1.9 Выбор схемы разводки

В АФАР применяются распределители двух основных типов: закрытые (фидерные) и открытые (оптические). Вполне очевидно, что для моноимпульсной приёмной АФАР оптическая схема суммирования не подходит. Среди фидерных схем наиболее предпочтительна параллельная, которая обладает следующими преимуществами:

·электрическая длина всех каналов одинакова;

·потери во всех каналах равны;

·отсутствует накопление фазовой погрешности;

·можно использовать маломощные быстродействующие ФВ.

На практике параллельный фидерный распределитель чаще всего реализуется по двоично-этажной схеме. Её достоинством является простота (т.к. независимо от числа излучателей во всех узлах схемы стоят одинаковые бинарные сумматоры). Некоторое неудобство заключается в сильной дискретности по количеству входов, которое равно 2^M, где M — число этажей. Но количество излучателей (N) в данной АФАР равно 120, поэтому число неиспользуемых входов будет мало (M=7; 2^M – N = 128 – 120 = 8).

В связи с тем, что в составе данной АФАР имеется СРС, удобно выполнить схему разводки в виде четырёх отдельных блоков суммирования, каждый из которых формирует сигнал от одного из квадрантов решётки (рис. 1.9). Блоки строятся по двоично-этажной схеме (рис. 1.10) и имеют по 32 входа, из них 2 нерабочих. Таким образом, схема разводки становится 5-этажной (M=5), а роль двух нижних этажей суммирования выполняет СРС.

Заметим, что поскольку АФАР однолучевая и число этажей суммирования невелико, то активная схема разводки не требуется.

1 квадрант 2 квадрант 3 квадрант 4 квадрант

. . . . . . . . . . . .

S₃₂ S₃₂ S₃₂ S₃₂

к СРС

Рис. 1.9 Схема разводки моноимпульсной АФАР (N=120)

1 . . . 4 . . . 8 . . . 12 . . . 16 . . . 20 . . . 24 . . . 28 . . . 32

к СРС

Рис. 1.10 Структура блока суммирования (M=5)

1.10 Энергетический расчёт афар

Энергетика приёмных АФАР может характеризоваться двумя параметрами: энергетическим потенциалом (S_эф / T_эф) или качеством приёма (G / T_эф). В техническом задании оговаривается минимальное значение качества приёма в секторе сканирования:

G_min N*g_min N*D_o*F_и(q_ск)

П_min = ——— = ———— = ——————— ;

T_эф T_эф T_эф

G_min — минимальное усиление решётки в секторе сканирования;

N — количество излучателей;

g_min — минимальное усиление излучателя в секторе сканирования;

D_o — КНД излучателя;

F_и(q_ск)— значение ДН излучателя на краю сектора сканирования;

T_эф — эффективная шумовая температура, приведённая ко входу.

Структурная схема приёмного канала изображена на рис. 1.11. Шумовая температура АФАР зависит от показанных на этой схеме потерь в фидерном тракте, параметров МШУ и приёмника.

L₁ К_ш, К_р L₂ К_ш, К_р L₃ Т_прм

МШУ МШУ Прм

L₁, L₂, L₃ — потери в элементах тракта;

К_ш — коэффициент шума МШУ;

К_р — коэффициент передачи МШУ;

Т_прм — шумовая температура приёмника;

Рис. 1.11 Структура приёмного канала АФАР

Величиной шумовой температуры излучающего раскрыва обычно пренебрегают, т.к. в СВЧ-диапазоне она достаточно мала. Рассмотрим подробно состав потерь в элементах тракта с учётом выбранной схемы разводки и схемы приёмного модуля:

·Величина L₁ определяется потерями в кабеле, соединяющем излучатель с модулем, и потерями в коммутаторе на входе модуля;

·Величина L₂ включает в себя потери в ФВ, блоке суммирования (БС) и в СРС, а также потери в соединительных кабелях на трёх участках: между ФВ и БС, между БС и СРС, между СРС и выходным МШУ;

·Величина L₃ учитывает потери в кабеле, соединяющем выходной МШУ и приёмник.

Для рассмотренной структуры канала шумовая температура АФАР (в градусах Кельвина) определяется по формуле:

(L₂ –1)*L₁ (К_ш –1)*L₁*L₂

T_эф = Т_о*(К_ш*L₁ –1) + Т_о ———— + Т_о —————— +

К_р К_р

(L₃ –1)*L₁*L₂ L₁*L₂*L₃

+ Т_о —————— + Т_прм ———— ;

К_р² К_р²

Т_о=290 К;

Здесь полагается, что К_ш и К_р обоих МШУ равны. Из формулы видно, что шумовые свойства АФАР определяются в основном потерями на входном участке канала (между излучателем и первым МШУ) и величиной К_ш. Если значения L₁, L₂, L₃ и Т_прм известны, то по заданной шумовой температуре T_эф можно определить требуемые параметры МШУ К_р и К_ш.

