Диссертация (Двухчастотная фазированная мобильная антенная решётка РЛС L-диапазона), страница 13

Моделирование характеристик схемыцелесообразно проводить в специализированной среде численного электродинамического моделирования.Топология полосковой распределительной системы косекансного делителяпоказана на рис.3.38.Рисунок 3.38 Эскиз топологии полосковой схемы деления мощностикосекансного делителя100На рис.3.39 приведена структурная схема математической модели косекансного делителя. На рис.3.40-3.42 приведены ДН линейной антенной решётки в обоихчастотных диапазонах.На рис.3.40 изображены 6 ДН: сплошной линией показаны ДН на центральныхчастотах верхнего и нижнего диапазона.

Синяя кривая соответствует ДН нижнегочастотного диапазона, красная – верхнего. Пунктиром изображены ДН для верхнейи нижней граничных частот первого и второго частотных диапазонов. Для каждойиз диаграмм направленности, изображённой пунктирной линией цвет характеризует частотный диапазон, а маркер - верхнюю, или нижнюю границу диапазона.Маркер с треугольником с вершиной вверх обозначает верхнюю границу диапазона, треугольник с вершиной вниз - нижнюю. Из графиков видно, что как для центральных частот, так и на границах диапазона синтезированные ДН удовлетворяютпоставленным требованиям.Графики на рис.3.41 и 3.42 приводят детально ДН для первого и второго частотных диапазонов (сплошные линии) и ДН на верхней и нижней границах.На рис.3.43 показан график в виде разности синтезированной ДН и минимально допустимого порогового значения ДН (идеальной косекансной ДН) в секторе рабочих углов.

Стиль обозначения линий аналогичен предыдущим трём графикам. На этом графике показаны граничные условия оптимизации по запасу усиления в основном секторе углов косекансной ДН. Также из графика следует, чтополученная топология схемы деления обеспечивает синтез косекансной ДН с запасом по усилению в секторе рабочих углов не меньше, чем 3 дБ с неравномерностьюпорядка 6дБ.

При этом, из графиков на рис.3.41, 3.42 следует, что полученный уровень бокового излучения в направлении земной поверхности не превышает - 23 дБ.3213SLINID=InputLine4W=6.8 mmL=5 mm23L_1=40dx1out=18.07dx1in=011132dx0out=37.41dx0in=0L_0=1032SUBCKTID=D33NET="Junction"TL=110Lin=L_2/2InTL=9.008Lout=L_3TrIn_dx=dx2inWleft=9.819TrOut_dx=dx2outWright=8.854W0=2.051SLINID=InputLine5W=6.8 mmL=5 mmSUBCKTID=D11NET="Junction"TL=440Lin=L_0InTL=327.6Lout=L_1/2TrIn_dx=dx0inWleft=1.028TrOut_dx=dx0outWright=3.054W0=4.063PORTP=1Z=50 Ohm2SUBCKTID=D32NET="Junction"TL=110Lin=L_2/2SLINInTL=34.35ID=InputLine3Lout=L_3W=6.8 mmTrIn_dx=dx2inL=5 mmWleft=1.015TrOut_dx=dx2outWright=3.114W0=9.96PORTP=4Z=50 OhmSUBCKTID=D21NET="Junction"TL=220Lin=L_1/2InTL=175Lout=L_2/2TrIn_dx=dx1inWleft=4.248TrOut_dx=dx1outWright=8.47W0=7.44SLINID=InputLine2W=6.8 mmL=5 mmSUBCKTID=D31L_3=8.664NET="Junction"dx2out=13.99TL=110dx2in=0Lin=L_2/2L_2=40SLINInTL=50.9ID=InputLine1Lout=L_3W=6.8 mmTrIn_dx=dx2inL=5 mmWleft=4.959TrOut_dx=dx2outWright=2.782W0=11.981PORTP=3Z=50 OhmPORTP=2Z=50 OhmPORTP=5Z=50 Ohm132SUBCKTID=D22NET="Junction"TL=220Lin=10InTL=61.57Lout=L_2/2TrIn_dx=dx1inWleft=1.243TrOut_dx=dx1outWright=2.568W0=6.783SLINID=InputLine6W=6.8 mmL=5 mmPORTP=7Z=50 OhmPORTP=6Z=50 Ohm1SSUBEr=2.8B=10 mmT=0.05 mmRho=1Tand=0Name=SSUB132SUBCKTID=D34NET="Junction"TL=110Lin=L_2/2SLINID=InputLine7InTL=69.74W=6.8 mm Lout=L_3TrIn_dx=dx2inL=5 mmWleft=9.347TrOut_dx=dx2outWright=1.004W0=9.989PORTP=8Z=50 OhmSLINID=InputLine8W=6.8 mmL=5 mmPORTP=9Z=50 Ohm101Рисунок 3.39 Структурная схема математической модели косекансного делителя102Рисунок 3.40 Диаграмма направленности косекансного делителяРисунок 3.41 Диаграмма направленности косекансного делителя в нижнемрабочем диапазоне частот103Рисунок 3.42 Диаграмма направленности косекансного делителя в верхнемрабочем диапазоне частотРисунок 3.43 Ошибка синтеза ДН в рабочем секторе углов104На рис.

