лабы / лаба 115 / лаба_115_аррт_метода

11

зовращателей, и ограничение подводимой мощности, вызванное тем, что через бли-

жайшие к генератору фазовращатели проходит вся излучаемая мощность.

В параллельной схеме через каждый фазовращатель проходит только -я

часть излучаемой мощности; общие потери примерно равны потерям в одном фазо-

вращателе. Недостатком схемы является сложность системы управления, так как при качании диаграммы направленности каждый фазовращатель должен давать соответ-

ствующий сдвиг фазы. Установка фазы в случае использования фазовращателей с ограниченными пределами регулировки фазы должна производиться со сбросом це-

лого числа периодов.

Особым случаем параллельной схемы является "елочка", образованная кас-

кадным делением мощности на две части (рис.8).

На схеме, показанной на рис. 9, разделение мощности производится с помо-

12

щью направленных ответвителей последовательно, а управляемые фазовращатели включены по параллельной схеме.

В рассмотренных схемах изменение фазы в каждом фазовращателе может осуществляться как плавно, так и скачком на величину , называемую дискретом фазирования. Дискретные фазирующие устройства используются чаще, так как их характеристики более стабильны. Объясняется это тем, что управляющие устройства

(например, полупроводниковые pin-диоды или ферриты с прямоугольной петлей ги-

стерезиса) работают в переключательном устройстве с использованием только двух крайних областей их характеристик – "Выключено" или "Включено".

Управление включением необходимого фазового сдвига обычно строится по цифровому принципу (рис. 10). Проходной фазовращатель разбивается на р каска-

дов, каждый из которых может находиться в одном из двух состояний, характеризу-

емых величиной фазовой задержки 0 или , где m – номер каскада. Для выбора любого из возможных фазовых состояний фазовращателя достаточно ис-

пользовать только р управляющих сигналов, принимающих условные значения 0 или

1 (выключено – включено). Например, в трехразрядном проходном фазовращателе

(т.е. при ) возможна реализация следующих фазовых состояний:

13

Отдельные каскады фазовращателя могут быть построены по отражательной схеме (рис. 11) с использованием трехдецибельного направленного ответвителя, по схеме с переключением линий (рис. 12) или по схеме с подключением в линию реак-

тивных нагрузок (рис. 13). В последней схеме используются нагрузки в виде реак-

тивных проводимостей, разнесенных вдоль линии передачи на , переключаемые с помощью pin – диодов в емкостное или индуктивное состояние.

При дискретном фазировании точная реализация требуемых фазовых сдвигов возможна для углов

(15)

Для остальных направлений точная реализация требуемых фазовых сдвигов невозможна. Приближенное распределение фаз находится следующим образом: сна-

чала по формуле (6) рассчитывается точное ("идеальное") значение фазового сдвига

, которое затем округляется до ближайшего дискретного значения дискр. При этом

14

15

удобно пользоваться диаграммой, приведенной на рис. 14, для фазовращателей с дискретом . Сплошной линией изображены возможные точные фазовые распределения, пунктиром – требуемое фазовое распределение, штрихами – его ап-

проксимация.

Заметим, что при дискретном фазировании в каждом излучателе решетки воз-

никает фазовая ошибка, что приводит к некоторому искажению формы диаграммы направленности и снижению КНД решетки. Исключение составляют случаи, соот-

ветствующие углам , определяемым формулой (15).

3. Описание измерительной установки

Исследование фазированной антенной решетки производится в приемном ре-

жиме. Блок-схема установки приведена на рис. 15.

Фазированная антенная решетка представляет собой линейную систему из 8

излучателей, расположенных над металлическим экраном. Излучатели выполнены в виде турникетных вибраторов, т.е. двух взаимно-перпендикулярных вибраторов, пи-

таемых со сдвигом фаз на 90°. Вибраторы изогнуты в плоскости, перпендикулярной экрану, для расширения диаграммы направленности одиночного излучателя. Рассто-

16

яние между вибраторами составляет 19 см.

Делитель мощности осуществляет равноамплитудное (без учета взаимной свя-

зи) возбуждение элементов решетки по параллельной схеме.

Фазовращатели построены по схеме с подключением в линию реактивных нагрузок. Дискрет фазовращателей составляет .

4. Задание к расчетной части

1. Определить фазовый сдвиг , необходимый для отклонения основного мак-

симума диаграммы направленности на угол к.

2. Рассчитать диаграммы направленности фазированной антенной решетки при синфазном возбуждении всех элементов и при фазовом сдвиге, соответствую-

щем отклонению основного максимума на угол к.

Значения d, N, к и f (частота колебаний) заданы в таблице. Номер варианта для каждого студента выбирается индивидуально, в соответствии с порядковым но-

мером его фамилии в журнале группы.

При расчете диаграмм направленности решетки можно считать излучатели ненаправленными, т.е. положить и ограничиться расчетом диаграммы,

определяемой множителем решетки. Целесообразно рассчитать и построить сначала

17

диаграмму множителя решетки по формуле (4) в зависимости от обобщенной угло-

вой переменной в пределах , где – фазовый сдвиг, соответствую-

щий отклонению максимума на угол к. Для этого юледует построить отдельно чис-

литель и знаменатель выражения (4), а уже затем рассчитать и построить их отноше-

ние (см. рис. 2). Нули диаграммы направленности решетки будут определяться по-

ложением нулей числителя выражения (4), а максимумы боковых лепестков пример-

но соответствуют положению максимумов числителя. Главные максимумы функции

, равные единице, имеют место при , где т = 0, 1, 2, ...

