Методички по лабам СПК 8 сем / 6_ДИНАМИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ

Лабораторная работа №6

ДИНАМИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ

Цель работы: ознакомление с методами временной модуляции параметров антенных решеток и исследование характеристик устройств управления положением фазового центра.

Лабораторная установка

Лабораторная установка (рис.1) состоит из генератора СВЧ (1), исследуемого фрагмента динамической антенны (2), измерительного зонда (3) и осциллографа (4). В качестве фрагмента динамической антенны используется 8-элементная линейная решетка 3-см диапазона с автоматическим сканированием (управлением положения) фазового центра.

2 3

1

4

ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОСОБЕНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ АНТЕНН

В современных антенных устройствах все шире используется последние достижения электроники, полупроводниковой техники, теории информации, теории систем управления и т. д. Наблюдается тенденция органического слияния собственно антенн, передающих и приемных устройств и систем обработки сигналов.

Характеристики обычных антенн не зависят от методов последующей обработки принятого сигнала и определяются лишь их электродинамическими свойствами. Существует, однако, большой класс антенн, в которых принятый сигнал подвергается специальной обработке для увеличения количества извлекаемой информации о его пространственных свойствах или для улучшения чисто антенных параметров.

Методы обработки сигналов, применяемые в антеннах упомянутого класса, довольно разнообразны. К ним относятся: временная модуляция антенных параметров с последующей фильтрацией сигнала на выходе; нелинейная обработка сигнала, т. е. перемножение сигналов от нескольких источников или возведение их в степень; согласованная фильтрация широкополосных сигналов; самофокусировка, т.е. установка амплитудно-фазовых соотношений между излучающими элементами с помощью обратной связи; когерентно-оптическая и голографическая обработка. В ряде антенных устройств применяется комбинация указанных методов. Достаточно подробная классификация типов антенн с обработкой сигнала, существующих в настоящее время, приведена в [1].

Временная модуляция параметров антенн

Динамические антенны, или антенны с временной модуляцией параметров (иногда встречается термин "4-мерные антенны") - это системы, какой-либо параметр которых (длина раскрыва, функция возбуждения, положение фазового центра и т. д.) периодически изменяются во времени[2,3]. Очевидно, диаграмма направленности такой антенны будет функцией не только угловой координаты θ, но и времени t. Она может быть разложена во временной ряд Фурье по гармоникам частоты модуляции:

(1)

Аналогично для распределения тока в раскрыве (вдоль оси решетки ):

, (2)

так что можно записать

, , (3)

где l – длина решетки;

ω – круговая несущая частота;

, с – скорость света в свободном пространстве.

Если на выходе приемной антенны поместить узкополосный фильтр, выделяющий одиночную гармонику р, то выходной сигнал такого фильтра будет определятся парциальной диаграммой направленности .Таким образом, частотный анализ сигнала будет эквивалентен качанию луча в пространстве и обнаружению цели на частоте р будет служить однозначно указанием ее пространственного положения.

Для практических приложений желательно, чтобы временная модуляция сводилась к простому переключению. Пусть, например, каждый из Ν элементов решетки возбуждается прямоугольным импульсом амплитуды Ι₀ в течении времени Т/ Ν, а затем выключается; через время Т цикл повторяется. Используя известное представление для прямоугольного импульса, разложим в комплексный ряд Фурье временную зависимость тока в n-ом излучателе:

. (4)

Из полученного разложения одну компоненту и выпишем комплексную амплитуду тока указанной частоты в n-ом элементе:

. (5)

Отсюда видно, что в распределении тока частоты на всех элементах решетки имеет место прогрессивный фазовый сдвиг на величину ; это приводит к тому, что главный максимум парциальной диаграммы направленности рассматриваемой частотной компоненты располагается под углом (6)

где d – шаг решетки, Δθ – ширина луча.

Если антенна работает одновременно на прием и передачу, следует вводить задержку между выключением одного элемента и включением следующего, чтобы отраженный сигнал успел вернуться и был принят. Подобные антенны должны быть снабжены специальным устройством для соответствующей обработки принимаемого сигнала, например, супергетеродинным приемником. В последнем случае сигнал на выходе УПЧ с промежуточной частотой ω_п будет иметь вид

, (7)

где Ф(θ) – фазовая диаграмма направленности.

Из последнего выражения следует, что выходной сигнал имеет частотный спектр с центральной частотой ω_{п ,} а амплитуды боковых полос пропорциональны амплитудам сигналов, принятых соответствующих направлений. Простейший метод анализа такого сигнала заключается в использовании перестраиваемого фильтра или набора фильтров на частоты ω_п + р.

Коммутация элементов динамической антенны.

Для реализации требуемого режима возбуждения элементов в динамических антеннах используются многоканальные коммутаторы радиосигналов. Такие устройства обеспечивают создание тракта передачи мощности радиосигнала между общим входом/выходом антенны и включенным элементом с достаточно малыми вносимыми потерями при достаточно большой развязке между общим входом/выходом и каждым из выключенных элементов в каждом тракте переключения. Они, как правило, должны обладать высоким быстродействием при относительно малых весе и габаритах их компонентов, небольшой потребляемой мощности и высокой надежности. В СВЧ-диапазоне указанным требованиям способны удовлетворить коммутаторы, выполненные на СВЧ-выключателях (импульсных модуляторах), управляемых внешним электрическим полем.

