Диссертация (Двухчастотная фазированная мобильная антенная решётка РЛС L-диапазона), страница 11

Минимизируемый функционал составлен в виде суммы взвешенных невязок характеристик и целей оптимизации: = ∑∑=1 =1| ( ) − ( )|где fq – анализируемая частотная компонента; |Gn(f)-Mn(f)| – невязка параметра;Wn – вес критерия; Ln – степень влияния невязки; N – число критериев оптимизации;Qn – число частотных точек, в которых проходит процесс оптимизации.Оптимизация осуществлялась на основе методов градиентного спуска и Симплекс-метода в виду наибольшей скорости сходимости решения задачи оптимизации, показанной этими методами для данной модели.На рис.3.13-3.17 приведены результаты моделирования. На рис.3.7 показаныамплитудные распределения для частоты 1,055 ГГц (f1), 1,495 ГГц (f2) и амплитудное распределение, полученное аналитически для требуемого уровня УБЛ < -25 дБ(A(x)). Видно, что амплитудные распределения достаточно хорошо аппроксимируют исходную аналитическую зависимость.Рисунок 3.13 Синтезированное амплитудное распределение на центральныхчастотах верхнего и нижнего частотного диапазонов82На рис.3.13 показаны: А(х) – требуемое аналитическое распределение; A(x) f1 –амплитудное распределение на частоте 1,055 ГГц; A(x) f2 – амплитудное распределение на частоте 1,495 ГГц.На рис.

3.14 приведена зависимость КСВ от частоты с указанием целей оптимизации 1-3.Рисунок 3.14 Зависимость КСВ от частотыИз рис.3.14 видно, что полученная топология схемы деления мощности обеспечивает согласование по уровню КСВ < 1,1 в рабочих диапазонах частот 1,02..1,09и 1,45..1,54 ГГц и КСВ < 1,3 во всём рабочем диапазоне частот.На рис. 3.15 приведена зависимость функции модуля разности амплитудногораспределения, полученного на рабочих частотах и амплитудного распределения,заданного аналитически для формирования суммарной ДН.Рисунок 3.15 Ошибка амплитудного распределения для каждого элемента АР83Ошибка синтеза амплитудного распределения для каждой из центральных частот рабочих диапазонов не превышает -60 дБ.Для достижения заданных требований по характеристикам диаграммы направленности была проведена численная оптимизация полученной топологии по критериям, заданным на ДН в каждом из частотных диапазонов.На рис.3.16 показана рассчитанная ДН, формируемая полученным амплитудным распределением.

Как видно из ДН на рис.3.16 УБЛ составляет -14,88 дБ в нижнем частотном диапазоне.Для достижения заданных требований по УБЛ полученной топологии проведём оптимизацию модели по критериям, определяемым формой ДН.На рис.3.17 приведён результат численной оптимизации топологии с учётомстатистического анализа при отклонении параметров на случайную величину, характеризующую технологические погрешности изготовления схемы делителя. Технология изготовления обеспечивает допуски на точность воспроизведения геометрических размеров полосковых линий с точностью до 0,1 мм и минимальной шириной полосковой линии не меньше 1 мм. Отсюда определены условия для статистического анализа разработанной топологии.Рисунок 3.16 ДН, полученная в результате оптимизации топологии поамплитудному распределению84Рисунок 3.17 Суммарная ДН, полученная путём численной оптимизациитопологии схемы делителяРаспределение случайной величины гауссово с СКО = 0,1 мм.Как видно из ДН на рис.3.17 максимальный УБЛ не превышает -20 дБ.

Нарис.3.18 показана ДН суммарного канала в области главного лепестка.Рисунок 3.18 ДН суммарного канала в области главного лепесткаКак видно из рис.3.18 ДН в области главного лепестка имеет необходимуюширину что обеспечивает требуемое пересечение ДН суммарного и разностногоканалов ДН по уровню -3 дБ.85На рис.3.19 приведена зависимость КСВ от частоты конечного варианта топологии схемы суммарного делителя мощности.Рисунок 3.19 Зависимость КСВ от частотыИз рис.3.19 видно, что обеспечиваются требования по заданному уровнюКСВн в рабочих диапазонах частот.3.2.2 Разностный делитель мощностиРазностный делитель должен обеспечивать амплитудно-фазового распределение, формирующее моноимпульсную ДН.

Амплитудное распределение, необходимое для реализации разностной ДН показано на рис.3.20.Рисунок 3.20 Амплитудное распределение разностного канала моноимпульснойдиаграммы направленности независимо от частоты86В процессе синтеза схемы деления возьмём схему, построенную на последовательно-параллельном включении полосковых тройников. При этому учтём, чтофункция амплитудного распределения нечётная, в виду чего, можно реализоватьправую и левую части амплитудного распределения используя одну и ту же схемуделения мощности. Кроме того, учитывая, что 4 центральных элемента антеннойрешётки используются для формирования активного канала ПБЛ и работаюттолько в режиме излучения, а разностная ДН формируется в режиме приёма, этиизлучатели исключены их процесса синтеза разностной диаграммы направленности. Таким образом, необходимо синтезировать полосковый делитель мощности,имеющий один вход и 10 выходов.Может быть предложена следующая схема деления мощности, коэффициентыделения мощности для каждого из элементарных делителей которой приведены втаб.3.4.Таблица 3.4.

