AFU_Lektsii

2.15.Энергетика АФАР

2.15.1.Энергетический потенциал передающих АФАР

Отличительная особенность АФАР состоит в том, что такие характеристики антенных решеток, как усиление G, полная излучаемая мощность Р, шумовая температура Тэфф, эффективная площадь антенны Sэфф, порознь не могут дать полного представления о ее энергетике. В последнее время принято оценивать энергетику АФАР через ее энергетические потенциалы, являющиеся функционалами от вышеперечисленных характеристик.

С точки зрения энергетического потенциала к передающим решеткам предъявляются следующие требования: в секторе углов ±θск АФАР должна обеспечивать энергетический потенциал Ппрд = P∙G, причем изменения этого параметра не должны превышать 1/А раз, где А < 1 - величина снижения потенциала во всем секторе сканирования.

Энергетический потенциал Ппрд АФАР выражается через число элементов решетки N, излучаемую каждым излучателем мощность p0 и минимальный коэффициент усиления одного излучателя в секторе сканирования g:

При ограниченном секторе сканирования можно приближенно считать, что изменение потенциала АФАР полностью определяется изменением g элемента, т.е. g = g0∙A, где g0 - коэффициент усиления излучателя в максимуме его ДН.

Для определения g0 через ширину ДН излучателя Dq0,5 воспользуемся известным

соотношением

g0 » DqD 2 ,

0,5

где D принимает значение от 36000 до 25000 в зависимости от типа излучателей (так, для излучателей с Dq0,5 ~ 100○ и больше D ~ 36000, для излучателей с узкой ДН D ~ 30000 и

меньше).

Проектирование АФАР, как правило, сводится либо к оптимизации какого-либо одного ее параметра (числа модулей, геометрических размеров, величины потребления от первичных источников питания и т.д.), либо к нахождению некоторого компромисса,

146

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

наиболее полно отвечающего поставленной задаче. При этом в качестве варьируемых параметров могут выступать другие величины: выходная мощность одного элемента, КПД модуля и др.

С учетом сказанного можно вывести соотношения, определяющие основные параметры передающей АФАР. Так, число элементов определяется из основного соотношения (2.43)

Вспомним соотношение, связывающее геометрию антенной решетки с ее усилением:

где S - геометрическая площадь антенной решетки (для квадратной структуры S = Nd 2, где d - межэлементное расстояние); σ - коэффициент использования площади решетки; λ - рабочая длина волны.

Тогда, применяя выражения (2.44), (2.45), получаем

где S0 выражено в долях длины волны.

Потребляемая от источника питания мощность определяется выражением

2.15.2. Измерение энергетического потенциала передающих АФАР

Измерение ДН АФАР практически не отличается от измерений ДН пассивных ФАР. К ним полностью применимы все известные методы измерений ДН в дальней и ближней зонах, амплитудно-фазового распределения в раскрыве и т.д.

Измерение энергетического потенциала Ппрд передающих АФАР имеет некоторые особенности, связанные с тем, что передатчик является неотъемлемым компонентом

147

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

АФАР. Эта особенность передающих АФАР обуславливает, в частности, тот факт, что раздельное измерение коэффициента усиления G раскрыва передающей АФАР и излучаемой им мощности может рассматриваться только в теоретическом плане. В то же время для расчета энергетики радиолинии необходимо значение произведения PG. Измерение этого параметра не представляет трудностей и может быть осуществлено на измерительном стенде, схема которого приведена на рис.2.70.

Определение PG сводится к измерению принимаемой измерительной антенной мощности Pпрм и проведению расчетов по формуле

PG = 16π2 R2 Pпрм ,

ga λ2

где R - расстояние между антеннами; ga - коэффициент усиления вспомогательной антенны.

G, Pизл

R

Рис.2.70. Схема измерения энергетического потенциала передающей АФАР: ИМ - измеритель мощности

2.15.3. Схемы возбуждения передающих АФАР

Как уже говорилось, для возбуждения модулей передающих АФАР могут использоваться схемы возбуждения трех типов:

-закрытая, или фидерная;

-открытая, или оптическая;

-гибридная (гибридные зеркальные антенны).

Закрытая схема возбуждения имеет большие возможности в управлении амплитудой возбуждения каждого элемента ФАР или модуля АФАР. В такой системе для решения задачи распределения мощности возбудителя используется набор делителей

148

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

мощности с соответствующим коэффициентом деления и отрезков линий передачи, соединяющих делители в замкнутую систему. При большом количестве элементов реализация заданного закона распределения комплексных амплитуд возбуждаемых элементов АФАР с закрытой системой возбуждения сопряжена с определенными трудностями. Одна из них - рассогласование элементов фидерного тракта, конечное значение развязок между каналами делителя мощности, отклонение электрических длин соединяющих отрезков линий передачи от заданных размеров и т.д.

