нормали к
оси АР главный лепесток расширяется в соответствии с выражением [1]
2θ P 2 ≈ 5 
λ
.
nd cos θ 0
(13)
Из соотношения (13) следуют важные выводы:
1) с увеличением угла электрического сканирования θ0 диаграмма направленности ФАР будет расширяться;
2) условие возникновения дифракционного максимума становится все более выполнимым;
а)
n
Θ0= 0
d
n
б)
Θ0= 15
o
o
d
Рис. 2.Положения главного максимума ДН АР при условии, что λ/d = 1,5
для углов сканирования: а) θ0 = 0°; б) θ0 = 15°.
n
Θ–1= – 90
Θ0 = 30
o
o
d
Рис. 3.Положение главного и дифракционного максимумов ДН при условии, что λ/d = 1,5 для угла сканирования θ0 = 30°.
3) линейная антенная решетка формирует веерную диаграмму
направленности (узкая по ширине ДН в плоскости решетки и широкая – в перпендикулярной плоскости).
В некоторых случаях угол сканирования задается таким, что не
удается избежать появления дифракционного максимума, тогда
требование отсутствия в ДН ФАР дифракционного лепестка сводится к тому, чтобы он возникал за пределами сектора сканирования
(сектора качания луча). Если решетка выполнена из направленных
излучателей, то стремятся выбрать расстояние d таким, чтобы максимум дифракционного лепестка множителя решетки совпадал с
первым нулем диаграммы излучателя.
1.2. Схемы построения ФАР
В зависимости от назначения ФАР и требований к характеристикам излучения (величине сектора сканирования, возможности
возникновения дифракционного максимума и др.) находят применение плоскостные АР. Большинство плоскостных ФАР состоит из
идентичных излучателей, расположенных в узлах плоской координатной сетки с двойной периодичностью. Наиболее часто использу10
емыми являются прямоугольная и треугольная (или гексагональная) сетки, представленные соответственно на рис. 4, а и рис. 4, б.
Расположение излучателей в АР может быть как эквидистантным
(расстояние между излучателями d=const), так и не эквидистантным.
Шестигранная структура (гексагональная) плоской решетки
имеет ряд преимуществ перед прямоугольной решеткой, в том числе по условию возникновения дифракционного максимума. Использование треугольной сетки позволяет увеличить расстояние
между излучателями и уменьшить их число, причем это уменьшение составляет примерно 13 % от числа элементов в АР с прямоугольной сеткой [1]. Действительно, расстояние между этажами
решетки (рис.4, б) по оси Y является высотой равностороннего треугольника, которая должна обеспечить условие отсутствия дифракционного максимума, и равна
2
d
3
λ
H = d 2 −   = d
≤
.
2 + sin θ 0
2
Откуда получим условие для выбора расстояния между излучателями в АР с треугольной сеткой
d≤
2
λ
.
3 + sin θ 0
Для угла сканирования θ0=45° расстояние между излучателями
в АР с треугольной сеткой будет
а)
б)
Y
Y
Х
Х
dц
d
Рис. 4.Способы размещения излучателей в плоскостных АР
11
d≤
2
λ
≈ 0,68λ,
3 + 0,707
а для прямоугольной сетки для этого же угла сканирования расстояние
d ≈ 0,53λ.
По способу питания излучателей, схемы построения ФАР подразделяются на три основных типа: 1) схема, в которой питание
ФАР осуществляется непосредственно от генератора СВЧ через
волноводные или коаксиальные делители мощности; 2) проходная
схема; 3) отражательная или оптическая схема (рис. 5).
Первая из перечисленных схем построения ФАР, когда питание
излучателей решетки осуществляется через делители мощности непосредственно от генератора СВЧ, позволяет добиться наибольшего КПД по сравнению с двумя другими схемами построения ФАР.
Однако в этом случае имеет место более сложная система распределения электромагнитной энергии между излучателями решетки.
Поэтому по сложности, габаритам, весу и стоимости такая схема
построения ФАР уступает двум следующим схемам.
Регулируемые делители мощности в первой схеме распределяют
подводимую к излучателям от генератора СВЧ энергию по заданному амплитудному закону. Управляющее устройство с помощью
электронной схемы и фазовращателей вырабатывает изменяющееся по фазе питание, подводимое к излучателям. В течение длительности зондирующего импульса излучатели посредством линий
передачи соединяются с управляющим устройством, распределителем и генератором, формируя необходимую диаграмму направленности. В режиме приема отраженного импульса ФАР подключается к приемному устройству с помощью антенного переключателя.
Достоинством проходной и отражательной (рис.5) схем построения ФАР является их простота даже при большом числе излучателей. На рис. 5 приняты следующие обозначения: 1 − слабонаправленная антенна; 2 – решетка элементарных излучателей; 3 – система фазовращателей.
Преимуществом ФАР отражательного типа является ее конструктивное и эксплуатационное удобство, заключающееся в доступности излучающих элементов при настройке и замене с неизлучающей стороны решетки.
Антенна работает следующим образом. Слабонаправленная антенна 1 облучает решетку элементарных излучателей. Принятый
решеткой 2 сигнал поступает на систему фазовращателей 3. Сигнал
12
ψ
ψ
ψ
ψ
2
1
ψ
ψ
3
Рис. 5.Отражательная схема построения ФАР
через фазовращатели проходит дважды благодаря отражению от короткозамкнутых концов, а функции приема и передачи выполняет
одна и та же АР. Решетка 2 формирует при излучении в свободном
пространстве требуемую по ширине диаграмму направленности,
а система фазовращателей обеспечивает требуемое распределение
фазы на раскрыве для сканирования луча в пространстве.
Проходная схема, состоящая из двух решеток (приемной и передающей), сложнее отражательной, вместе с тем, ее преимущество
состоит в отсутствии затенения излучающей решетки слабонаправленным облучателем.
Общим недостатком ФАР проходного и отражательного типа
является «переливание» электромагнитной энергии через края решетки, подобно тому, как это имеет место в зеркальных антеннах.
Это приводит к уменьшению коэффициента использования поверхности (КИП) и увеличению уровня бокового излучения, что, в свою
очередь, ведет к уменьшению коэффициента направленного действия (КНД) ФАР и, как уже отмечалось, к уменьшению КПД.
Амплитудное распределение на раскрыве ФАР проходного и отражательного типа определяется ДН слабонаправленной облучающей антенны. В качестве облучателей ФАР широко применяются
облучатели зеркальных антенн: открытые концы волноводов, рупорные облучатели и т. п.
13
Фазированные антенные решетки различаются также по схеме
включения фазовращателей, входящих в систему управления. В
зависимости от назначения антенны, применяются последовательная, параллельная и смешанная схемы включения фазовращателей.
В последовательной схеме используются идентичные фазовращатели, создающие одинаковые фазовые сдвиги между токами в соседних излучателях. Для отклонения антенного луча на некоторый
угол необходимо изменить фазу тока, питающего каждый излучатель на одну и ту же величину. При этом линия передачи должна
работать в режиме бегущих волн. Питание такого управляющего
устройства может производиться как от центра решетки, так и от
края. Последовательная схема имеет простую конструкцию и идентичные фазовращатели.