Затем полученные диаграммы следует перестроить в зависимости от физиче-

ского угла наблюдения при изменении его в пределах . Для это-

го следует сначала определить значение в экстремальных точках графика , а

затем найти соответствующее значение по формуле (3). В пределах главного мак-

симума необходимо дополнительно рассчитать две-три точки.

5. Задание к экспериментальной части

1.Измерить диаграмму направленности решетки при синфазном возбуждении элементов решетки (частота f = 800 МГц).

2.Рассчитать фазовое распределение, необходимое для поворота основного максимума на угол, заданный преподавателем.

3.Построить график точного фазового распределения (рис. 14) и его возмож-

ную аппроксимацию.

4. Измерить диаграмму направленности, соответствующую аппроксимирован-

ному фазовому распределению.

5. Измерить диаграммы направленности при фазовых сдвигах для значений n, заданных преподавателем.

18

6. Порядок выполнения работы

1. Настроить генератор на частоту f = 800 МГц (включение приборов на про-

грев производит лаборант до начала занятий).

2. Установить все тумблеры на пульте управления фазовращателями в поло-

жение 0 (синфазное возбуждение элементов решетки).

3.Включить анодное напряжение генератора (тумблер "высокая частота").

4.Исследуемую антенну ориентировать по максимуму показаний усилителя.

Соответствующее угловое положение антенны принять в дальнейшем за нулевое.

Записать показания усилителя.

5. Вращая антенну, найти положение первого минимума диаграммы направ-

ленности сначала справа, затем слева от максимума. Диапазон углов между этими минимумами соответствует главному лепестку диаграммы направленности. В преде-

лах главного лепестка необходимо измерить интенсивность сигнала в двух-трех точ-

ках с каждой стороны от максимума. При измерении боковых лепестков достаточно зафиксировать угловое положение и величину максимумов и минимумов.

6.С помощью тумблеров на пульте управления фазовращателями установить требуемое фазовое распределение.

7.Включить тумблер питания фазовращателей.

8.Измерить диаграмму направленности согласно п. 5.

9.После проведения всех измерений выключить тумблер питания фазовраща-

телей.

10. Выключить тумблер "Высокая частота" на генераторе.

Все измеренные диаграммы направленности построить в прямоугольной си-

стеме координат. Предварительно необходимо отнормировать каждую диаграмму с учетом характеристики детектора, форма которой близка к квадратичной. Поэтому

на графике следует откладывать величину , где – показания усилителя при

данном значении угла , – максимальное показание усилителя.

Рассчитать, пользуясь методикой, изложенной в IV, диаграммы направленно-

сти исследуемой ФАР на частоте 800 МГц в синфазном режиме и при фазовом рас-

19

пределении, соответствующем п. 2 V. Расчетные диаграммы направленности по-

строить на одном графике с соответствующими экспериментальными диаграммами.

7. Содержание отчета

1.Результаты предварительных расчетов (см. IV) в виде таблиц и графиков.

2.Результаты расчета фазовых распределений при выполнении эксперимен-

тальной части работы (V).

3. Измеренные и расчетные диаграммы направленности, соответствующие ис-

следуемой ФАР (V, VI).

Результаты должны быть представлены в виде таблиц и графиков.

4. Выводы по проделанной работе.

8. Контрольные вопросы

1. Объяснить причину появления побочных максимумов в диаграмме направ-

ленности антенной решетки.

2.Какие требования предъявляются к диаграмме направленности отдельного излучателя в фазированной антенной решетке?

3.Из каких соображений выбирается расстояние между излучателями?

4.Чем определяется выбор общего числа элементов в решетке?

5.Какие существуют способы подавления побочных максимумов.

6.Что происходит с формой диаграммы ФАР при отклонении максимума из-

лучения от нормали к оси решетки?

7.Какие существуют способы управления положением максимума диаграммы направленности ФАР?

8.К чему приводит спад амплитудного распределения к краям линейной ре-

шетки?

9. Каковы преимущества и недостатки последовательной схемы питания эле-

ментов ФАР?

10.Каковы преимущества и недостатки параллельной схемы питания.

11.Пояснить сущность и преимущества дискретного способа фазирования.

12.Объяснить принцип действия фазовращателя, построенного по отража-

20

тельной схеме.

13.Объяснить устройство фазовращателя по схеме с переключением линий.

14.Объяснить принцип действия фазовращателей по схеме с подключением в линию реактивных нагрузок.

15.Как реализуется требуемое фазовое распределение при дискретном фази-

ровании?

16. К чему приводит взаимное влияние элементов ФАР?

9. Литература

1. Кочержевский Г. Н. Антенно-фидерные устройства.– М., "Связь", 1972.

С. 133-145, 163-166, 314-323.

2.Айзенберг Г. З., Ямпольский В. Г., Терешин А. Н. Антенны ультракоротких волн. Т. 2. – М., "Связь", 1977. С. 265-281.

3.Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. – М., "Энергия", 1975. С. 327-331,

460-478.