Семинар № 13. Проектирование передающих АФАР
Основной характеристикой передающих АФАР является их энергетический потенциал
Ппрд = PG = p0 gN 2 , |
(1) |
где p0 - мощность, излучаемая в каждом канале, значение |
p0 определяется |
существующей элементной базой (транзистором выходного каскада) в заданном частотном диапазоне; N - количество элементов; g - минимальное усиление излучателя в заданном секторе сканирования; величина g может быть определена из следующего соотношения:
g = |
4πS |
0 |
σA , |
(2) |
|
2 |
|
|
|||
|
λ |
|
|
|
|
где S0 - площадь, занимаемая излучателем; |
λ - рабочая длина волны; |
σ - коэффициент |
|||
использования площади для данного типа решетки и соответствующего амплитудно- фазового распределения по апертуре; A - коэффициент, меньший единицы, обусловливающий падение усиления элемента в заданном секторе сканирования (обычно принимается равным 0,5).
Для квадратного расположения излучателей в решетке S0 = d 2 , где d - межэлементное расстояние, которое в свою очередь определяется из соотношения
|
|
|
|
|
d ≤ |
|
|
λ |
, |
|
|
|||
|
|
|
|
|
sin θд + sin θск |
|
|
|
||||||
где θд - |
угловое положение дифракционного максимума; θск |
- максимальное значение |
||||||||||||
угла сканирования. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для |
малых |
секторов сканирования |
|
|
ДН |
|
элемента |
решетки |
можно |
|||||
проаппроксимировать следующей зависимостью: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
f (θ)= cosα (θ). |
|
|
|
|
|
(3) |
|
||||
В этой формуле показатель степени α |
может быть определен из условия падения |
|||||||||||||
усиления излучателя на краю сектора сканирования θск |
на 3 дБ (в два раза по мощности): |
|||||||||||||
|
|
f 2 (θ |
ск |
)= cos2α (θ |
ск |
)= 1 |
2 |
. |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Отсюда, предварительно взяв логарифм от обеих частей, получим окончательно:
α = |
1 |
|
lg 0,5 |
|
|
2 |
|
. |
(4) |
||
lg(cos θск ) |
|||||
Значение θд определяется |
из |
тех соображений, |
что при отклонении основного |
||
лепестка на предельное значение θск дифракционный максимум подавляется ДН элемента на (3 дБ) до допустимого УБЛ t:
f 2 (θд )= cos2α (θд )≤ t .
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Отсюда может быть найдено предельное значение qд :
qд = arccos(2α |
|
). |
(5) |
t |
Для заданных УБЛ, меньших чем –13,2 дБ, обычно используется амплитудное распределение по раскрыву типа “косинус на пьедестале”:
I(z)= 1+ D cos(2pz
L), z £ L
2 .
Изменяя значение , можно снизить уровень наибольшего бокового лепестка (дБ) до
значений
t » -(13 +13D + 22D2 ).
При этом ширина луча по половинной мощности определяется по формуле
Dq0,5 » (1 + 0,636D2 )× 51ο l L ,
а значение усиления находится из условия
|
|
G0 |
|
G = |
|
|
. |
|
2 |
||
1 |
+ 0,5D |
||
p0
1
. |
|
|
. |
|
|
. |
p0 |
|
N |
|
|
|
|
|
k p
ФВ |
. |
. k p
. |
ФВ |
.
. N
.
Возбудитель, k p
Рис.1. Схема передающей АФАР
Схема простейшей передающей АФАР изображена на рис.1. Специфической
особенностью передающей АФАР является наличие относительно маломощных усилителей мощности в выходных модулях и возбудителях. При этом может возникнуть ситуация (при достаточно больших значениях N), что мощности, поступающей на вход каждого модуля, не хватает для его возбуждения в режиме насыщения. В этом случае
предусматривается разбиение АФАР на подрешетки с применением в каждой из них промежуточных усилителей, т.е. получается как бы схема “активной” разводки (рис.2).
Для повышения надежности проектируемой АФАР число n обычно выбирается по значению порядка (0,1 ¸ 0,2)N .
