8. Расчет устройств фар

Расчёт волноводно-щелевого делителя мощности (ВЩДМ).

Делитель мощности СВЧ – это устройство, содержащее несколько входных линий передачи СВЧ, причём при возбуждении одной из них мощность СВЧ делится между остальными в требуемом соотношении.

Рассмотрим волноводно-щелевые делители мощности. При проектировании ДМ удобно пользоваться их многополюсными моделями. Многополюсником СВЧ называют любую комбинацию проводников, диэлектриков и других линейных пассивных элементов СВЧ, имеющую несколько входов в виде поперечных сечений линий передачи с единственной распространяющейся волной в каждой линии. Сечения входов многополюсника называют плоскостями отсчёта фаз. В технике СВЧ интересуются внешними характеристиками устройств, которые часто описываются с помощью матрицы рассеяния – квадратной матрицы, размерность которой равна числу входов ДМ. Элементы МР безразмерны и имеют следующий физический смысл: недиагональные элементы S_ijпредставляют собой волновые коэффициенты передачи по нормированным напряжениям сj-го входа ДМ наi-й вход при согласованных нагрузках на остальных. Входы делителя мощности называют его плечами.

Схематическое изображение простейшего ВЩДМ показано ниже:

Он состоит из двух прямоугольных волноводов 1 и 2, в общей узкой стенке которых прорезано отверстие связи длиной L. При возбуждении одного из его входов в области отверстия связи возбуждаются волныH_n0, причем распространяющимися как правило являются волны Н₁₀и Н₂₀. Из-за разницы в их фазовых скоростях при распространении от места возбуждения к противоположным входам ВЩДМ образуется фазовый сдвиг Δφ, который определяет, в какой отношении мощность СВЧ делится между этими входами.

Схема деления мощности

Распределение мощности.

Мощность, подводящаяся от передатчика, делится симметрично между рядами и распределяется в каждом ряду соответственно квадрату амплитудного распределения.

где Pi– мощность наi-ом излучателе

Ki– коэффициент амплитудного распределения

Pвых – мощность на выходе передатчика в импульсеPвых = 0,15кВт

Так как схема деления мощности ФАР симметрична, то мощность на первом и на втором рядах в вертикальной плоскости будет одинакова.

Таблица мощностей волноводов в первом и во втором рядах (Вт)

Р1	7.556E-9
Р2	1.036E-3
Р3	0.018
Р4	0.091
Р5	0.287
Р6	0.657
Р7	1.287
Р8	2.176
Р9	3.395
Р10	4.859
Р11	6.502
Р12	8.241
Р13	9.952
Р14	11.457
Р15	12.662
Р16	13.416
Р17	13.416
Р18	12.662
Р19	11.457
Р20	9.952
Р21	8.241
Р22	6.502
Р23	4.859
Р24	3.395
Р25	2.176
Р26	1.287
Р27	0.657
Р28	0.287
Р29	0.091
Р30	0.018
Р31	1.036E-3
Р32	7.556E-9

Расчет характеристик ВЩДМ

Коэффициент связи, на рабочей длине волны, равен С₄₁= -3дБ. Данной длине волны соответствует стандартный прямоугольный волновод с поперечным сечение 11 х 5,5 мм. Толщина стенки волноводно-щелевого делителя мощностиt= 1,02. Тогда поперечный размер отверстия связи а = 23,02 мм, а электрический размер – а/λ₀= 1,09. По графику определяем электрическую длину отверстия связи волноводно-щелевого делителя мощностиl/λ₀= 0.7, и, следовательно, длинуl= 14,7мм.

При выполнении условия

а/1.5λ₀ < λ/λ₀ < a/λ₀

0.73 < λ/λ₀< 1.09

находим элементы матрицы рассеяния на рабочей длине волны:

S₃₁ = 0.7*exp(i*140º)

S₄₁ = 0.68*exp(i*235º)

S₁₁ = S₂₁ = 0.137*exp(i*270º)

Отсюда находим характеристики волноводно-щелевого делителя мощности:

1) Коэффициент связи – это отношение мощностиP_i, прошедшей в плечоi, к мощностиP_j, поданной на входjпри подключении согласованных нагрузок к остальным плечам:

C₄₁= 10*lg|S₄₁|² = -3.35 дБ

2) Фаза коэффициента связи:

Ф₄₁=arg|S₄₁| = 235º

3) Неравномерность деления мощностиопределяется отклонением реального коэффициента связи от заданного:

L₄₁= |C₄₁⁰– 10*lg|S₄₁|²| = 0.35 дБ

4) Коэффициент отражения на входепредставляе6т собой модуль соответствующего диагонального элемента МР:

Г₁= |S₁₁| = 0.137

5) Коэффициент стоячей волны:

К_стu1= (1+|S₁₁|) / (1-|S₁₁|) = 1.317

6) Развязка между k-м и J-м плечами:

R₂₁= 10*lg(1 / |S₂₁|²) = 17.266 дБ

7) Направленность между i-м и k-м плечами ДМ– это отношение мощности на выходе рабочегоi-го плеча к мощности, прошедшей в развязанное плечоkиз-за неидеальности ДМ при возбужденииj-го плеча и наличии согласованных нагрузок на всех остальных входах

B₄₂= 10*lg(|S₄₁| / |S₂₁|)² = 4.841 дБ

Расчет отражательного фазовращателя

Фазовращатели СВЧ предназначены для изменения фазы отраженной или проходящей волны на требуемую величину. Разнообразные конструкции таких устройств широко используются в трактах СВЧ, особенно в трактах ФАР. Различают отражательные и проходные фазовращатели СВЧ. Отражательные фазовращатели отображаются на эквивалентной схеме как двухполюсники, а проходные – как четырёхполюсники. Существуют фазовращатели механические, электрические и электромеханические. Различают также фазовращатели с плавным или дискретным изменениями фазы.

Простейший отражательный механический фазовращатель представляет собой отрезок линии передачи с короткозамыкающим поршнем. Такое устройство характеризуется матрицей рассеивания, вырождающейся в одно число – коэффициент отражения от входа фазовращателя. При изменении положения поршня в линии изменяется и фаза коэффициента отражения. Дискретный отражательный фазовращатель строится на основе полупроводниковых выключателей. Волноводный вариант такого фазовращателя показан на рисунке ниже:

2 3

1

1 - прямоугольный волновод

2 - n-i-p-i-n- диод

3 - диафрагма

Продольная постоянная распространения волны H₁₀в волноводе:

K_zH10=0.892

Возьмём дискрету изменения фазы Δφ:

При таком дискрете фазы для поворота фазы на 360⁰необходимо сделать семь диафрагм (0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, 315).

Расстояние между диафрагмами определяется по формуле:

l = 0.44 мм