К недостаткам последовательной схемы включения фазовращателей следует отнести следующее:
1. Распространение СВЧ энергии через фазовращатели происходит последовательно, при этом наиболее энергетически нагруженными оказываются фазовращатели, расположенные близко к
входу (генератору); указанное обстоятельство ведет к сравнительно
высоким потерям электромагнитной энергии при последовательном включении фазовращателей.
2. Выход из строя одного из фазовращателей (это особенно касается фазовращателей на входе схемы) может сделать схему неработоспособной.
3. Различная электрическая длина пути от входа антенны до излучателей может привести к фазовым искажениям на границе частотного диапазона (для устранения фазовых искажений в боковые
ответвления необходимо включать отрезки фидера).
В параллельной схеме включения фазовращателей через каждый фазовращатель проходит определенная доля СВЧ энергии,
предназначенная для излучения данным излучателем. Следовательно, КПД и надежность такой схемы выше, чем при последовательном включении фазовращателей, кроме того, это позволяет
использовать сравнительно маломощные фазовращатели. Недостатком параллельной схемы является сложность системы управления, особенно при большом числе излучателей, вследствие того,
что каждый из фазовращателей должен обеспечивать заданный
сдвиг фаз.
Смешанная схема включения фазовращателей приведена на
рис. 6. Она представляет собой сочетание последовательной и параллельной схем. В такой схеме может быть существенно уменьше14
2ψ
ψ
0
2ψ
ψ
0
2ψ
Вход
Рис. 6.Смешанная схема включения фазовращателей
но по сравнению с последовательной схемой число последовательно
включенных фазовращателей, что позволяет уменьшить потери
мощности и повысить надежность. В то же время применение смешанной схемы включения фазовращателей позволяет значительно
сократить диапазон фазовых сдвигов, что приводит к упрощению
системы управления антенным лучом.
Анализ рассмотренных схем включения фазовращателей показывает, что последовательную схему целесообразно применять при
небольшом числе излучателей и низкой мощности излучения. Параллельная схема применяется при стремлении к повышению КПД
АС и при условии высокой мощности излучения. Смешанная схема
включения фазовращателей удовлетворяет более широким требованиям по сравнению с последовательной и параллельной схемами.
Существуют три основных способа управления фазой: непрерывный (аналоговый), дискретный, коммутационный.
В случае непрерывного управления фазовый сдвиг изменяется
плавно путем постепенного изменения питающего тока или напряжения. Так, например, в фазовращателе с ферритом непрерывное
управление фазой достигается плавным изменением тока подмагничивания в обмотке катушки, располагающейся вокруг волновода круглого или прямоугольного сечения, внутрь которого вставлен
ферритовый стержень. При изменении тока в обмотке изменяется
магнитное поле, вызывающее, в свою очередь, изменение магнит15
ной проницаемости феррита, от величины которой зависит фазовая
скорость волны, распространяющейся в волноводе. Ферритовые
фазовращатели являются надежными, позволяют производить как
непрерывное, так и дискретное управление фазой. К недостаткам
ферритовых фазовращателей относят следующие факторы: трудность осуществления подачи плавно изменяющихся управляющих
сигналов, высокие потери СВЧ энергии, зависимость намагниченности феррита от температуры, сравнительно большое время переключения (около 10 мкс), вес и габариты.
При дискретном управлении фазой на рабочей характеристике
аналоговых фазовращателей используется ряд рабочих точек, поэтому изменение фазы происходит скачком. Дискретные фазовращатели подвержены тем же недостаткам, что и фазовращатели с
непрерывным управлением фазой.
Влияние временной и температурной нестабильности практически устраняется в дискретно-коммутационных фазовращателях, на
выходе которых фаза электромагнитной волны может принимать
фиксированные значения. Стабильность таких фазовращателей
определяется тем, что управляемые элементы (ферритовые кольца
или полупроводниковые диоды) работают в режиме, при котором
используются только крайние области их рабочих характеристик.
Это позволяет ослабить требования к временной и температурной
стабильности фазовращателей и управляющего устройства, поскольку требуемый фазовый сдвиг определяется не значением управляющего напряжения, а его наличием на тех или иных коммутаторах фазовращателя.
Примером дискретно-коммутационного фазовращателя может служить фазовращатель, показанный на рис.7. Он состоит из
отрезка линии передачи с включенными в нее p-i-n-диодами с управляемой величиной проводимости объема полупроводника. Проводящий p-i-n-диод, при подаче к его зажимам постоянного напряжения, закорачивает линию передачи в сечении включения, так
как его сопротивление стремится к нулю. Если напряжение не подается, то диод не шунтирует линию передачи. Отрезок l1 от входа
линии до первого р–i–n-диода, либо отрезок l2 и т. д. определяют
электрическую длину линии передачи при распространении в ней
падающей и отраженной волны, характеризующей фазу тока (напряжения), питающего данный излучатель.
Иногда при управлении малой СВЧ мощностью в качестве фазовращателей применяются диоды с управляемой емкостью запорного
слоя – варакторы, обладающие быстродействием около 10–2 мкс,
16
Вход
l3
l2
l1
Рис. 7.Схема включения р−i−n-диода в линию передачи
но не выдерживающие рабочей мощности, характерной для большинства типов РТС.
Основными техническими характеристиками фазовращателей
являются:
полоса рабочих частот, время переключения, пределы регулирования фазы, величина управляемой мощности в непрерывном
режиме работы ФАР, величина управляемой мощности в импульсном режиме работы ФАР, величина фазовой ошибки, потери СВЧ
энергии, габариты и вес, надежность и стоимость.
2. Описание работы ФАР, исследуемой в работе
2.1. Конструкция исследуемой антенны
Упрощенная конструкция антенны, исследуемой в данной лабораторной работе, приведена на рис. 8. Она представляет собой плоскостную антенную решетку шестигранной формы отражательного
типа (схема на рис. 5), состоящую из идентичных излучателей и
облучателя в виде пирамидального рупора.
Рабочая длина волны ФАР λ=3,2 см. Излучатели исследуемой
отражательной ФАР − симметричные полуволновые вибраторы
в микрополосковом исполнении. Рефлектором является плоская
металлизированная поверхность управляющего устройства, над
которой располагаются вибраторы на высоте подвеса h= λ/4. Симметричный вибратор методом катодного распыления нанесен на
подложку из поликора с относительной диэлектрической проницаемостью ε ≈ 9. Плечи вибратора подключены к четвертьволновому
отрезку двухпроводной линии, нанесенной на подложку. Продолжением четвертьволновой двухпроводной линии является симметрирующее устройство в виде U-колена, выполненное на той же подложке, но с металлизированной обратной поверхностью. Длина вет17
E
Рис. 8.Шестигранная ФАР отражательного типа с облучателем в виде
пирамидального рупора
вей l1 и l2 U-колена отличается на λ/2, что обеспечивает требуемую
фазу токов в двухпроводной линии передачи на плечах вибратора.
Длина ветви l1 обычно выбирается равной λ/4, при которой она служит трансформатором сопротивлений для согласования входного
сопротивления U-колена с входным сопротивлением четвертьволновой линии, нанесенной на подложке без металлизации обратной
стороны. Вибратор с фазовращателями объединен в модуль.
Типовой модуль такого излучателя приведен на рис. 9. Фазовращатель выполнен на p–i–n-диодах, обозначенных на рис. 9 как «а»
и «б», которые включены в полосковую линию передачи разомкнутую на концах.