3.44 приведена зависимость КСВ в рабочем диапазоне частотРисунок 3.44 Зависимость КСВн от частоты полоскового косекансного делителяТаким образом, полученная топология делителя обеспечивает согласование повходу не хуже, чем 1.2 при наличии необходимого запаса по усилению в секторерабочих углов косекансной ДН и УБЛ в секторе углов излучения в направленииземли не больше -23 дБ.3.5 Выводы1. Предложена и разработана единая полосковая двухчастотная система возбуждения ФАР ОГП мобильного ИРЭК с заданными характеристиками направленности и сектором сканирования.

В системе возбуждения применено раздельноеформирование АФР для суммарного и разностного каналов для обеспечения требуемых направленных свойств моноимпульсной ДН в пределах главного лепесткасуммарного канала.2. Построена модель и разработана программа расчёта двухчастотных делителей мощности для обеспечения заданных характеристик направленности с использованием алгоритмов численной многопараметрической оптимизации.3. Заданы критерии оптимальности и использован алгоритм оптимизации параметров делителей для обеспечения заданных характеристик направленности исогласования антенной решётки во всём рабочем диапазоне частот с учётом конструкторско-технологических ограничений.

Численными электродинамическими105методами исследованы характеристики антенной системы при наличии амплитудно-фазовых ошибок в системе возбуждения.4. Разработаны алгоритм и программа расчёта двухчастотного полосковоговозбудителя для суммарного, разностного каналов и канала подавления боковыхлепестков с учётом установленных величин допусков технологии изготовления. Напервом этапе математически синтезировано амплитудно-фазовое распределение иопределены коэффициенты деления делителей мощности в среде Mathcad, на втором этапе разработана и отлажена математическая модель, позволившая осуществить численную оптимизацию параметров схемы деления мощности для достижения заданных направленных свойств и характеристик согласования.5.

Сформирована косекансная диаграмма направленности в вертикальнойплоскости для двух рабочих частот. Полученная ДН обеспечивает превышение минимального теоретического уровня в рабочих азимутальных углах не менее 3 дБ иУБЛ в направлении горизонта не более -23 дБ.6. Разработана и оптимизирована конструкция частотного диплексера, обеспечивающая развязку передающих (приёмных) частотных каналов не хуже -80 дБ присогласовании устройства по КСВ на входе не больше 1,02.106Глава 4. Уменьшение УБЛ в антенных решётках путём пространственногоразмещения элементов4.1 Предварительные соображения и состояние вопросаУБЛ является важнейшей характеристикой антенных решёток, определяющейих помехозащищённость, электромагнитную совместимость, а в РЛС – вероятностьложного обнаружения целей и скрытность работы.

