Диссертация (Двухчастотная фазированная мобильная антенная решётка РЛС L-диапазона), страница 7

В этом варианте конструкции наблюдается43существенная скорость нарастания КСВ в области нижних частот, что плохо сказывается на характеристиках согласования излучателя в составе решётки.2.1.6Модифицированныйширокополосныйпластинчатыйуголковыйвибраторный излучательСледующий вариант широкополосного излучателя представляет собой вибратор с изогнутыми плечами треугольной формы. Общий вид излучателя показан нарис.2.18. Угол изгиба плеч вибратора выбран в 10° для расширения ДН и секторасанирования угломестной плоскости. Возбуждение излучателя осуществляется коаксиальной линией с диаметрами центральной жилы и оплётки 2,14 и 7,2 мм соответственно.Рисунок 2.18 Модифицированный широкополосный пластинчатый уголковый вибраторный излучательЭлектродинамический численный расчёт модели модифицированного широкополосного вибратора показывает наличие запасов по частоте вблизи диапазоноврабочих частот по уровню согласования КСВ < 1,5 (рис.2.19).44Рисунок 2.19 Зависимость КСВн от частоты в области рабочих диапазоновЗапас по согласованию необходим для сохранения свойств излучателя в процессе изготовления.

Запас частотных диапазонов по согласованию по уровнюКСВ < 1,5 в данной модели составляет величину порядка 40 МГц на нижнем частотном диапазоне и 80 МГц на верхнем частотном диапазоне.На рис.2.20 приведены ДН в обоих рабочих диапазонах частот.Рисунок 2.20 ДН модифицированного широкополосного излучателя в Е и Нплоскостях на частотах 1,06 и 1,495 ГГц45Данный излучатель удовлетворяет основным требованиям по геометрическимпараметрам, КСВ и направленным свойствам в рабочих диапазонах частот. Приэтом полученная численная электродинамическая модель обладает приемлемойвычислительной сложностью для проведения процесса оптимизации геометрии излучателя для обеспечения требований в составе решётки с учётом взаимодействия.2.1.6.1 Взаимодействие излучателей в малоэлементной АРХарактеристики одиночного излучателя могут существенно отличаться от характеристик излучателя в составе решётки.

Для оценки влияния взаимодействияизлучателей в составе решётки по внешнему полю проведено исследование характеристик согласования излучателей и их направленных свойств в составе малоэлементной АР. На рис.2.21 представлена топология малоэлементной АР, составленной для исследования влияния излучателей в составе решётки. Расстояния междуэлементами решётки выбраны с учётом однолучевого режима работы и внешнихгабаритов.Рисунок 2.21 Топология малоэлементной АР из широкополосныхмодифицированных вибраторов46В результате численного электродинамического моделирования в среде CSTMicrowave studio методом FDTD определены ДН излучателя в составе решётки(рис.2.22).Рисунок 2.22 ДН излучателя в составе решёткиДН определена для центрального элемента решётки, как для излучателя, максимально подверженного эффекту взаимодействия.На рис.2.23 приведена схема расстановки портов возбуждения элементов АР.Жирным выделены излучатели, характеристики взаимодействия с которыми дляцентрального излучателя приведены ниже.Рисунок 2.23 Схема размещения портов возбуждения АР.

Красным отмеченисследуемый излучатель47Для исследования эффекта взаимодействия необходима оценить коэффициенты связи между исследуемыми излучателями. Для этого на рис.2.24 приведенызависимости S-параметров в рабочих диапазонах частот для выбранных излучателей малоэлементной АР. Индексы исследуемых излучателей схематично были показаны на рис.2.23.Рисунок 2.24 S-параметры матрицы рассеяния малоэлементной АР с учётомвзаимодействия излучателей в апертуре решёткиЗависимости S-параметров, приведённые на рис.2.24 показывают, что максимальная связь по полю в апертуре решётки находится между вертикально расположенными антенными элементами. При этом связь составляет величину не больше-7дБ.

На рис.2.25 приведена зависимость КСВ от частоты для излучателя в составерешётки.Рисунок 2.25 Зависимость КСВ от частоты для излучателя в составе решётки48Численный электродинамический анализ показывает, что полученная геометрия антенного элемента полностью удовлетворяет техническим требованиям по габаритным параметрам и КСВ, а также требованиям, предъявляемым к антенномуэлементу ФАР с электрическим сканированием в условиях взаимодействия элементов по внешнему пространству. При этом полученные электрические характеристики обладают определённым запасом, который даст возможность нивелироватьтехнологические погрешности, возникающие в процессе изготовления. На рис.2.26приведены зависимости КСВ малоэлементной АР, состоящей из 25 элементов.

Показанные зависимости получены путём численного электродинамического моделирования с учётом взаимодействия между излучателями.Рисунок 2.26 КСВ всех излучателей малоэлементной решётки из 25 излучающихэлементов с учётом взаимодействияГрафик на рис.2.26 показывает, что все элементы с учётом взаимодействияудовлетворяют требованиям по КСВ в рабочих диапазонах частот.492.1.6.2 Диаграмма направленности при сканированииДля оценки эффекта взаимодействия излучателей по полю в работе проведёнрасчёт характеристик направленности излучателя в составе малоэлементной решётки при электрическом отклонении луча на угол, заданный как предельный всекторе сканирования. На рис.2.27 приведены ДНf = 1.06 ГГцf = 1.495 ГГцРисунок 2.27 Диаграмма направленности малоэлементной решётки сэлектрическим поворотом луча в азимутальной плоскости на угол 45°По приведённой на рис.2.27 диаграмме направленности можно видеть, чтоУБЛ на предельном угле отклонения луча возрастает на 3,3 дБ в нижнем частотномдиапазоне и 0,6 дБ в верхнем.502.2 Особенности формирования суммарной, разностной диаграммнаправленности и диаграммы направленности канала подавления боковыхлепестков при работе в двухчастотных диапазонахВ соответствии с требованиями в горизонтальной плоскости антенная системадолжна формировать суммарную ДН шириной по уровню – 3 дБ- в диапазоне 1:8,0 ±0,8°;- в диапазоне 2:5,2 ±0,5°,при расположении максимума ДН по нормали к апертуре решётки.Длина антенной решётки по горизонтали не должна превышать 2,8 м, что причисле элементов в линейке N = 24 соответствует шагу 116,7 мм.

При заданном секторе сканирования ±45° шаг должен выбираться из условия [1]:d1 sin ск (2.1)Для первого диапазона шаг составляет шаг излучателей не должен превышать16.67 см, для второго диапазона шаг не должен превышать 11,76 см.Для обеспечения требований по размещению на краях апертуры шаг элементов решётки не должен превышать 107,7 мм. Ниже приводятся результаты расчётадля шага d = 105 мм.Требуемый низкий УБЛ для суммарной ДН может быть достигнут при использовании спадающего к краям амплитудного распределения [1]. В соответствии стребованиями, предъявляемыми к такому типу антенн, для обеспеченияУБЛ = - 20 дБ можно применить спадающее к краям амплитудное распределениевида:Σ () = ΔΣ + (1 − ΔΣ ) ∙ cos2 (2 ())2 () = ∙(−1)Σ=0,2 – пьедестал.(2.2)(2.3)51Разностные ДН должны иметь высокую крутизну.

Одним из вариантов амплитудного распределения для разностной ДН можно считать синусоидальное амплитудное распределение с пьедесталом  = 0,4. Амплитудное распределение выбирается с учётом того, что 4 центральных элемента не участвуют в формировании разностной ДН. Центральные элементы входят в канал подавления боковых лепестков. При формировании суммарной ДН работают все элементы. Форма амплитудного распределения разностного канала может быть определена следующим образом:sign ∙ [ΔΔ + (1 − ΔΔ ) ∙ sin( ∙ (||))] || > 2Δ () = |0 || ≤ 2(2.4)Формы амплитудных распределений показаны на рис.2.28.Рисунок 2.28 Амплитудные распределения суммарного и разностного каналов длядвух частотНа рис.2.29, 2.30 показаны ДН, соответствующие приведённым амплитуднымраспределениям.

Диаграммы приведены с учётом формы ДН элемента решётки.52Пеленгационная характеристика представляет собой зависимость напряженияна входе приёмника разностного канала. В пределах сектора рабочих углов она однозначно ставит в соответствие угол пеленга цели и напряжение на входе приёмника.Рисунок 2.29 ДН для суммарного и разностного каналов на центральной частотеf0 = 1,28 ГГц для обоих частотных диапазоновНа рис.2.30 приведены ДН суммарного и разностного каналов в области главного лепестка.Рисунок 2.30 ДН в области главных лепестков на центральной частотеf0 = 1,28 ГГц для обоих частотных диапазонов53ДН имеют пересечение по уровню -3 ±0,5 дБ. УБЛ по суммарному каналу непревышает уровня -30 дБ, по разностному -20 дБ.Пеленгационная характеристика моноимпульсной ДН [74] может быть определена, как мнимая часть комплексной ДН разностного канала.

( )∆ (, 0 ) = Im {∑|1 | ∑Δ=1..Δ − (sin − sin 0 ) }(2.5)где θ0 – угол электрического отклонения луча;AΔi – амплитудное распределение разностного канала ДН;f1(θ) – ДН одиночного элемента решётки;Xi – координаты размещения элементов решётки.На рис.2.31 приведена пеленгационная характеристика моноимпульсной ДН всекторе рабочих углов для крайних (f0 = 1,02 ГГц, f0 = 1,54 ГГц) и центральной(f0 = 1,28 ГГц) частот.Рисунок 2.31 Мнимая часть комплексной ДН разностного канала на центральнойчастоте f0 = 1,28 ГГц для обоих частотных диапазоновКрутизна разностной ДН определяется в секторе главного луча моноимпульсной ДН. Точность определения угловых координат цели по моноимпульсной ДНпрямо пропорциональна крутизне пеленгационной характеристики [74].Производная от пеленгационной характеристики показывает величину крутизны моноимпульсной диаграммы направленности.(, 0 ) = ( )∑Δ − (sin |Δ=1..Im {∑|1− sin 0 ) }(2.6)54Воспользовавшись свойством линейности операторов дифференцирования,взятия мнимой части и суммирования, формулу (2.6) можно упростить=1..Δ [1 ()Im { − (sin − sin 0 ) }]=1..Δ [1 () sin( (sin − sin 0 ))]1(, 0 ) = ∑| | ∑Δ−1(, 0 ) = ∑| | ∑Δ(2.7)(2.8)Пеленгационная характеристика определяется в секторе углов, ограниченномшириной главного луча суммарной ДН при фиксированном угле электрическогоотклонения моноимпульсной ДН θ0.На рис.

2.32 приведена зависимость крутизны пеленгационной характеристики в секторе рабочих углов для крайних (f0 = 1,02 ГГц, f0 = 1,54 ГГц) и центральной (f0 = 1,28 ГГц) частот без отклонения луча.Рисунок 2.32 Крутизна пеленгационной характеристики для крайних ицентральной частотАнтенная решётка должна обеспечит электрическое управление лучом в секторе углов ±45°, что скажется на форме ДН.