Министерство общего и профессионального

образования Российской Федерации

Московский государственный институт электронной

техники

(Технический университет)

Лабораторные работы по курсу

"Радиоприёмные устройства"

(методическое пособие)

Москва 1998г.

Лабораторная работа N2

"Исследование основных характеристик

приёмного модуля АФАР"

1. Цель работы

Изучение схемы и принципа работы приёмного модуля активной фазированной антенной решётки (АФАР). Расчёт отдельных узлов модуля. Приобретение практических навыков работы с измерителем комплексных коэффициентов передачи и измерителем коэффициента шума. Теоретическая оценка электрических характеристик модуля и его эффективности в составе АФАР. Экспериментальное исследование основных электрических характеристик.

2. Описание приёмного модуля АФАР

1. Основные функции электрические характеристики

модуля.

- Приёмный модуль предназначен для работы в составе приёмной АФАР и выполняет следующие функции:

- предварительную селекцию принимаемого сигнала и подавление частот передатчика, зеркального канала, канала прямого прохождения и других мешающих сигналов;

- усиление СВЧ сигнала принимаемой частоты;

- управление фазой усиленного СВЧ сигнала.

В модуле предусмотрена проверка его функционирования в составе АФАР при подаче на его вход контрольного сигнала через направленный ответвитель.

Основные электрические характеристики модуля:

- центральная частота f_c 980 МГц;

- полоса пропускания П_П  25 МГц;

- коэффициент шума K_Ш ≤ 5,8 МГц;

- коэффициент передачи K_P = 11,51дБ;

- перепад коэффициента передачи при переключении фазы не более 0,6 дБ;

- модуль обеспечивает фазовые состояния от 0 до 315 с шагом 45 посредством раздельного либо совместного включения фазовращателей с дискретными фазовыми состояниями 0  45, 0  90, 0  180;

- точность установки любого фазового состояния, включая начальное, т.е. при выключенных фазовращателях, не более  15;

- избирательность на частоте передатчика не менее 58 дБ;

- избирательность по зеркальному каналу приёма не менее 35 дБ;

- ослабление сигнала, подаваемого на контрольный вход, отно-сительно основного 21,5  1 дБ;

- токи, потребляемые модулем;

-(15  3)мА – по цепи питания МШУ + 9 В;

-(35  9)мА – по цепи питания фазовращателя + 3 В на каждый основной дискрет.

Принцип управления лучом фазированной антенной решетки (ФАР) состоит в формировании фазового фронта электромагнитной волны, наклоненного к поверхности раскрыва в нужную сторону, на нужный угол , как это видно из рис. 2.1, где приведена линейка излучателей над плоской отражающей поверхностью. Как ясно из геометрических соображений, для обеспечения такого отклонения луча, в каждом модуле М следует иметь фазовращатель, обеспечивающий фазовый сдвиг по отношению к соседнему модулю, эквивалентный длине пути от данного модуля (излучателя) до нового положения фазового фронта за вычетом целого числа длин волн:

, (2.1)

где d-расстояние между излучателями, - рабочая длина волны излучения (приема), - угол отклонения луча от нормали к раскрыву.

Соотношение (2.1) можно разрешить относительно :

(2.2)

Тогда, если требуется "обзор" лучом от зенита до горизонта до, то 0≤≤∕2, а значит.

Известно, что для прямоугольных и квадратных решеток расстояние между излучателями не должно превышать 0,536₀, а для гексагональных оно может быть увеличено лишь не более чем на 16 % поэтому для приближенных вычислений можно принять d  0,5₀.

Итак, для сканирования лучом ФАР в пределах  90 необходимо изменение фазы в каждом модуле на  180.