Вертикальные полуволновые вибраторы в каждом ряду расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Соседний ряд излучателей смещен относительно предыдущего как бы в шахматном
порядке, располагаясь в углах гексагональной сетки (рис.4, б).
В центральном ряду расположены 13 излучателей с интервалом
d = 2,0 (см). Второй ряд содержит 12 излучателей, смещенных в Еплоскости относительно вибраторов центрального ряда на величину dy = 0,5d = 1,0 (см). Таким образом, в азимутальной плоскости
(Н-плоскость для вибраторов) линейная система состоит из 25 из18
2l
λ
4
l1
l2
S
а
б
Рис. 9.Типовой модуль излучателя исследуемой ФАР
лучателей (13+12), расположенных на расстоянии dy= 1,0 см друг
от друга.
2.2. Диаграмма направленности исследуемой ФАР
Диаграмма направленности двумерной антенной решетки находится суммированием полей от отдельных излучателей. В данной
работе исследуется веерная диаграмма направленности, формируемая линейной системой вибраторов в Н-плоскости. Амплитудная
функция направленности ФАР из идентичных излучателей в Нплоскости, т. е. при j= 90°, получается из поля излучения линейной системы, которое в общем случае имеет вид
EΣ =
n
n
p =
p =
A
∑ E p (θ,j = 90 ) = ∑ r pp f(θ)e
i(ψ сф +ψ комп −ψ−kr p )
,
(14)
где f1(θ) – нормированная функция направленности одного излучателя решетки (вибратора над проводящей поверхностью в Н-плоскости); ψсф – величина задержки по фазе для любого излучателя
АР за счет сферического фронта волны, приходящего от рупорного облучателя; ψкомп – компенсирующая сферический фронт вол19
ны фаза, вводимая фазовращателями АР; ψ – фаза в излучателях
АР, обеспечивающая фазовращателями требуемое отклонение
максимума диаграммы направленности от нормали к оси решетки;
krp – фаза поля волны в дальней зоне от каждого излучателя АР на
расстоянии rp. Амплитудный коэффициент возбуждения p-го излучателя решетки Ap зависит от диаграммы направленности рупорного облучателя f(θ) и расстояний от рупора до излучателей r и ρ.
Диаграмма направленности полуволнового вибратора над проводящей поверхностью может быть рассчитана с использованием
метода зеркальных изображений. Метод заключается в том, что
систему вибратор – земля заменяют системой вибратор – зеркальное изображение вибратора, т. е. получают систему из двух вибраторов. Расстояние между вибратором и его зеркальным изображением равно удвоенному расстоянию высоты подвеса над проводящей
поверхностью d=2h=λ/2, а сдвиг по фазе между их токами ψ=π. Получив систему из двух вибраторов, можно рассчитать ее диаграмму
по формуле (2), которая при этих условиях примет вид:
π
f (θ) ВЗ = f(θ) = sin(kh cos θ) = sin  cos θ , (15)
2

где угол θ отсчитывается от нормали к оси вибратора.
Как видно из (15), при угле θ =0° функция направленности вибратора f1(θ) =1, а при θ = ±60° значение функции направленности
равно 0,707, т. е. диаграмма направленности вибратора над поверхностью экрана широкая. Таким образом, в Н-плоскости АР из вибраторов над экраном может быть рассмотрена как система из ненаправленных излучателей.
Диаграмма направленности АР определяется по теореме перемножения (3) и при питании всех ненаправленных излучателей
синфазно с одинаковой амплитудой тока (поля) ширина на уровне
половинной мощности определится по выражению (10):
3,2
2θ P ≈ 5 
≈ 6,55 .
25 ∗ 2
Соответственно ширина ДН между первыми нулями равна (11):
3,2
2θ P ≈ 5 
≈ 4,8 .
25 ∗ 2
Однако вибраторы отражательной ФАР возбуждаются с неодинаковой амплитудой, так как облучаются пирамидальным рупором, что приведет к расширению главного лепестка и уменьшению
бокового лепестка ДН по сравнению с ДН решетки синфазных излучателей с одинаковой амплитудой тока.
20
На рис. 10 представлены: линейная система полуволновых вертикальных вибраторов, облучаемая диаграммой направленности
пирамидального рупора в Н-плоскости, а также распределения амплитуды поля вдоль линейной системы излучателей (сплошная линия) и функция, аппроксимирующая истинное поле на АР (штрихпунктирная линия).
По аналогии с зеркальной антенной амплитуда поля Ap на излучателях решетки с учетом пространственного коэффициента затухания (расстояния от рупора до центра АР равно r и до любого
вибратора – ρ), диаграммы рупорного облучателя f(θ) и диаграммы
направленности вибратора над проводящей поверхностью f1(θ) =1
может быть рассчитана по выражению:
r
A p = f (θ )f (θ ).
ρ
(16)
Пирамидальный рупор, служащий облучателем исследуемой
ФАР, характеризуется размерами раскрыва ар = 5,6 (см), bр =
= 4,5 (см) и радиальной длиной rр = 3,4 (см). Расстояние от раскрыва рупора до решетки излучателей составляет r = 23,6 (см). Координата на раскрыве равна ρ=rsinθ=y.
Диаграмма направленности рупора в H-плоскости определяется
следующим выражением:
f (θ) =
ka р
sin θ)
+ cos θ
2
⋅
.
2
− ( ka p sin θ) 2
π
cos(
(17)
Амплитудное распределение, формируемое пирамидальным облучателем на раскрыве антенной решетки (рис. 10), может быть аппроксимировано функцией вида
A=
Em
Emax
= A 0 + ( − A 0 )cos(πy ). L
(18)
Здесь координата y меняется от 0 до L/2.
Тогда ДН линейной синфазной системы излучателей при амплитудном распределении поля, спадающем по закону косинуса от
центра к краям до уровня А0, может быть с достаточной степенью
точности описана следующим выражением [6]:
f AP (θ) =
 sin U A  sin(U − π /2) sin(U + π /2)  
+
+
 A0
, (19)
2
U
2  U − π /2
U + π /2  
A 0 + A 
π
21
.
Em
.
E max
1,0
cos(πY/L)
r
ρ E н (Θ)
r
ρ ∆
Y
L
E
Излучатели
1,0
r
ρ
Облучатель
ρΘ
E н (Θ)
0,8
0,6
0,4
0,2
Y
d
Фронт волны облучателя
rр
Рис. 10. Характер амплитудного распределения поля на АР и аппроксимирующая его функция
kL
(sin θ − sin θ 0 ); L = nd – протяжен2
ность линейной системы вибраторных излучателей; k = 2π/λ −
волновое число; λ = 3,2см –рабочая длина волны; θ и θ0 – углы,
отсчитываемые от нормали к оси АР (θо=0, если направление максимального излучения совпадает с нормалью к системе); А0=rΔ/ρ −
равномерная составляющая нормированного амплитудного распределения с учетом ослабления r/ρ; А1=(1−А0)cos(πy/L) – амплитудное распределение поля неравномерной составляющей.