По техническому заданию качество приёма должно быть не менее 6.5 дБ/К, или 4.47 1/К. Определим максимально допустимую величину T_эф, исходя из результатов предыдущих расчётов:

N*D_o*F_и(q_ск) 120*25*0.6

T_эф = —————— = —————— » 402 К » 400 К;

П_min 4.47 1/К

Потери на участках канала данной АФАР вычисляются по формулам:

L₁ = L_каб*l_вх + L_ком;

L₂ = L_ФВ + L_каб*(l₁ + l₂ + l₃) + L_сум*M + L_СРС;

L₃ = L_каб* l_вых;

L_каб — погонные потери в кабеле, дБ/м;

L_ком — потери в коммутаторе на входе модуля, дБ;

L_ФВ — потери в фазовращателе, дБ;

L_сум — удельные потери в блоке суммирования, дБ/этаж;

M — количество этажей суммирования;

L_СРС — потери в суммарно-разностной схеме, дБ;

l_вх — длина кабеля между излучателем и модулем, м;

l₁ — длина кабеля между ФВ и блоком суммирования, м;

l₂ — длина кабеля между блоком суммирования и СРС, м;

l₃ — длина кабеля между СРС и выходным МШУ, м;

l_вых — длина кабеля между выходным МШУ и приёмником, м.

Исходя из размеров апертуры АФАР (D=102 см), оценим длины соединительных кабелей:

l_вх=0.3 м; l₁=l₂=0.4 м; l₃=0.1 м; l_вых=0.5 м.

Параметры отдельных элементов тракта для данного диапазона частот составляют (по данным С. И. Олесова):

L_каб=3 дБ/м; L_ком=0.8 дБ; L_ФВ=3 дБ; L_сум=0.3 дБ/этаж.

Число этажей суммирования M=5; потери в суммарно-разностной схеме можно оценить величиной 3 дБ. Определим потери на участках приёмного канала АФАР:

L₁ = 3 дБ/м*0.3 м + 0.8 дБ = 1.7 дБ » 1.48;

L₂ = 3 дБ + 3 дБ/м*(0.4 м + 0.4 м + 0.1 м) +

+ 0.3 дБ/этаж*5 этажей + 3 дБ = 10.2 дБ » 10.47;

L₃ = 3 дБ/м*0.5 м = 1.5 дБ » 1.41;

Величина Т_прм для данного диапазона частот составляет около 3000 К (по данным С. И. Олесова). Значение К_р на практике не превышает 30 дБ (при дальнейшем увеличении К_р фазовые ошибки становятся недопустимо большими; кроме того, возникает проблема устойчивости). В связи с тем, что величины потерь L₁ и L₂ оказались достаточно большими, целесообразно использовать МШУ с максимальным коэффициентом передачи. Итак, К_р=30 дБ=1000 раз. Определим значение К_ш, требуемое для обеспечения T_эф=400 К:

F₁(L₁,L₂,L₃,К_р,Т_эф,Т_прм,Т_о)

К_ш = ———————————— » 1.58 » 2 дБ;

F₂(L₁,L₂,К_р)

L₁*L₂ Т_эф (L₂ –1)*L₁ (L₃ –1)*L₁*L₂ Т_прм L₁*L₂*L₃

F₁=1+ ——— + —— – ——–—— – —————— – —— * ———— ;

К_р Т_о К_р К_р² Т_о К_р²

L₁*L₂

F₂=L₁ + ——— ;

К_р

Итак, для обеспечения требуемого качества приёма необходимо использовать в данной АФАР МШУ со следующими параметрами:

К_р=30 дБ; К_ш=2 дБ.

Поскольку полученные из расчёта значения Т_эф и К_ш округлялись в лучшую сторону (вниз), то заданная величина П = G / T_эф = 6.500 дБ/К обеспечивается с избытком:

10.47 – 1)*1.48

Т_эф = 290 K*(1.58*1.48 – 1) + 290 K ———————— +

1000

(1.58 – 1)*1.48*10.47 (1.41 – 1)*1.48*10.47

+ 290 K —————————— + 290 K —————————— +

1000 1000²

1.48*10.47*1.41

+ 3000 K ———————— » 397 K;

1000²

G 120*25*0.6

П = —— = —————— » 4.530 1/К » 6.561 дБ/К;

Т_эф 397 К

При определении энергетики АФАР необходимо учитывать, что из-за дискретного фазирования излучателей происходит некоторое снижение усиления, обусловленное появлением в ДН решётки т.н. коммутационных лепестков. Величину этого эффекта можно рассчитать через значение среднеквадратичной фазовой ошибки по следующей формуле:

p²

DG = ——— ;

3*2^2p

p — количество разрядов фазовращателя (бит).

При использовании четырёхразрядных ФВ (p=4, дискрет фазы DF=22.5°) падение усиления составляет 0.06 дБ. Таким образом, качество приёма остаётся в заданных пределах:

П = 6.561 дБ/К – 0.060 дБ/К = 6.501 дБ/К;

Определим погрешность установки луча в заданном направлении (минимальный коммутационный скачок) на краю сектора сканирования:

Dq_0.5*DF

dq = ——————— ;

2*N*Cosq_ск

Dq_0.5 — ширина луча;

DF — дискрет фазы;

q_ск — максимальный угол сканирования;

N — количество излучателей вдоль данного направления.

Значение N можно определить по методу эквивалентной линейки. В худшем случае (при симметричном расположении элементов относительно данного направления) для круглой апертуры получим N=N_S / 2, где N_S — общее число излучателей. Тогда:

2°*22.5°

dq = —————————— » 0.4° < 1°;

2*(120 / 2)*Cos15°

Таким образом, заданная точность выставки луча обеспечивается.