Для плавного перемещения луча нужно бы непрерывно (плавно) управлять величиной фазового сдвига  в каждом модуле. Однако из-за конечной ширины диаграммы направленности (ДН) поворот луча можно осуществлять и "скачками", но так чтобы каждый из них не превышал полуширины ДН. Значит и сдвиг фаз в модуле может быть дискретным. В силу большого числа элементов в решетке оказывается достаточным разделить весь диапазон изменения фаз   на величину 2^р, где р = 1,2,3...n. Показано, что при р = 2 изменение КПД антенны достигает 1 дБ, при р = 3 оно составит 0,23 дБ, а при р = 4 изменение КПД не превышает 0,06 дБ, так что для большинства систем, использующих ФАР, достаточно трех-четырех разрядов в фазовращателе модуля. Так, например, при р = 3 минимальный фазовый дискрет составит: т.е. имея набор из трех дискретов 45, 90, 180 можно реализовать любую фазу (любой наклон луча) с удовлетворительной точностью. Ошибка наведения луча на заданное направление зависит не только от числа дискретов фазовращателя, но и от числа излучателей в линейке, ориентированной в том направлении, в котором это отклонение должно производиться, и она тем меньше, чем больше число разрядов (р) и число элементов (N) в линейке:

(2.3)

Фазовращатели и система разводки ФАР обладают потерями, что приводит к некоторому ухудшению отношения сигнал/шум и ослабления сигнала. Поэтому вместо пассивных систем (ФАР), где усилитель является общим для всех элементов и включается в тракт после фидерной системы (в нее входят фазовращатели, кабели и др. элементы передачи), всё чаще используют активные системы (АФАР), где у каждого излучателя имеется отдельный усилитель, включаемый перед фидерной системой, непосредственно у излучателя. Выигрыш (в разах) активной системы (АФАР) по сравнению с пассивной (ФАР) составляет:

(2.4)

где:

-  - КПД фидерной системы, включая фазовращатель;

- T_У - эффективная шумовая температура усилителя;

- T_A - шумовая температура антенны;

- T - окружающая температура.

Все температуры указаны в Кельвинах.

Если усилители и фидеры имеют разброс по величинам коэффициента передачи и КПД, то выигрыш несколько уменьшается. Например, при  = 0,5, т.е. при отклонении в 3 дБ, отношение P_C/P_Ш уменьшается примерно на 10 %. От числа элементов в решетке выигрыш, в первом приближении, не зависит. Если бы фидерная система была идеальна (без потерь), то

 = 1 и М = 1, т.е. активная система не имела бы преимуществ перед пассивной. В действительности по мере роста числа элементов в решетке растёт число "этажей" суммирования, растёт и общая длина кабелей (линий передачи), а значит – убывает КПД, т.е. растёт и выигрыш, согласно формуле (2.4). Малошумящий усилитель обеспечивает сохранение основных параметров в пределах определённого динамического диапазона входных сигналов. Обычно это не более, чем 10^-7  10^-3 Вт, тогда как в составе радиотехнической системы (связной или радиолокационной) имеется, например, собственный передатчик, мощность которого может составлять от единиц ватт до нескольких десятков киловатт. Таким образом, в составе модуля необходимы защитные устройства. В системах связи приём и передача обычно осуществляется на разнесённых частотах, поэтому функцию защиты МШУ от собственного передатчика обычно осуществляет фильтр, располагаемый перед МШУ. Этот же фильтр осуществляет полное или частичное подавление других помех (см. начало п. 2.1). Кроме того, в состав модуля могут входить вспомогательные узлы: стабилизатор напряжения питания МШУ, называемый вторичным источником питания (ВИП), узел управления дискретным фазовращателем (УФ), направленный ответвитель подачи контрольного сигнала НО1 и т.п..

Каждый из узлов, входящих в модуль, имеет некоторый разброс параметров, поэтому фазовая длина различных образцов модулей одного и того же состава оказывается различной. Для формирования фазового фронта соответствующего рис. 2.1, необходимо сделать исходную фазовую длину модулей одинаковой. Для этой цели в модуль вводится специальный набор отрезков линии передачи, называемый юстировочным фазовращателем.

Используемый в данной работе модуль является элементом двухлучевой АФАР, поэтому после МШУ в его составе имеется ещё один направленный ответвитель, который делит сигнал в неравном отношении (примерно 1/6), а также - УФ и ДФ для второго луча. Структурные схемы двухлучевой АФАР и приёмного модуля для неё представлены на рис. 2.2.