Помимо того, что вибраторы питаются с неодинаковой амплитудой поля, необходимо учесть, что сферический фронт волны, распространяющейся от рупорного облучателя к раскрыву ФАР, достигает вибраторов не одновременно (рис. 10). Поэтому необходимо
сформировать в раскрыве решетки плоский фронт волны.
где введены обозначения U =
2.3. Формирование в раскрыве ФАР плоского фронта волны
Как уже указывалось, на плоский раскрыв решетки от рупорного облучателя приходит волна со сферическим фазовым фронтом.
В этом случае фаза поля на краях раскрыва ФАР будет отставать
22
от фазы по сравнению с центром раскрыва. Если не принять меры с
целью выравнивания фазового фронта падающей волны, то фронт
волны, отраженной от ФАР, также будет сферическим. Для компенсации сферичности необходимо определить фазу падающего от
облучателя поля на каждом модуле ФАР, а затем с помощью фазовращателей установить на каждом излучающем вибраторе такую
же фазу, но с противоположным знаком. Фазы поля падающей волны имеют отрицательную величину (поскольку на краях раскрыва
ФАР отстают от центра), следовательно, всем излучающим модулям ФАР необходимо придать соответствующие положительные
начальные фазовые сдвиги.
Пусть центр раскрыва рассматриваемой плоской ФАР совпадает
с центром прямоугольной системы координат XOY. Облучающий
пирамидальный рупор располагается на расстоянии R = 22,8 (см)
от раскрыва ФАР в точке А (рис. 11, а). Тогда центр сферического фронта падающей волны будет совпадать с точкой О выбранной
системы координат. Фазовое состояние излучающего модуля ФАР,
находящегося в начале системы координат (x = 0, y = 0) примем за
нулевое, т. е. ψо = 0.
Определим фазовое состояние модуля ФАР, находящегося на
краю излучающего раскрыва в точке B с координатами xB, yB. Отставание фазы на излучающем модуле в точке B, как следует из
рис. 11, б, будет равно
– ψсф = k · СВ,
(20)
где k = 2π/λ − волновое число; СВ – разность пути по сравнению с
центром. Следовательно, для компенсации сферичности фронта падающей волны на излучающем модуле в точке В должен быть установлен начальный сдвиг фаз, численно определяемый выражением
(20), но взятый с положительным знаком: ψкомп=–ψсф.
Определим величину отрезка СВ из рис. 11, б следующим образом:
CB = AB – AС = AB – R,
где
2
AB = AO 2 + OB 2 = R 2 + OB 2 , OB = x В2 + y В
,
тогда
2
2
CB = R 2 + x B + y B − R.
Теперь представим координаты излучающего модуля, находящегося в точке В(xB, yB), через порядковые номера излучающих
23
Z
A
а)
б)
A
R
0
B (X B , YB )
Y
0
C
B (X B , YB )
X
Рис. 11.Сферический фронт волны, падающей от облучателя на плоский
раскрыв исследуемой ФАР
модулей и интервалы между ними вдоль соответствующих осей
координат. При этом счет номеров излучающих модулей начнем с
начала координат, т. е. из точки 0 (рис. 11, б). Тогда
xB = mdx, yB = ndy,
где n – порядковый номер излучающего модуля вдоль оси y; m −
порядковый номер излучающего модуля вдоль оси х; dx и dy – расстояния между соседними излучателями вдоль соответствующих
координатных осей.
Таким образом, выражение для отрезка СВ примет вид
CB = R 2 + (md X ) + (nd Y ) − R.
2
2
Отсюда посредством (15) получаем выражение, определяющее
начальный сдвиг фазы на излучающем модуле, расположенном в
точке В,
ψ сф = k( R 2 + (md x ) 2 + (nd y ) 2 − R). (21)
Для плоскости ZOY это выражение можно преобразовать, например, следующим образом при m = 0:
2
2
 


 nd y 
π (nd y )


ψ сф = k( R 2 + (nd y ) 2 − R) = k  R  + 
+
...
−
R
=
.


 
 λ R
2 R 

 

24
Таким образом, выражение (21) позволяет определить фазу волны, которую надо ввести в модули ФАР для компенсации сферического фронта. Результаты расчета функции ψсф для плоскости Н
относительно центрального излучателя приведены в табл. 2 и показаны на рис. 19 в виде параболической кривой.
2.4. Схема и принцип работы фазовращателей
в модулях исследуемой ФАР
Энергия электромагнитного поля волны, падающей от рупорного облучателя, принимается каждым вибратором решетки, а затем
распространяется по четвертьволновой линии, U-колену, а также
по неоднородной разомкнутой на концах полосковой линии S, вводящей эту энергию в фазовращатель модуля (рис.9). Неоднородная
полосковая линия S подобрана с расчетом на согласование волновых сопротивлений U-колена и разомкнутой линии фазовращателя.
Рассмотрим работу фазовращателя, показанного на рис. 12.
Расстояние от точки введения электромагнитной энергии в фазовращатель, т. е. точки «0» до p–i–n-диодов «а» и «б» одинаковое и
равно l. Разомкнутые отрезки левой и правой ветви фазовращателя
L1, L2 отличаются по длине.
L1
L2
а
б
l
0
l
Рис. 12.Схема переключения фазового состояния излучающего модуля
25
Поскольку диоды «а» и «б» включены в разрыв полоскового
проводника, то подключение постоянного напряжения к p–i–n-диодам осуществляет соединение разомкнутых отрезков левой и правой ветвей полосковой линии фазовращателя, т. е. l и L1 (или L2)
(рис. 12). Очевидно, что волны, распространяющиеся от точки «0»
в противоположных направлениях, в зависимости от подачи питания на диоды «а» и «б» проходят различный путь.
Если питание к диоду не подключено, то падающая волна отражается от сечения полосковой линии в точке включения p–i–n-диода, пройдя от точки «0» путь длиной l до диода и l обратно.
Если же к диоду подключено питание, то падающая волна, отражаясь от сечения полосковой линии в точке включения p–i–n-диодов, пройдет путь 2(l + L1) или соответственно 2(l + L2). Волны,
отраженные либо от сечений включения в полосковую линию p–i–
n-диодов «а» и «б», либо от разомкнутых концов полосковой линии фазовращателя, достигнув точки «0», складываются с фазами,
соответствующими пройденной электрической длине пути. Таким
образом, при коммутации питания на диоды «а» и «б» образуется
результирующее напряжение с некоторой амплитудой и фазой, определяемой разницей в электрической длине отрезков 2k(l+L1) и
2k(l+L2).
Пусть U1 и U2 – гармонические напряжения волн, распространяющихся соответственно в направлении p–i–n-диодов «а» и «б»,
а U – результирующее напряжение волны, образующейся при сложении в точке «0» волн, отраженных либо от сечений включения
p–i–n-диодов «а» и «б», либо от разомкнутых концов полосковой
линии фазовращателя. Тогда выражения для U1 и U2 в точке «0» с
учетом фазы падающей и отраженной волн при подключенном на
диоды «а» и «б» питании могут быть записаны в следующем виде:
U = U m cos[ωt + 2k(l + L)],
U2 = U m2 cos[ωt + 2k(l + L2 )],
где Um1 и Um2 –соответственно амплитуды гармонических напряжений U1и U2;
ϕ1 = 2k(l + L1) – результирующая фаза волны, распространяющейся от точки «0» по направлению к диоду «а» и обратно;
ϕ2 = 2k(l + L2) − результирующая фаза волны, распространяющейся от точки «0» по направлению к диоду «б» и обратно.