СВЧ-выключатели характеризуются двумя рабочими состояниями: "включено", с коэффициентом передачи СВЧ-мощности к_п, и "выключено", с коэффициентом передачи к_з, причем к_п >>к_з; на практике обычно пользуются параметрами "потери пропускания" L_п=-10lgк_п и "развязка" L_з=-10lgк_з. Конструктивно эти устройства представляют собой отрезок линии передачи СВЧ-мощности с включенными в него управляемыми элементами – полупроводниковыми диодами, сопротивление которых регулируется постоянным или переменным низкочастотным током. линия передачи может быть коаксиальной, полозковой или волноводной. Работа выключателя основана на изменении его коэффициента передачи и отражения в зависимости от значения тока управления, протекающего через диод. В коммутаторе динамической антенны выключатели обычно устанавливаются между каждым антенным элементом и соответствующим ответвлением общего тракта передачи СВЧ-мощности.

Принцип действия многоканального коммутатора рассмотрим на примере устройства, используемого в данной лабораторной работе. В нем применены СВЧ-выключатели промышленного изготовления, представляющие собой волноводные конструкции диафрагменного типа с бескорпусной n-i-p-i-n-структурой; L_п < 1Дб, L_з> 40Дб. Состояние "включено" обеспечивается подачей управляющего тока величиной около 80мА; время переключения не более 1мкс. В состоянии "выключено" (ток =0) в плоскости фланца выключателя реализуется режим короткого замыкания для падающей СВЧ-волны.

Коммутатор содержит волноводный узел и блок управления. Волноводный узел содержит основной волновод и 8 боковых ответвлений по его широкой стенке, каждое из которых образует с прилегающим к нему участком основного тракта волноводный Е-тройник и служит для присоединения одного из коммутируемых антенных элементов. Расстояние между плоскостями симметрии соседних Е-тройников одинаковы и равны примерно , где - длина волны в волноводе несущей коммутируемого СВЧ-сигнала частоты около 10 ГГц. Каждое боковое ответвление содержит по 2 каскадно соединенных СВЧ-выключателя. Плоскость короткого замыкания ближайшего к основному волноводу выключателя, в дальнейшем именуемого основным, совпадает со стенкой волновода. Плоскость короткого замыкания следующего выключателя, в дальнейшем именуемого дополнительным, отстоит от стенки волновода примерно на . Один из концов основного волновода является общим входом/выходом коммутируемого сигнала, а другой конец, отстоящий от плоскости симметрии ближайшего к нему Е-тройника примерно на , служит для присоединения короткозамыкающей заглушки (в лабораторном образце устройства для удобства настройки к нерабочему концу основного волновода присоединена согласованная нагрузка). Антенные элементы, представляющие собой отрезки прямоугольных волноводов с настроечными штырями, присоединены к выходным фланцам дополнительных СВЧ-выключателей.

Блок управления имеет 16 выходов сигналов управления, причем каждый из выходов с нечетным номером подключен к цепи управления основного выключателя, а каждый из выходов с четным номером - к цепи управления дополнительного выключателя в соответствующем по порядку расположения боковом ответвлении. При открывании тракта прохождения СВЧ-мощности через требуемое боковое ответвление на оба СВЧ-выключателя этого ответвления и на основной СВЧ-выключатель следующего за ним бокового ответвления (если считать от общего входа/выхода) подается сигнал "включено", а на все остальные СВЧ-выключатели подается сигнал "выключено".

Создание в боковых плечах "выключенных" каналов режима короткого замыкания приводит к отключению этих каналов от основного волновода, причем в основном волноводе СВЧ-волна распространяется дальше с малыми потерями. Через выключатели "включенного" канала СВЧ-волна проходит также с малыми потерями. Наконец, благодаря надлежащему выбору расстояний между плоскостями симметрии соседних Е-тройников и между плоскостями короткого замыкания основного и дополнительного выключателей в плоскости симметрии Е-тройника канала, следующего за "включенным", создается режим холостого хода для волны, распространяющейся в основном волноводе. При этом обеспечивается максимум ответвления СВЧ-мощности из основного волновода в боковое плечо "включенного" канала или, в силу принципа взаимности, максимума передачи СВЧ-мощности из "включенного" канала к общему выходу.

Задание

1. Измерить шаг решетки d. Измерить длительность возбуждения одного элемента T/N.

2. Рассчитать полосу перестраиваемого фильтра приемника, необходимую для обеспечения перекрытия сектора 60⁰ (полагая, что длина волны равна 3 см).

3. Измерить отношение потерь пропускания к развязке для каждого из первых 7 элементов решетки. Вычислить среднее и среднеквадратичное отклонение этой величины по антенне.

Литература

1. Бахрах Л.Д., Воскресенский Д.И. Современное состояние антенн и проблемы развития. – В кн.: Проблемы антенной техники. М.,1989, стр.6-31.

2. Вендик О.Г. Антенны с немеханическим движением луча. М.,1965.

3. Антенные решетки. М.,1966.

4. СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет. М.,1969.