В современных радиотехнических системах (РЭС) УБЛ не должен превышать -20,-25 дБ. Для достижения такогонизкого значения УБЛ на практике применяются различные способы синтеза и оптимизации АФР, а также различные варианты размещения элементов в антеннойрешётке и алгоритмы обработки сигнала в приёмных системах.Одним из способов синтеза ДН с низким УБЛ является применение АФР специальной формы [19-21]. Одним из вариантов специальных АФР можно выделитьоптимальные Дольф-Чебышевское распределение амплитуды поля возбуждения поапертуре антенны [19,22], позволяющие подавить до определённого уровня боковое излучения за счёт расширения главного лепестка ДН. В работах [23,24] предложен метод амплитудно-фазового синтеза антенных решёток произвольной геометрии по заданной ДН. В статье [25] рассматривается методика определения токоввозбуждения кольцевой передающей телевизионной антенной решётки из диполейпо заданной форме ДН в горизонтальной плоскости.Вопросам синтеза многокольцевых антенных решёток, излучающих по нормали к плоскости размещения излучателей, посвящены работы [26, 27].

В статье[27] рассматривается задача оптимизации основных характеристик кольцевых концентрических антенных решёток (ККАР) с равномерным амплитудным распределением, путём оптимального выбора радиусов концентрических окружностей. Вработе приводятся результаты оптимизации радиусов ККАР, полученные симплекс-методом. В статье [27] рассматривается задача оптимизации размещенияэлементов с целью получения минимального УБЛ в заданной зоне углов.

Элементыантенной решётки располагаются в узлах ломаных, образующих N- лучевую107звезду. Для этой системы приводится описание алгоритма оптимизации и результаты расчёта характеристик при разном числе элементов. В монографии [28] рассматриваются различные методы анализа и синтеза антенных решёток на основеатомарных функций и даются рекомендации по их использованию для разработки.Для решения задач синтеза наиболее эффективными оказываются численныеметоды оптимизации, такие, например, как генетический алгоритм [17]. Однако,численные методы оптимизации, как и многие другие методы, применимы при работе антенной системы в узкой полосе частот. Поэтому целесообразно использовать комбинированные методы синтеза амплитудно-фазового распределения и пространственного размещения элементов антенной решётки.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу минимизации бокового излучения является способ [27], в котором минимизация УБЛосуществляется с помощью оптимального размещения элементов на плоской апертуре.Существенным недостатком этого способа является уменьшение КПД антенны по сравнению с его значением при равномерном и эквидистантном заполнении апертуры, что особенно важно в бортовой аппаратуре.

Так как при оптимизации размещения уменьшается число элементов. Таким образом, данный способнельзя применять в системах, для которых, важнейшими параметрами являютсяэнергетический потенциал и УБЛ при ограниченной площади апертуры. К такимсистемам относятся бортовые радиолокационные системы и некоторые наземныетелекоммуникационные системы.Одной из важнейших задач, возникающих при разработке антенной системы,размещаемой на борту ЛА, является задача уменьшения уровня бокового излучения, и пути её решения хорошо известны. Как упоминалось ранее, к ним относятприменение спадающих к краям амплитудных распределений, а также синтез АФРметодами численной многопараметрической оптимизации [17].

Специфика проектирования и эксплуатации антенных систем в условиях размещения их на борту ЛАсвязана с жёсткими требованиями по ограничению рабочих частот, а также массогабаритных характеристик устройства. При этом для работы радиотехнической108системы антенна должна обеспечить заданный уровень усиления (требования понаправленности). Использование методов уменьшения УБЛ, связанных с изменением амплитуд возбуждения антенных элементов решётки, приводит к падениюусиления, КИП и расширению главного лепестка ДН. Применение амплитудно-фазовых методов (использующих в своей основе, в том числе, методы численной оптимизации) ограничивает полосу частот и налагает повышенные требования наточность изготовления элементов антенного полотна.Процедура подавления бокового излучения антенной системы, в общем случае, связана с уменьшением КУ.