Таким образом, в рассмотренной схеме фазовращателя можно
получить четыре фазовых состояния волны, определяемых изменением электрической длины левой и правой ветвей полосковой ли26
нии фазовращателя l, L1, L2 путем подключения либо отключения
питания на p–i–n-диодах «а» и «б»..
1. Питание на p–i–n-диоды не подано. При этом падающая волна напряжения, достигнув точки «0», распространяется с равными амплитудами Um1 и Um2 в направлении диодов «а» и «б». При
отключенном питании диодов «а» и «б» в точках их включения
полосковая линия оказывается разомкнутой, и падающая волна
отражается с коэффициентом отражения по напряжению, равным
Г=1. Падающая волна отражается от сечения полосковой линии в
точке включения p–i–n-диода, пройдя от точки «0» путь длиной l
до диода и l обратно. Фаза отраженных от диодов волн в точке «0»
j1 = 2kl = j2.
В результате интерференции отраженных волн в точке «0» фаза
результирующего напряжения U принимает значение ψ = j2 – j1 = 0.
Это фазовое состояние ψ=ψ0 принимаем за исходное на излучающем
модуле.
2. Питание на p−i−n-диоды «а» и «б» подано, что соответствует
обеспечению непрерывности левой и правой ветвей полосковой линии фазовращателя, характеризующихся электрическими длинами k(l + L1) и k(l + L2) соответственно. Отличие в длинах L1 и L2 =
= (L1+ΔL) выбрано таким образом, чтобы фаза результирующего
напряжения U при сложении волн в точке «0» принимала бы значение ψ=j2 – j1= 90°(4n+1), где n = 0, 1, 2,... − целое число. Это условие выполняется, если разность фаз отраженных волн ψ = j2 – j1 =
= 2 k(l + L2) – 2 k(l + L1) = 2 k(L2 – L1) = 2kΔL. Нетрудно получить,
что разница в длине отрезков ΔL =λ (4n+1)/8.
При n=0 наименьшее значение равно ΔL = λ/8, а фаза ψ = π/2.
3. Питание подключено к p−i−n-диоду «а», на p−i−n-диод «б» питание не подано. В этом случае падающая волна, распространяющаяся по левой ветви, отражается от разомкнутого конца L1, а в
правой ветви отражение возникает в разомкнутом сечении линии,
соответствующем точке включения p−i−n-диода «б». Отраженные
волны при интерференции в точке «0» образуют результирующее
напряжение с фазой ψ= 2k(l + L1)–2kl = 2kL1=π(2n + 1), n = 0, 1,2,...
При n=0 наименьшее значение равно L1 = λ/2, а фаза ψ = π.
4. Питание подключено к p−i−n-диоду «б», на p−i−n-диод «а»
питание не подано. В данном случае падающая волна, распространяющаяся по левой ветви полосковой линии, отражается от сечения линии, определенного точкой включения p−i−n-диода «а», а в
правой ветви отраженная волна возникает от разомкнутого отрезка
L2. В результате сложения отраженные волны образуют в точке «0»
результирующее напряжение с фазой
27
ψ=
3π  4

 n + .
2 3

Несложно получить из соотношения ψ= j2 – j1 = 2 k(l + L2) – 2 kl =
= 2 kL2, что длина плеча равна
3 4
L2 = λ  n + .
8 3

При n=0 наименьшее значение равно L2 = 3λ/8, а фаза ψ = 3π/2.
В результате получили при n=0, что отрезок линии L2 короче отрезка L1 на λ/8.
Все возможные фазовые состояния отдельного излучающего модуля при различных комбинациях подключения управляющего
напряжения на p−i−n-диоды фазовращателя сведены в табл. 1.
Таблица 1
Варианты подключения управляющего
напряжения на p–i–n-диоды
p–i–n-диод «а»
p–i–n-диод «б»
0
+
+
0
0
+
0
+
Фазовые состояния излучающего
модуля
0
90°
180°
270°
Расчет электрической длины отрезков l, L1, L2 полосковой линии фазовращателя необходимо производить, исходя из учета эффективной диэлектрической проницаемости подложки


h
ε эф = 0,5  + ε + (ε − )( + 0 ) −  ,
w 

где h = 0,5 (мм) – толщина подложки, выполненной в данном случае из поликора, имеющего относительную диэлектрическую проницаемость ε = 9; w = 1,0 (мм) – ширина полоскового (токоведущего) проводника.
Исследуемая схема излучающего модуля с приведенными данными характеризуется εэф = 6,63.
На рис.13 представлен график, определяющий соответствие
значения требуемой компенсирующей фазы на излучающем модуле порядковому номеру модуля, построенный в плоскости А0Y.
Рассчитанные в соответствии с (21) фазы ψсф для четверти излучающего раскрыва приведены в табл. 3 (в верхней части ячеек).
28
Ψ, рад
2π
7π
4
3π
2
Ψn = 3π
2
5π
4
π
Ψn = π
3π
4
π
2
Ψn = π
2
π
4
0
Ψn = 0
2
4
6
8
10
n
12
Рис. 13.График, определяющий соответствие компенсирующей фазы порядковому номеру модуля, и реализуемая дискретная характеристика
Поскольку дискретное значение фазы фазовращателя на каждом из излучающих модулей ФАР составляет величину π/2, то,
очевидно, что точно реализовать параболический закон распределения компенсирующих фаз по раскрыву ФАР невозможно. Поэтому
фазовое распределение ψ комп = ψn = –ψсф в раскрыве исследуемой
ФАР устанавливают посредством дискретной ступенчатой характеристики (рис. 13), исходя из следующих условий, приведенных в
табл. 2.
Таблица 2
Требуемое значение
фазы в раскрыве, рад
Требуемое значение
фазы в раскрыве, град
Реализуемое дискретное
значение фазы, град
0 < ψ < π/4
0 < ψ < 45°
ψn = 0°
π/4 < ψ < 3π/4
450 < ψ < 135°
ψn = π/2=90°
3π/4 < ψ < 5π/4
1350 < ψ < 225°
ψn = π=180°
5π/4 < ψ < 7π/4
2250
< ψ < 315°
ψn = 3π/2=270°
Из-за невозможности точно реализовать требуемую фазу на
раскрыве посредством дискретных фазовращателей сферический
фронт волны совмещается с плоскостью раскрыва решетки с известной погрешностью. В табл. 3 представлено распределение фаз электромагнитного поля на излучателях ФАР (для правой половины
раскрыва). В каждой из ячеек табл. 3 записано по два числа: первое
(наверху) представляет собой сдвиг фаз в определенном излучателе,
отличающийся от фазы поля центрального излучателя по причине
сферического фронта падающей волны; второе (внизу) − вводимый
29
посредством фазовращателя дискретный сдвиг фазы для выравнивания фазового фронта; n = (–12…0…12) = 25 – число излучателей
Таблица 3
nm
0
0
0°
0°
9°40′
0°
6
8
153°
180°
10
323°
0°
283°
270°
259°
270°
250°
270°
261°
270°
287°
270°
11
12
193°
180°
178°
180°
234°
270°
278°
270°
228°
270°
177°
180°
197°
180°
9
192°
180°
122°
90°
124°
90°
7
252°
270°
148°
180°
116°
90°
6
243°
270°
173°30′
180°
85°
90°
67°40′
90°
5
120°
90°
66°40′
90°
87°
90°
4
111°
90°
38°
0°
38°50′
0°
5
3
65°
90°
29°
0°
3
4
2
28°30′
0°
9°30′
0°
1
2
1
330°
0°
в центральной горизонтальной линейной системе ФАР; m = 7 – число горизонтальных линеек в решетке; центральному излучателю
ФАР соответствуют n = 0 и m = 3.
