1.3 Выбор излучателя и определение требований к фазовращателям.

Проведём предварительную оценку нужных характеристик излучателя.

Так как требуется сканирование в конусе, а также возможность эллиптической поляризации и переключения её между правой и левой, то удобнее всего использовать спиральные излучатели.

Диапазон рабочих частот: f = 7.9 - 8.4 ГГц.

Средняя частота:

_{7.9 + 8.4}

^{f =} ₂ ^{@ 8.15 ГГц}

Относительная полоса частот:

_{Df 8.4 - 7.9}

_f ⁼ _8.15 ^{@ 6%}

_{lmax 8.4}

_lmin ⁼ _7.9 ^{@ 1.06}

Цилиндрическая спиральная антенна имеет довольно широкую полосу частот:

_lmax

_lmin ^{@ 1.7 [1]}

Поэтому нет необходимости использовать излучатель более сложной формы.

Чтобы уменьшить взаимное влияние излучателей до уровня, который можно не учитывать при расчётах, нужно, чтобы площади синфазных равноамплитудных раскрывов, имеющих такой же коэффициент направленного действия (КНД), не перекрывались. (Известно, что плоский синфазный раскрыв с равномерным распределением возбуждения имеет эффективную поверхность, точно равную площади раскрыва.) Это требование накладывает ограничения на максимальный допустимый КНД при данном расстоянии между излучателями. Максимальное же расстояние между излучателями ограниченно величиной, при которой уровень дифракционного максимума не превышает уровень боковых лепестков решётки (УБЛ). В техническом задании задан УБЛ не более -16дБ. Отсюда вытекают требования к фазовращателям, а также к амплетудному распределению тока запитки излучателей.

Антенная решетка с круглым раскрывом является не совсем равномерной, поэтому дифракционные максимумы и боковые лепестки как бы “размазываются” в виде колец вокруг основного лепестка. Это приводит к снижению их уровня по мощности до -17дБ относительно уровня главного лепестка без создания неравноамплитудного распределения тока запитки излучателей. Но даже если уровень боковых лепестков при непрерывном фазировании и удовлетворяет заданным ограничениям, то использование фазовращателей с дискретным переключением фазы может повысить уровень боковых лепестков.

Установим требования к точности установки фазы. При использовании 2-х разрядного фазовращателя минимальный дискрет фазы равен p/2=90°. В результате дискретности фазирования ДН решётки умножается на сумму парциальных ДН. Это несколько ухудшает максимум главного лепестка

( f(0) = sin(p/4)/(p/4) @ 0.90 @ - 0.46 дБ от максимума при непрерывном фазировании).

Максимальный уровень бокового лепестка, который может появиться при этом равен:

C_-1 = -sin(p / 4)/(p / 4 - p) @ -5,2дБ

что значительно выше заданного уровня боковых лепестков. Поэтому оценим 3-х разрядный фазовращатель (минимальный дискрет фазы равен p/4=45°). Максимум главного лепестка

f(0) = sin(p/8)/(p/8) @ 0.97 @ - 0.26 дБ от максимума при непрерывном фазировании.

Максимальный уровень бокового лепестка, который может появиться при этом, равен:

C_-1 =-sin(p / 8)/(p / 8 - p)@-17дБ

что ниже заданного уровня боковых лепестков. Т.о. для обеспечения заданных требований необходимо использовать 3-х разрядный фазовращатель (либо использовать неравноамплитудное запитывание излучателей).

Рассчитаем точность выставки луча, связанную с точностью выставки фаз. Эта точность выставки луча должна быть не более погрешности целеуказания (±1°).

dq = 1/cosq_ск * 4/[p(d/l)N₂ * 2^p]*2p

где d - расстояние между излучателями,

l - средняя длина волны рабочего диапазона,

q_ск - максимальный угол сканирования в угломестной плоскости,

p - число разрядов в фазовращателе,

N - число излучателей, спроектированных на “эквивалентную линейку” в направлении сканирования.