Другой причиной является дополнительное ограничение рабочей полосы АФАР при использовании схемы последовательного возбуждения элементов в каждой строке и каждом столбце. Последний эффект может быть полностью устранен при использовании параллельной схемы возбуждения элементов АФАР, построенной на основе бинарных делителей мощности, когда длины линий в тракте каждого излучателя одинаковы.

При достаточно большом размере раскрыва АФАР или при использовании линий передач с большими погонными потерями суммарные потери фидерной схемы возбуждения могут достигать нежелательной для построения АФАР величины. Тогда при невозможности проектирования передающих модулей с достаточно высоким коэффициентом усиления исключается реализация одного сосредоточенного возбудителя, обеспечивающего нормальную работу всей решетки.

В этом случае необходимо использовать активную схему разводки, включающую промежуточные усилители, каждый из которых возбуждает отдельную подрешетку (рис.2.71). Неидентичность фазовых характеристик промежуточных усилителей ухудшает фазовые характеристики всей схемы разводки.

N − n

n

N

Рис.2.71. Передающая АФАР с активной схемой разводки

Дополнительным преимуществом фидерной схемы возбуждения следует считать возможность построения многолучевой АФАР, формирующей на одном раскрыве

149

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

несколько независимо управляемых ДН. Кроме того, протяженность фидерной схемы возбуждения в глубину составляет малую часть от размера раскрыва АФАР.

Естественно, предпочтительной является пассивная схема разводки, когда вся решетка возбуждается одним сосредоточенным возбудителем, мощности которого с учетом потерь в пассивной схеме достаточно для возбуждения всех передающих модулей. Пассивная схема возбуждения обладает стабильными во времени характеристиками, практически не вносит неконтролируемых фазовых ошибок. При этом следует иметь в виду, что амплитудные и фазовые ошибки на выходе передающего модуля в условиях производства находятся в допустимых пределах, если в состав модуля входит не более трех-четырех усилительных каскадов.

Условием возможности реализации пассивной схемы разводки служит наличие в распоряжении разработчика возбудителя с выходной мощностью, удовлетворяющей соотношению

где N - количество элементов; Kp - коэффициент усиления модулей; LΣ - полные омические потери в фазовращателях, делителях мощности, фидерном тракте; p0 - выходная мощность модуля.

Потери в фазовращателях табулируются на этапе их отработки. Потери в N- канальном делителе определяются исходя из опытных экспериментальных соображений. Предполагая, что схема сумматора/делителя построена по схеме "елочка", омические потери на этаж суммирования/деления составляют величину ~ 0,3 - 0,5 дБ при изменении частоты в диапазоне 1 - 10 ГГц.

Потери в фидерном тракте (линиях разводки сигнала) определяются как

Lфид = al ,

где l - длина линий (суммарная); α - погонные потери используемой линии передачи. Таким образом, суммарные омические потери в фидерном тракте АФАР могут быть определены по формуле

LΣ = Lфв × Lдел × Lфид .

Оптическое возбуждение элементов АФАР при большом их числе избавляет от необходимости изготовления множества узлов на отрезках линий передачи. Путем

150

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

использования достаточно сложных систем первичного возбуждения раскрыва АФАР можно добиться оптимального амплитудного возбуждения ее элементов.

При оптической схеме возбуждения (рис.2.72) имеют место потери, вызванные "переливанием" части энергии первичного излучения через края раскрыва АФАР. Величина этих потерь определяется допустимым с точки зрения работоспособности модулей передающей АФАР падением уровня излучения первичным излучателем энергии в направлении крайних элементов.

Рис.2.72. Проходная линзовая АФАР

Закон распределения амплитуды по раскрыву определяется не только формой ДН облучателя и геометрией АФАР, но и величиной эффективной поверхности вторичной апертуры АФАР (внутренней поверхности решетки в направлении к облучателю).

Несомненным достоинством оптической схемы возбуждения является относительно простая реализация многолучевой системы, причем количество лучей может достигать нескольких десятков и даже сотен. Добиться этого можно используя облучатель в виде решетки с излучателями, разнесенными в фокальной плоскости линзы. Каждый излучатель формирует свой луч, направление которого в пространстве определяется положением данного излучателя в фокальной плоскости.

Недостатком оптической схемы возбуждения является то, что протяженность оптической схемы возбуждения в глубину сравнима с размерами раскрыва АФАР.

В АФАР с оптической схемой возбуждения возникает дополнительная проблема: создание плоского фазового фронта излучаемой волны. Она достигается с помощью линий задержки, которые выполняются либо в виде кабелей, либо в виде юстировочных фазовращателей с дополнительным набегом фазы в несколько λ. Недостаток такого решения проблемы заключается в исчезновении идентичности каналов (модулей) между первичной и вторичной апертурами.