2.5. Реализация требуемого фазового распределения
в раскрыве ФАР
Для отклонения в горизонтальной плоскости максимума ДН
ФАР, на угол θ0 от нормали к плоскому раскрыву ФАР необходимо
повернуть фазовый плоский фронт волны на угол θ0, отсчитываемый
от продольной оси линейной системы излучателей (рис. 14). Для этого необходимо рассчитать требуемый фазовый сдвиг на каждой из 25
вертикальных линейных систем излучающих модулей ФАР.
30
Θ0
Θ0
А
dy
В
Y
-12 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 12
Рис. 14.Поворот плоского фронта волны в раскрыве ФАР и отклонение
ДН от нормали к поверхности раскрыва на некоторый угол θ0
Будем считать, что фазовый сдвиг излучающих модулей центральной вертикальной линейки (n = 0, m = 3) равен нулю. Требуемый фазовый сдвиг тока (на некоторой произвольной линейке модулей с номером n) равен ψ(n) = k · АВ, как следует из рис.14. Выразим величину отрезка АВ из прямоугольного треугольника АОВ
следующим образом: АВ = ВО · sinθ0,
где ВО = ndy, dу = 1,0 (см).
Отсюда следует, что сдвиг фаз, устанавливаемый на линейке с
номером n, составит
ψ(n) =
2π
nd y sin θ 0.
λ
(22)
Сдвиги фаз, которые должны устанавливаться на линейках излучающих модулей ФАР при отклонении луча ДН на углы θ0 = 10°,
20° и 30°, рассчитанные по (18) для половины раскрыва ФАР, приведены в табл. 4.
Поскольку фазовращатели излучающих модулей ФАР имеют
дискретное приращение фазы, требуемые и рассчитанные по (21)
фазовые сдвиги округляются до ближайших дискретных значений фазовращателей ψn, кратных π/2, согласно табл. 2. В каждой
из ячеек табл. 4 записано по два числа: первое (наверху) представляет собой сдвиг фаз в определенной линейке излучателей; второе
(внизу) − вводимый посредством фазовращателя дискретный сдвиг
фазы. Таким образом, фазовое распределение в раскрыве исследуемой ФАР реализуется посредством дискретных фазовращателей и
31
Таблица 4
θ0
10°
20°
30°
θ0
10°
20°
30°
ψ/n
0
1
2
3
4
5
6
ψ(n),°
0
20,5
39,2
59,6
78,1
98,7
117
ψn,°
0
0
0
90
90
90
90
ψ(n),°
0
38
77
115
154
192
231
ψn,°
0
0
90
90
180
180
270
ψ(n),°
0
56
1,3
169
225
281
338
0
ψn,°
0
90
90
180
180
270
ψ/n
7
8
9
10
11
12
ψ(n),°
137
156
176
195
215
234
ψn,°
180
180
180
180
180
270
ψ(n),°
269
308
346
25
63
102
ψn,°
270
270
0
0
90
90
ψ(n),°
34
90
146
203
259
315
ψn,°
0
90
180
180
270
270
представляет собой ступенчатую ломаную линию (рис. 13 и рис. 14).
Дискретные значения фазы, соответствующие каждой из линеек
излучающих модулей ФАР (для правой половины раскрыва) для
углов сканирования θ0 =10°, 20°, 30° также приведены в табл. 4.
Для линеек модулей ФАР, расположенных по другую сторону от
центральной вертикальной линейки, фазовые сдвиги необходимо
устанавливать с отрицательным знаком. Для отрицательных значений n (левая половина линейки) фазу можно найти по формуле
ψ −n = 360  − ψ n. (23)
Например, для отклонения ДН ФАР на угол θ0 = 30° линейной
системе модулей с порядковым номером n = 1 необходимо придать
фазовый сдвиг ψ1 = 90° (табл. 3). Следовательно, симметричная ей
относительно центральной линейки линейная система модулей
должна иметь сдвиг фаз ψ–1 = –90° или ψ–1 = 270°.
Реализовать требуемое фазовое распределение на раскрыве ФАР
можно при помощи пульта управления излучающими модулями,
схема которого описана в соответствующем разделе.
3.Функциональная схема лабораторной установки
3.1. Описание работы функциональной схемы
Функциональная схема лабораторной установки, предназначенной для исследования ФАР, представлена на рис. 15. Схема состо32
8
9
2
3
1
4
5
6
7
Рис. 15.Функциональная схема лабораторной установки
ит из следующих функциональных элементов: 1 − решетка вибраторных излучателей; 2 − пирамидальный рупорный облучатель;
3 – пульт управления излучающими модулями ФАР; 4 – источник
питания для пульта управления излучающими модулями; 5 – СВЧ
генератор; 6 – электродвигатель; 7 – пульт управления электродвигателем; 8 – измерительный усилитель; 9 – индикаторный рупор.
Исследуемая антенна представляет собой шестиугольную ФАР
из 125 излучающих модулей (полуволновых вибраторов с фазовращателями), расположенных в шахматном порядке на расстоянии
λ/4 от металлического экрана, выполняющего функцию рефлектора. Генератор СВЧ колебаний 5, работающий на длине волны
λ = 3,2 (см), через вращающееся сочленение подключен к рупорному облучателю 2. Антенная решетка вибраторных излучателей
1 принимает электромагнитные волны от рупора 2. Принятый сигнал проходит через фазовращатель и пульт 3 управления модулями ФАР, отражается в определенной фазе и излучается решеткой в
свободное пространство обратно, формируя требуемую диаграмму
направленности.
Пульт управления 3 излучающими модулями ФАР совместно с
источником питания 4 предназначен для формирования в раскрыве антенной решетки плоского фронта волны, а также для обеспечения его поворота в пространстве на заданный угол при осуществлении дискретного фазового управления ДН ФАР. Для измерения
ДН в горизонтальной плоскости исследуемая ФАР установлена на
поворотном основании, к которому подключен электродвигатель 6
33
и пульт управления 7. В лабораторной установке предусмотрены
несколько режимов работы электродвигателя, которые обеспечивают следующие возможности: 1) равномерное автоматическое вращение антенны в горизонтальной плоскости; 2) поворот антенны
на заданный угол, отсчитываемый от нормали к поверхности раскрыва ФАР. Переключение режимов осуществляется посредством
переключателя «Автом.» − «Ручн.». При нажатии кнопки «Пуск»
подается питание на электродвигатель и антенна поворачивается
на угол, отсчитываемый по специальной угломерной шкале. Для
поворота ФАР в противоположном направлении предусмотрен тумблер «Реверс». Кроме того, для исследования диаграммы направленности ФАР, используется индикаторный рупор 9, расположенный в дальней зоне, а также измерительный усилитель 8, имеющий
стрелочный индикатор.