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
p0 |
k p1 |
|
k p2 |
|||
1 |
|
|
ФВ |
|
|
|
|
|
|
|
|||
... p |
0 |
k ... |
.. . |
Dn |
|
|
|
||||
|
|||||||||||
|
|
|
p1 |
|
|
|
|
|
|
||
N |
|
|
|
|
ФВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
. . . |
|
|
|
|
|
. . . |
. . . |
|
|||
N− n +1 |
p |
0 |
k p1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
k p2 |
||||||||
|
|
|
|
|
ФВ |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
... p |
0 |
k ... |
.. . |
Dn |
|
|
|
||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
p1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
ФВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Возбудитель
DN
n
Рис.2. Схема “активной” разводки передающей АФАР
Пример. Спроектировать передающую АФАР со следующими параметрами:
Ппрд ³ 60 дБ
Вт; qск = ±20ο; p0 = 6 Вт; k p =17 дБ;
l =10 см; Lфв » 2 дБ; Lдел0 » 0,3дБ; Lкаб0 »1,5 дБ
м.
Нарисовать схему разводки.
Решение. 1. Проектирование начнем с определения межэлементного расстояния с учетом заданного сектора сканирования. Для этого воспользуемся формулами (4) и (5) и тем обстоятельством, что если не заданы дополнительные требования на УБЛ, то
предполагается, что t ≤ −13,4 дБ; a = |
1 lg 0,5 |
» 5,55; qд = arccos(11,1 |
|
» 40,7), |
||||||
0,0457 |
||||||||||
|
|
|
|
|||||||
2 lg(cos 20°) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
окончательно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d £ |
l |
|
»10,0 см |
(d » l). |
|||||
|
|
|||||||||
|
sin 20ο + sin 40,7ο |
|||||||||
2. |
Минимальное усиление излучателя в заданном секторе сканирования определим из |
||||||||||
формулы (2), предполагая ориентировочное значение КИП σ ≈ 0,7 и значение A = 0,5 : |
|||||||||||
|
|
|
g = |
|
4pl2 |
´ 0,7 ´ 0,5 » 4,4 ед. |
|||||
|
|
|
2 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
3. |
Воспользуемся формулой (1) для определения количества элементов |
||||||||||
проектируемой АФАР: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N = |
Ппр |
|
= |
|
|
106 |
|
»194,6 Þ N =196 . |
||
|
p0 g |
|
|
6 ´ 4,4 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Здесь проведено округление полученного значения до ближайшего “удобного” числа.
Таким образом, поскольку сектор сканирования - конус с углом раствора 40ο, конфигурацию решетки выбираем квадратной размерностью 14×14 элементов. Размер апертуры решетки 140×140 см.
Один из вариантов схемы возбуждения проектируемой АФАР изображен на рис.3.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
ПМ
1 
ФВ
.. . ПМ
14 |
ФВ |
. . .
ПМ
183
ФВ
.. . ПМ
196
ФВ
. . . . . . . . .
ПМ1
16
. . .
ПМ1
16
Возбудитель
16
Рис.3. Вариант схемы возбуждения проектируемой АФАР
Вся решетка разбивается на 14 подрешеток по 14 элементов в каждой. Каждая подрешетка 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 компенсировать потери в схеме разводки от ПМ1 до усилителя мощности ПМ.
Потери в схеме разводки складываются из потерь в фазовращателе Lфв , потерь в кабеле Lкаб , омических потерь 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 k p ³17 дБ. |
Отсюда |
делаем вывод о практической реализуемости схемы возбуждения АФАР, изображенной на рис.3.
Задание 1. Спроектировать передающую АФАР со следующими параметрами:
Ппрд ³ 60 дБ Вт; qск X |
= ±30ο; qскY = ±10ο; p0 =1Вт; |
f =10 ГГц; k p ³ 20 дБ; |
t £ -13,4 дБ. |
Нарисовать и обосновать схему возбуждения АФАР.
Задание 2. Рассчитать электрические параметры передающей АФАР, имеющей следующие характеристики:
S = 3м2 ; qск = ±40ο; p0 =1Вт; f =10ГГц; t £ -20 дБ.
Определить Ппрд , N, G.
Литература
1. Чистюхин В.В. Антенно-фидерные устройства. - М.: МИЭТ, 1997. - С. 183 - 193.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com