151

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Еще одной разновидностью АФАР являются гибридные зеркальные антенны (ГЗА). В качестве облучателя таких антенн используется АФАР (число элементов достигает 100 и более). К достоинствам ГЗА следует отнести:

-высокую энергетику при малом количестве облучающих элементов;

-возможность формирования нескольких независимо управляемых лучей;

-возможность формирования ДН сложной формы. Недостатками ГЗА являются:

-большая глубина (как и в случае оптической схемы возбуждения);

-необходимость выдерживать высокие точности при изготовлении зеркала;

-возникновение при большом размере облучателя не только эффекта переливания энергии через края зеркала, но и эффекта затенения.

Необходимо заметить, что закрытые (фидерные) схемы возбуждения имеют ряд преимуществ перед открытыми (оптическими) схемами:

-возможность точного управления амплитудой каждого элемента АФАР;

-продольный размер АФАР, на порядок меньший поперечного размера, что делает такую систему наиболее привлекательной при проектировании бортовой (самолетной) аппаратуры.

Однако при большом количестве излучателей фидерная схема имеет потери, превышающие потери в оптической системе.

Все фидерные схемы питания АФАР можно разделить на три группы: схема последовательного, параллельного и смешанного питания. С точки зрения широкополосного согласования, предпочтительнее схемы параллельного питания с одинаковыми длинами линии передачи в трактах каждого излучателя.

2.15.4. Энергетический потенциал приемных АФАР

Энергетический потенциал приемных АФАР определяется соотношением

Ппрм = Sэфф / Tэфф ,

где Sэфф - эффективная площадь антенны; Тэфф - шумовая температура АФАР (в градусах Кельвина), приведенная к раскрыву решетки.

Эффективная площадь АФАР связана с ее геометрической площадью S через коэффициент использования поверхности σ, определяемый в свою очередь амплитуднофазовыми характеристиками ее тракта, требуемым УБЛ и допустимыми потерями потенциала на краях сектора сканирования А:

152

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Sэфф = S ×s× A .

Значение σ изменяется, как правило, от 0,1 до 0,8 и определяется сектором сканирования решетки и соответственно ДН ее элементов; значение А обычно равно 1/2 (в дальнейшем его не будем использовать). Тогда

Sэфф = 0,5∙S∙σ.

Для АФАР, включающей N элементов, можно записать

Sэфф = N∙sэфф ,

где sэфф - эффективная площадь каждого излучателя.

Простейшая структурная схема приемной АФАР приведена на рис.2.73. Для вычисления Тэфф необходимо изобразить путь прохождения сигнала от каждого канала до приемника (рис.2.74).

Kш1, K p1

1

Kш2, K p2

åN

N

Рис.2.73. Структурная схема приемной АФАР

Рис.2.74. Структурная схема приемного канала АФАР

Сначала рассчитаем шумовую температуру, отнесенную ко входу приемника. Обозначим через L1, L2, L3 потери на соответствующих участках фидерного тракта, отн. ед. (см. рис.2.74), а через L'1, L'2, L'3 - обратные им величины, имеющие смысл коэффициентов передачи соответствующих участков. Тогда шумовая температура на входе приемника TAпрм может быть определена из соотношения

153

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Из анализа полученной формулы с учетом проведенных выше оценок составляющих ее величин можно сделать следующие выводы. При больших значениях коэффициента усиления МШУ (Kp = 20 - 30 дБ) наибольший вклад в Тэфф вносят коэффициент шума МШУ, который однозначно определяется Kш используемого транзистора, и потери L, связанные с потерями в соединительном кабеле и фильтре на входе МШУ. Тогда, по сути, можно использовать для расчетов только первые три члена суммы:

Остальные два слагаемых пренебрежимо малы. Кроме того, при значениях Kp = 27 - 30 дБ можно с достаточной степенью точности считать, что

KшΣ = Kш L1 и Tэфф = T0 (Kш L1 −1) [К]. (2.51)

Однако при значениях Kp1 = Kp2 = 10 - 15 дБ такое упрощение формулы (2.49) уже недопустимо. В этом случае существенную роль будут играть потери в ФВ и сумматоре. Проведем следующее вычисление:

Заметим, что слабая зависимость Kш от L2 при достаточно высоких значениях Kp является основой создания приемных многолучевых АФАР с низкой шумовой температурой.

При проектировании АФАР с большим значением N потери в схеме суммирования становятся недопустимо большими и вносят существенный вклад в шумовую температуру всей решетки. В этом случае, как и в передающих АФАР, используются активные схемы суммирования (рис.2.75). При этом вся АФАР делится на n подрешеток, суммарный сигнал от которых усиливается собственным МШУ с целью уменьшения влияния потерь

155

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com