Для данного случая чило N не бедет меньше 32 (при любом сдвиге колец друг относительно друга число излучателей, проекции которых не совпадут, возрастет):

Тогда dq @ 1/cos 15° * 1/[(5,6/3,7) *32² ] @ 5,8*10^-4 радиан @ 0,03°, что намного меньше точности целеуказания координат спутника-ретранслятора.

Рассмотрим несколько вариантов спиральных излучателей и выберем наиболее подходящий. Для расчета ДН излучателя будем пользоваться упрощённой формулой для режима осевого излучения:

_{sin{ nk / 2 (PL - S*cosq)}}

(*) ^{f(q) =} _{n*sin{ k / 2 (PL - S*cosq)}} ^{[1 и 5]}

Здесь n - количество витков спирали;

P = p_i / sina - коэффициент замедления волны вдоль оси спирали;

p_i - коэффициент замедления волны вдоль витка;

a - угол намотки спирали; L

S - шаг спирали; ^a S

k = 2p / l - волновое число; pD

D - диаметр витка;

Для реализации режима осевого излучения должно выполняться соотношение:

0.7 < l / L < 1.3

Для расчетов КНД будем использовать известную формулу Крауса:

D₀ = 15(l / l)(L / l)²

По [2] следует, что формула Крауса дает завышенные результаты. По экспериментальным данным консультанта дипломного проекта Олесова С.И. более точной является следующая формула:

D₀ = 10(l / l)(L / l)²

Её мы и будем использовать.

Диаграммы направленности, расчитанные по формуле (*) представлены на рисунках 8- 12 (все излучатели имеют L=l). Рассмотрим их более подробно.

Так как дифракционный максимум можно “размазать” подобрав взаимное расположение колец решетки друг относительно друга, то основным критерием выбора является ширина основного лепестка ДН излучателя.

Слишком широкая диаграмма направленности означает низкий КНД излучателя, что приводит к низкому коэффициенту использования поверхности решетки, к увеличению требуемого количества излучателей, а следовательно к увеличению размеров решетки. Это помимо ухудшения массо-габаритных показателей и увеличения стоимости решетки приводит также к излишнему сужению главного лепестка ДН решетки (имеющего обратную зависимость от соответствующего размера решетки). Направление на спутник передается с погрешностью ±1°. Чем уже главный лепесток ДН решетки, тем ниже потенциал решетки при отстройке относительно направления главного лепестка на величину ±1°, что может привести к невыполнению требований технического задания к потенциалу на передачу.

Слишком же узкая ДН излучателя может привести к тому, что уровень главного лепестка на краю сектора сканирования окажется слишком низким, это также приведет при сканировании к снижению потенциала ниже заданного уровня. Т.о. ДН излучателя должна быть чуть шире (по уровню 0.5 по мощности), чем угол сканирования, или равна ему.

По ширине диаграммы направленности наиболее подходящими для нас является излучатель с числом колец = 11 и углом намотки 12° (см. рис. 21).

Диаметр этого излучателя равен :

l * cos(a)/ p @ 1,15 см.

Где a - угол намотки,

l - средняя частота диапазона.

Длина спирали равна:

= шаг * число витков = l * sin(a) * N @ 0,77 * 11 @ 8,5 см.

Для отсутствия взаимного плияния излучатели должны располагаться на расстоянии, не меньшем @ 5,6 см.

Этот излучатель имеет КНД @ 23 ед.

Считаем КПД спирального излучателя @ 1, усиление = КНД · КПД @ КНД @ 23 ед. Для обеспечения заданного потенциала на передачу (с учетом дискретности фазирования и погрешности целеуказания) требуется 48 излучателей.

Тогда на краю сектора сканирования и при максимальной погрешности целеуказания АФАР обеспечит потенциал, равный:

10 lg (N² _* g _* p_{0 *} F ²_реш(1°) _* F ²_изл(q_скан))=