3.2. Описание принципиальной схемы пульта управления
излучающими модулями ФАР
Пульт управления излучающими модулями исследуемой ФАР
обеспечивает возможность реализации: 1) постоянной корректировки сферичности фазового фронта волны в раскрыве ФАР; 2) поворота сформированного плоского фронта волны на заданный угол.
В Е-плоскости излучающие модули ФАР соединены в линейки
и для поворота плоского фронта волны в горизонтальной плоскости
изменяется фазовое состояние сразу всей линейки с помощью трех
переключателей. Схема управляющего пульта содержит 25 групп
переключателей, по три переключателя в каждой группе, для 25
вертикальных линейных систем излучающих модулей ФАР.
На рис. 16 приведена принципиальная схема управления центральной линейки ФАР (n = 0). Она состоит из семи излучающих
модулей. Пунктиром показан восьмой модуль ФАР с постоянным
корректирующим сдвигом фаз ψm = 180° и его включение.
Каждому из семи модулей, показанных на рис. 16, соответствует пара p−i−n-диодов (с левой стороны Дл и с правой стороны Дп).
Диоды должны подключаться к переключателям П1 – П3, которые
могут занимать положение «0» (влево) и положение «1» (вправо),
обеспечивая выполнение следующих условий:
1. Коррекции сферичности фазового фронта падающей от облучателя волны в соответствии с табл. 3.
2. Возможности реализации на модуле любого из четырех предусмотренных фазовых состояний (табл. 2) в зависимости от поданного управляющего напряжения.
34
o
Ψm = 180
o
Ψm = 270
o
Ψm = 90
Ψm = 0
o
Ψm = 90
o
o
Ψm = 270
R1 R2 R3 R4
"1"
R5 R6
"0" "1" "0"
"1"
+
– 1,4 В
П3
П2
П1
"0"
Рис. 16.Принципиальная схема центральной линейки ФАР
3. При переключении переключателей П1 – П3 в порядке, указанном в табл. 5, фаза каждого излучающего модуля в рассматриваемой линейной системе должна изменяться на 90°. В табл. 5 приведены значения управляющего напряжения на парах диодов и соответствующие фазовые состояния ψ на каждом модуле при наборе
переключателями соответствующего кода. Код «000» соответствует
положению «влево» всех трех переключателей П1 – П3 на рис. 16.
Таблица 5
Код 000
№
пар
8
7
6
5
4
3
2
1
Напряжение на
диодах
Дл
Дп
+
0
+
0
0
0
+
0
0
+
+
0
0
0
+
+
ψ,
град
180
270
90
0
0
0
90
270
Код 001
Напряжение на
диодах
Дл
Дп
+
0
+
0
0
0
+
0
+
0
0
+
+
+
0
0
ψ,
град
90
0(360)
180
270
270
270
180
0(360)
Код 110
Напряжение на
диодах
Дд
Дп
0
+
0
+
+
+
0
+
0
+
+
0
0
0
+
+
ψ,
град
0
90
270
180
180
180
270
90
Код 101
Напряжение
ψ,
на
град
диодах
Дл
Дп
+
0
+
0
0
0
0
+
+
0
0
+
+
+
0
0
90
0
180
270
270
270
0
180
35
Рассмотрим, например, модуль с координатами n = 0 и m = 6.
При этом число m = 6 соответствует паре диодов под номером 7 в
табл.5. Из табл. 3 находим, что для коррекции сферичности фронта волны этому модулю необходимо придать постоянную фазу ψm =
= 270°. Теперь допустим, что для поворота плоского фронта волны
ФАР на некоторый угол, необходимо придать фазу всей линейке
ψлин = 90°. Для этого фазовое состояние рассматриваемого модуля
при сохранении коррекции сферичности должно быть равным
ψмод = ψm + ψлин = 270° + 90° = 360° = 0°,
т. е. должно возрасти на 90°.
Как видно из схемы на рис. 16 и табл. 5, при условии набора с
помощью переключателей П1 – П3 кода 001 первый p–i–n-диод
модуля с координатами n = 0, m = 6 остается отключенным, а второй – отключается. Таким образом, фазовое состояние модуля соответствует нулевому значению (табл. 1).
Аналогично включаются и работают все остальные излучающие
модули, обеспечивая необходимый сдвиг по фазе в линейке ФАР
согласно табл.6
Таблица 6
Код, набор которого осуществляется
переключателями П1 – П3
000
001
Сдвиг фаз, устанавливаемый на линейке ФАР
0°
90°
110
101
180° 270°
Диоды работают при отпирающем напряжении U0 = 0,8 В. На
рис. 17, где представлены вольтамперные характеристики p–i–n-диI, mA
U
R
I'2
I2
I1
I'1
U, В
0,8
1,4
Рис. 17.Вольтамперные характеристики p–i–n-диодов
36
одов, видно, что разброс токов, текущих через открытый p–i–n-диод,
может достигать значительной величины: ∆I′ = I′2 – I′1. Это отрицательно оказывается на фазовых характеристиках модуля ФАР и на
сроках службы диодов. Для устранения этого недостатка вводятся
ограничительные сопротивления R1 − R6, а напряжение питания
увеличивается до 1,4 В, вследствие чего разброс токов p–i–n-диодов
значительно уменьшается: ∆I′ > ∆I = I2 – I1.
Величину ограничительных сопротивлений для различных
групп p–i–n-диодов можно рассчитать по формуле
R=
Uп − U0
,
mI 0
где Uп = 1,4 В – напряжение питания; U0 = 0,8 В – падение напряжения на открытом p–i–n-диоде; I0 = 100 мА – средний ток, протекающий через p–i–n-диод; m – количество p–i–n-диодов, включенных параллельно.
4. Порядок выполнения лабораторной работы
4.1. Исследования, выполняемые в ходе лабораторной работы
Экспериментальные исследования включают в себя измерение
ДН ФАР в горизонтальной плоскости для следующих значений
угла отклонения максимума главного лепестка ДН от нормали к
поверхности раскрыва ФАР: θ0 = 0°, 10°, 20° и 30°.
Теоретические исследования включают в себя:
1. Расчет ДН рупорного облучателя в соответствии с выражением (17).
2. Расчет ДН вибраторного излучателя над проводящей поверхностью в соответствии с выражением (15).
3. Расчет распределения амплитуды поля в Н-плоскости на раскрыве ФАР в соответствии с выражением (16).
4. Расчет теоретической аппроксимирующей функции в соответствии с выражением (18).
5. Расчет диаграммы направленности ФАР в соответствии с выражением (19) при синфазном возбуждении, с использованием числовых значений n = 25 − количество элементарных излучателей в
горизонтальной линейке ФАР, λ = 3,2 (см) – рабочая длина волны;
d = 1,0 (см) – расстояние между соседними излучателями.
6. Расчет ширины диаграммы направленности главного лепестка в соответствии с выражением (13) для углов сканирования θ° =
= 0°, 10°, 20° и 30°.
37
4.2. Порядок выполнения экспериментальных исследований
1. Включить генератор СВЧ, измерительный усилитель, источники питания. На пульте управления ФАР включить тумблер
«Сеть». Дать прогреться приборам в течение 10–15 минут.