Коэффициенты деления разностного делителя#12345678910A0.40.5620.7120.8390.9330.9870.9990.9650.890.779A2/Σ(A2)0.0230.0460.0740.1030.1270.1420.1450.1360.1160.088IVD41:Σ=0.0690.333/0.667D42:Σ=0.1770.418/0.582IIID3:Σ=0.2460.28/0.72IID21:Σ=0.5150.556/0.444D43:Σ=0.2690.472/0.528D44:Σ=0.2810.516/0.484D45:Σ=0.2040.569/0.431ID1:Σ=10.515/0.485D22:Σ=0.4850.579/0.421Первая колонка соответствует номеру элемента решётки. Вторая колонкаопределяет амплитудное распределение. Третья колонка определяет нормированное распределение мощности по элементам решётки.

Остальные колонки определяют параметры элементарных делителей по этажам начиная с последнего. В каждой колонке параметров элементарных делителей указывается: первая строка – индекс делителя и нормированная мощность на входе элементарного делителя; вторая строка – коэффициенты деления в левое/правое плечо делителя. Индексы Dmnсоответствуют m – номеру этажа; n – номеру элементарного делителя в этаже.87Таким образом, схема деления мощности имеет 4 уровня и должна быть реализована с использованием 9 элементарных полосковых делителей.Задача синтеза разностного делителя является классической.

Её решение длярабочей полосы 5% можно представить, например, в виде полосковой схемы, приведённой на рис.3.21.Рисунок 3.21 Эскиз топологии полоскового делителяНа рис.3.22 приведена структура разностного делителя мощности.Габаритные размеры схемы деления мощности составляют 1050х50 мм2. Шагмежду выходами соответствует шагу элементов решётки по горизонтали (105 мм).P=9P=6123ID=D43ID=D443221P=8P=7ID=D2131 ID=D123ID=D223112P=1P=5P=32P=103ID=D42 32 ID=D32131 ID=D45 23ID=D4111P=4P=2Рисунок 3.22 Структура разностного делителяВ параметры оптимизации включены следующие:P=1188 Wd – ширина каждого элементарного делителя устанавливается в соответствии сгеометрией схемы для каждого этажа: (V:105мм; IV: 210мм; III: 315мм; II:367.5мм; I: 498.75мм); Lin, Lout – константа 10мм; dx – 0мм (делитель синфазный); W0, W1, W2, Lt оптимизируемые параметры.Для сохранения геометрии на оптимизируемые параметры накладываютсяограничения, приведённые в таб.3.5.В результате оптимизации были получены значения параметров, обеспечивающие требуемое амплитудное распределение с ошибкой не более 0,01% (таб.3.6).Таблица 3.5 Ограничения на оптимизируемые параметрыДелительD1D21D22D3D4D51D52D53D54D55D56D1-D56ПараметрdxLtdxLtdxLtdxLtdxLtdxLtdxLtdxLtdxLtdxLtdxLtW0W1W2Min [мм]-10012-10012-5012-1012-1012-3512-1512-712-1212-2012-2012111Max [мм]1055901054005080101901019035901590790129020902090121212V0 [мм]10520010510004001000100030030030030030051.3910101089Таблица 3.6 Значения параметров, полученные в результате оптимизацииПараметрdxLtD1W0W1W2dxLtD21W0W1W2dxLtD22W0W1W2dxLtD3W0W1W2Значение [мм]105296.23.7614.2661.008105167.68.3221.0047.425079.924.461.7391.98552.567.911.935.1622.911ПараметрdxLtD4W0W1W2dxLtD51W0W1W2dxLtD52W0W1W2dxLtD53W0W1W2Значение [мм]0138.211.663.8362.693055.33111.991.035030.091.00711.9911.99021.932.991211.9ПараметрdxLtD54W0W1W2dxLtD55W0W1W2dxLtD56W0W1W2Значение [мм]025.344.291.2541.011089.978.1967.7882.119051.395.9793.3792.785На рис.3.23–3.25 приведены результаты моделирования.

На рис.3.24 показаныамплитудные распределения для частоты 1,055 ГГц (f1), 1,495 ГГц (f2) и амплитудное распределение, полученное аналитически (A(x)). Видно, что амплитудные распределения достаточно хорошо аппроксимируют исходную аналитическую зависимость.Рисунок 3.23 Амплитудное распределение на выходах разностного делителя90Точность аппроксимации показана на рис.3.24. Из графика видно, что ошибкасинтеза амплитудного распределения не превышает -40 дБ.На основе полученного амплитудного распределения для каждой из рабочихчастот можно построить диаграмму направленности разностного канала (рис.3.26).Рисунок 3.24 Ошибка синтеза амплитудного распределенияРисунок 3.25 Диаграмма направленности разностного канала моноимпульснойдиаграммообразующей схемы91Из рис.3.25 видно, что УБЛ разностного канала синтезированного делителясоставляет -2,3 дБ, что недостаточно для удовлетворения требований к антеннойсистеме мобильного ИРЭК.

Высокий уровень бокового излучения связан с наличием существенного уровня фазовой ошибки в схеме деления, возникающей из-засущественных изменений дисперсионных свойств полосковых линий внутри делителя. Для компенсации фазовой ошибки во всём рабочем диапазоне частот можнопровести численную параметрическую оптимизацию схемы избрав критериемформу диаграммы направленности.Критерии оптимизации в этом случае можно записать в следующем виде:1.

Уровень КСВн в рабочих диапазонах частот 1,02..1,09 ГГц и1,45..1,54 ГГц должны быть ниже 1,1 с весом критерия 1010;2. Уровень КСВн между рабочими диапазонами частот не должен превышать 1,8 с весом 107;3. Уровень бокового излучения должен быть ниже -15 дБ в секторе угловбольше(меньше)18°(-18°)длянижнегодиапазоначастотибольше(меньше) 17°(-17°) для верхнего диапазона частот с весом 108;4. Уровень ДН разностного канала должен быть меньше -3дБ в секторе углов главного лепестка суммарного канала моноимпульсной ДН с весом108 для каждого из диапазонов с учётом допусков;5.