2. Установить все переключатели пульта управления в исходное
положение (код 000, все тумблеры опущены вниз). При этом все излучатели возбуждаются с одинаковой фазой поля и антенна формирует диаграмму, максимум которой направлен перпендикулярно
плоскости решетки θ0 = 0°.
3. Вращая антенну, оценить по измерительному усилителю
ширину диаграммы направленности между первыми нулями и
выбрать шаг измерений (примерно 2°), чтобы относительно максимума в главном лепестке получить в каждую сторону три-четыре значения. Вне главного лепестка шаг измерений можно увеличить до 5°−10°. Измерить ДН синфазной ФАР. Измерения занести в табл. 7. По измеренным данным построить нормированную
диаграмму направленности в декартовой системе координат по
полю.
Таблица 6
θ,°
–90
–80
–10
–4
–2
0
2
4
10
80
90
α, дел.
α/α max
θ − текущий угол, отсчитываемый от нормали к поверхности
раскрыва ФАР;
α, дел − показания стрелочного индикатора на измерительном
усилителе;
αmax, дел − максимальное показание стрелочного индикатора.
4. Измерить ДН ФАР при условии отклонения максимума ДН
на угол θ0 = 10°. Для этого установить фазовые сдвиги на линейных системах излучающих модулей ψn в соответствии с табл. 4.
Требуемая величина фазового сдвига на каждой из линеек устанавливается при помощи переключателей пульта управления по
табл. 5, определяющей соответствие между кодами, набираемыми посредством переключателей П1 – П3 и фазовыми состояниями линеек излучающих модулей. Для отрицательных значений
n (левая половина линейки) фазу можно определить по формуле
ψn = 2π–ψn (см. табл. 4). Шаг измерений выбрать таким же, как в
предыдущем пункте. Измерения свести в таблицу, аналогичную
табл. 6.
38
5. Измерить ДН ФАР при условии отклонения максимума ДН на
угол θ0 = 20° и 30°, повторив п. 4.
4.3. Содержание отчета по лабораторной работе
1. Цель работы.
2. Функциональная схема и описание лабораторной установки.
3. Основные рабочие формулы, используемые при проведении
теоретических исследований.
4. Теоретические исследования должны содержать расчеты, перечисленные в разд. 4.1. Результаты расчетов должны быть представлены в виде таблиц и графиков в декартовой системе координат.
5. Результаты экспериментального исследования ФАР, представленные в виде таблиц, аналогичных табл. 6, и нормированных
ДН по полю в декартовой системе координат для углов отклонения
ДН θ0 = 0°, 10°, 20° и 30°.
6. Анализ полученных экспериментальных данных и результатов теоретических расчетов ДН ФАР, выводы о проделанной лабораторной работе.
4.4. Контрольные вопросы
1. Как рассчитать ДН линейной антенной решетки?
2. Сформулируйте теорему перемножения и расскажите, как Вы
ее применяете в данной лабораторной работе?
3. Как определить направление максимального излучения линейной решетки ненаправленных излучателей?
4. Перечислите способы управления лучом ДН, формируемой
антенной системой, в пространстве.
5. В чем заключаются преимущества фазового управления лучом ДН?
6. Как зависит ширина диаграммы направленности решетки от
числа излучателей и расстояния между ними?
7. Как выбрать расстояние между излучателями, чтобы не возникали дифракционные лепестки?
8. Какие требования необходимо выполнять, для того, чтобы
дифракционные максимумы отсутствовали в секторе сканирования ДН ФАР?
9. Перечислите основные типы ФАР.
10. Назовите наиболее распространенные способы питания излучателей ФАР.
11. Как работает антенная решетка отражательного типа?
39
12. Что такое плоскостная решетка и как располагаются излучатели?
13. Какие преимущества дает гексагональная сетка расположения излучателей?
14. Как рассчитать диаграмму направленности симметричного
полуволнового вибратора над поверхностью экрана в Е и Н-плоскостях?
15. Как зависит диаграмма направленности вибратора от высоты подвеса над экраном?
16. Как рассчитать диаграмму направленности рупорного облучателя в Е и Н-плоскостях?
17. Как рассчитать поле на раскрыве решетки в Н-плоскости?
18. Как влияет закон распределения амплитуды поля на раскрыве на ДН?
19. Какова фаза волны, падающей от рупорного облучателя на
решетку?
20. Как обеспечить в раскрыве решетки плоский фронт волны?
21. Каков принцип работы волноводного фазовращателя с ферритовым стержнем?
22. Каков принцип работы фазовращателя, выполненного на
p−i−n-диодах?
23.В чем заключается принцип дискретного фазового управления лучом ДН ФАР? В чем состоят его достоинства и недостатки?
24. Принцип действия излучающего модуля ФАР.
25. Принцип действия фазовращателя в излучающем модуле
ФАР.
26.Каковы возможные фазовые состояния излучающего модуля
ФАР.
27.Функциональная схема и описание лабораторной установки.
28. Принцип работы управляющего пульта лабораторной установки, предназначенной для исследования ДН ФАР.
Библиографический список
1. Воскресенский Д. И., Гостюхин В. Л., Грановская Р. А. и др.
Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток/под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радио и связь.
1981. 431 с.
2. Левин М. А., Ильин В. Е. Современные истребители. Энциклопедия техники. М.: Техника молодежи. ХОББИКНИГА. 1994.
288 с.
40
3. Драбкин А. Л., Зузенко В. Л., Кислов А. Г. Антенно-фидерные
устройства. М.: Советское радио. 1974. 535 с.
4. Никитин Б. Т., Храмченко Г. Н. Основы теории фазированных антенных решеток: учеб. пособие/СПГААП. 1995. 128 с.
5. Финкельштейн М. И. Основы радиолокации. М.: Радио и
связь. 1983. 436 с.
6. Справочник по радиолокации/под ред. К. Н. Трофимова. М.:
Советское радио. Т. 2. 1977. 408 с.
41
Содержание
Исследование фазированной антенной решетки...................... 3
1. Основные характеристики антенных решеток..................... 3
1.1. Анализ диаграммы направленности линейной АР......... 3
1.2. Схемы построения ФАР.............................................11
2. Описание работы ФАР, исследуемой в работе.......................17
2.1. Конструкция исследуемой антенны.............................17
2.2. Диаграмма направленности исследуемой ФАР..............19
2.3. Формирование в раскрыве ФАР плоского фронта
волны.....................................................................23
2.4. Схема и принцип работы фазовращателей в модулях
исследуемой ФАР.....................................................25
2.5. Реализация требуемого фазового распределения
в раскрыве ФАР.......................................................31
3.Функциональная схема лабораторной установки..................33
3.1. Описание работы функциональной схемы....................33
3.2. Описание принципиальной схемы пульта управления
излучающими модулями ФАР....................................34
4. Порядок выполнения лабораторной работы.........................37
4.1. Исследования, выполняемые в ходе лабораторной
работы.....................................................................37
4.2. Порядок выполнения экспериментальных исследований......................................................................38
4.3. Содержание отчета по лабораторной работе..................39
4.4. Контрольные вопросы...............................................39
Библиографический список..................................................40
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
718 Кб
Теги
fedorov, lab, fazirov, reshetki, ante, issledov, rab
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа