Автореферат (1137112), страница 2
Текст из файла (страница 2)
рис. 1), Nкоаксиальных кабелей распределительной системы длинной L1 , соединяющихзонды Z1 ÷ Z N с излучателями R1 ÷ RN так, как показано на рис. 1. Расстояниемежду соседними излучателями распределительной системы равно d . Входамилинзовой системы являются зонды Z1' ÷ Z M ' . Линзовая система излучает воткрытое пространство через излучатели R1 ÷ RN .
Положение зондов Z 1' ÷ Z M 'варьируетсядляизлучателях R1 ÷ RN .полученияоптимальногоИспользованиекабелейфазовогоL1 ÷ LNраспределенияпозволяетнаввестидополнительную степень свободы и геометрически разделить задачу полученияфазового распределения и излучения.10Излучающая апертураR1R2R3k1k2α1α2αi = 0kiα M −1αMk M −1kMRN-1RNРис. 3. Заданные углы излучения апертуры.Для обеспечения отклонения фазового фронта плоской волны на угол α j( j = 1 ÷ M ) (см.
рис. 3), разность фаз ∆ϕ j между соседними излучателями Ri иRi +1 должна составлять следующую величину (см. рис. 4):∆ϕ j = 2πdDj(1)где D j - расстояние вдоль линии расположения излучателей междуточками электромагнитной волны с фазой, отличающейся наπ 2 для плоской11волны с наклоном фазового фронта на угол α j . Кратчайшее расстояние междудвумя точками, отличающимися по фазе на 2π равно длине волны λ (см. рис. 4).D j , как видно из рис. 4., может быть определено изА расстояниетригонометрических соотношений [21] следующим образом:Dj =λsin α j(2)αjλΔrjdRiRi+1αjRi+2L1Z1Z2ZNZN-1lj,2lj,1lj,N-1lj,NZj`Рис. 4. Определение разности хода для обеспечения заданного угла отклоненияглавного луча ДН АР.Объединяя выражения (1) и (2) получим следующее соотношение дляопределения ∆ϕ j :∆ϕ j = 2πd sin α j(3)λ12Для обеспечения отклонения луча, излучаемого апертурой, на уголαjнеобходимо обеспечить разность длин ∆rj (4),∆rj = d sin α j(4)Рассмотрим на рис.
5 геометрию задачи, где определим условиерасположения зондов Z1 ÷ Z N , относительно зонда Z1' что означает выполнениеусловия (4) для j = 1.Пусть расстояние от зонда Z1' до зонда Z1 равняется l1,1 (см. рис. 5), тогдагеометрическое место точек, для которых это условие выполняется – этоокружность радиуса l1,1 с центром в точке Z1' .
Таким образом, зонд Z1 можетбыть расположен в любой точке данной окружности.Зонд Z 2 будет расположен в любой точке окружности радиуса l1, 2 сцентром в точке Z1 , причемl1, 2 = l1,1 + ∆r1 .(5)По аналогии - зонд Z i будет расположен в любой точке окружностирадиуса l1,i , что должно быть справедливым для всех i = 1 ÷ N (см. рис. 5) идолжно выполнить следующее соотношение:l1,i = l1,1 + ∆r1 ⋅ (i − 1)(6)Теперь рассмотрим ситуацию для зонда Z M ' . Определим условиерасположения зондов Z1 ÷ Z N , относительно зонда Z M ' (см. рис. 5).Пусть расстояние от зонда Z M ' до зонда Z1 равняется lM ,1 , тогдагеометрическое место точек, для которых это условие выполняется – этоокружность радиуса lM,1 с центром в точке Z M ' . Таким образом, зонд Z1 будетрасположен в любой точке данной окружности.Зонд Z 2 будет расположен в любой точке окружности радиуса lM , 2 сцентром в точке Z M ' , причем13lM , 2 = lM ,1 + ∆rM ,(7)которое с учетом условия (2.7) будет выглядеть следующим образом:lM , 2 = lM ,1 − ∆r1(8)Отметим, что если радиусы окружностей с центром в месте расположениязонда Z1' будут увеличиваться на величину ∆r1 , то радиусы окружностей сцентром в месте расположения зонда Z M ' будут уменьшаться на ту же самуювеличину.По аналогии зонд Z i будет расположен в любой точке окружности, центррадиуса lM ,i для всех i = 1 ÷ N (см.
рис. 5) и должно выполняться следующеесоотношение:lM ,i = lM ,1 + ∆rM ⋅ (i − 1) ,(9)Таким образом, зонды Z1 ÷ Z N будут располагаться на эллипсе, азонды Z1 ' и Z M ' в фокусах данного эллипса, т.к. сумма расстояний от зондовZ1 ' и Z M ' будет оставаться постоянной.ZiZ1l1,2Z2l1,1ZNZN-1lM,2lM,1L1,N-1L1,NZM`Z1`lM,NlM,N-1Рис.
5. Определение геометрического места точек для совместного выполнения14условий расположения приёмных зондов Z1 ÷ Z N для излучающих зондов Z1' иZM ' .Если в данной системе соединить выходы распределительной системылинзового типа с апертурой антенны кабелями одинаковой длины L1, тогдаполучится, что угол отклонения луча будет соответствовать α1 привозбуждении зонда Z1' и α M = −α1 при возбуждении зонда Z M ' , при этом линзабудет работать в широком диапазоне частот, поскольку выравнивается не фаза,а длина пути луча.В данной системе приемные зонды Z1 ÷ Z N располагаются на эллипсе,причем расстояние между соседними зондами вдоль большой полуосиэллипса ∆x (см.
рис. 6) одинаково и равно:∆x =a∆rf(10)Приращение длины внутри распределительной системы ∆r выбираетсяиз условия обеспечения требуемого угла отклонения луча на излучающейапертуре.Однако если распределительная система заполнена диэлектриком сотносительной диэлектрической проницаемостью ε , то длина волны внутрираспределительной системы будет вεраз меньше, чем в открытомпространстве и выражение (10) может быть записано в следующем виде:∆x =a d sin(α1 )⋅fε(11)15αR1R2j∆r j εR i-1R3R N -2R i +1RiR N-1RNdZ i +1Z i-1aZiZ2Z1γaZ N-1∆rjZNaj∆x∆rjOfZ1'fZ M'xZ j'Рис. 6. Место расположения приемных зондов Z1 ÷ Z N .При разработке методики выбора местоположения передающих зондовZ 1' ÷ Z M ' были заданы критерии по минимизации средней фазовой ошибки(линза 1-го рода) и минимизации фазовой ошибки на границе апертуры (линза2-го рода).Расстояние от излучающего зондаZ j'до приемного зондарасположенного в вершине эллипса, равно R j (см.
рис. 7):x j + (b − y j ) = R j222(12)16Zi ,yaZiZi-1Zi +1Z2ZNZ1γR j − n∆r j R j R j + n∆r jjOxjbyZN-1jy1 = yNxZj'x1 = −n∆xxN = n∆xРис. 7. Геометрия расположения зондов диаграммообразующей системыоптического типа.Тогда в зависимости от выбранного угла γ j , который равен углу междумалой полуосью эллипса и лучом, проходящим из вершины эллипса кпередающему зонду Z j ' , запишем выражение для расстояния R j , на котороммогут располагаться передающие зонды при условии минимизации среднейфазовой ошибки:Rj =n∆x cos γ jA+2 Acos γ j(13)где А – коэффициент, зависящий от параметров эллипса и заданного шагамежду излучателями на апертуре.Выражение для расстояния rj , равное расстоянию между вершинойэллипса и излучающему зонду z j ' , местоположение которого выбрано с учетом17минимизации фазовой ошибки на границе апертуры выглядит следующимобразом:rj = −F + F 2 − G(14)где F и G – коэффициенты, зависящие от выбранного угла γ j , параметровэллипса и выбранного шага между излучателями на апертуре.В работе приведен пример построения диаграммообразующей системыдля следующих исходных данных:Количество приемных зондов:N = 69(15)Количество передающих зондов:M =5(16)Большая полуось эллипса, приемных зондов Z1 − Z 69 :a = 340 мм(17)Углы отклонения диаграммы направленности (ДН):α1 = −α 5 = α max = 3.62 α 2 = −α 4 = 1.81α3 = 0(18)Рабочая частота:F = 4.2 ГГц(19)Расстояние между излучателями:d = 42 мм(20)Проекция расстояния между приемными зондами на большую полуосьZ1 − Z 69 :∆x = 6.92 мм(21)Относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющуюраспределительную систему:18ε = 2.1Спомощьюприведенных(22)вышеаналитическихвыраженийпонахождению местоположения приемных и передающих зондов можно оценитьгабариты системы, а также графически отобразить места расположенияприемных и передающих зондов.
Для исходных данных (15) – (22) картинаследующая:y,ммабвх,ммРис. 8. Кривые расположения зондов: а – приемных зондов, б – передающихзондов для линзы 1-го рода, в – передающих зондов для линзы 2-го рода.При размещении передающих зондов в области между кривыми б и в (см.рис.
8), т.н. линзы 3-го рода (см. рис 9), можно достичь усреднения значенийфазовых ошибок, а также заложить устойчивость системы к технологическимпогрешностям при изготовлении.19yZ1’Z5’f-fz4’z2’Z2’Z4’z3’Z3’хРис. 9. Построение окружности для расположения передающих зондов линзы 3го рода.Приведем графики зависимости максимального отклонения длиныфазового набега по сравнению с идеальным значением для линзы 1-го, 2-го и 3го рода.Кривая «а» на рис. 10 показывает зависимость для линзы 1-го рода,кривая «б» на рис. 10 показывает зависимость для линзы 2-го рода, а кривая «в»- для линзы 3-го рода. Из графика отметим, что максимальная фазовая ошибкапо длине для линзы 3-го рода будет равна 0,25 мм.
Пересчитаем даннуюфазовую ошибку в градусы, исходя из условий (20) и (22):ϕ max =0,25 ⋅ 360 ⋅ F ⋅ ε≈ 1,85c(23)где c – скорость света в вакууме.Т.е. при изготовлении линзы 3-го рода с достаточно большим допускомпо неточности размещения передающих зондов равным 3,06мм, фазоваяошибка будет незначительной.20dyбавnРис. 10. Сравнение максимального отклонения по длине фазового набега посравнению с идеальным значением для линз 1-го, 2-го и 3-го рода примаксимальной фазовой ошибки.Приведемграфикираспределительнойдиаграммсистемы.направленностиПредставимграфикидлярассчитаннойдляравномерногоамплитудного распределения (см.
рис. 11), для амплитудного распределениякосинус на пьедестале с Δ=0.1 (см. рис. 12), и для амплитудного распределениярастянутого косинуса на пьедестале с Δ=0.1 (см. рис. 13).Проанализируем результаты рис 11 - 13:• При равномерном распределение получается самый узкий луч –пересечение на уровне -7 дБ, и максимальный уровень боковыхлепестков – 13 дБ.• При распределении косинус на пьедесталеΔ=0.1)(главный лучдиаграммы направленности расширяется – пересечение на уровне -4дБ, а уровень боковых лепестков уменьшается до – 23 дБ.21• При распределении растянутый косинус на пьедесталеΔ=0.1) (главный луч диаграммы направленности еще сильнее расширяется –пересечение на уровне -2.5дБ, а уровень боковых лепестковминимизируется до уровня – 41 дБ.Из соображений оптимизации системы по минимальному уровнюбоковыхлепестковдиаграммынаправленностибудемиспользоватьамплитудное распределение – растянутый косинус на пьедесталеΔ=0.1).(Данноеамплитудноераспределениеобеспечиваетсяразличнымикоэффициентами усиления усилителей в каждом канале АФАР.dBαРис.
11.Диаграмма направленности при равномерном амплитудномраспределении.22dBРис. 12. Диаграмма направленности при распределении косинус на пъедестале.dBαРис. 13. Диаграмма направленности при распределении растянутый косинус напъедестале.23Из полученных диаграмм направленности видно, что при построениимноголучевыхАФАРнаосновепредложеннойметодики,возможнореализовать уровень боковых лепестков до 40 дБ.Втретьейглавепромоделированыпереходныепроцессывдиаграммообразующей системе оптического типа, построены диаграммыраспределения модуля вектора напряженности электрического поля.В четвертой главе промоделирован возбудитель электромагнитнойволны, который является переходом от коаксиального кабеля к зонду линзы.Впятойглавеприведенпримермоделированиячастотногомультиплексора, построенного на основе принципов геометрической оптики.В шестой главе рассмотрен дискретный фазовращатель, реализованныйв приемных модулях многолучевой АФАР.В заключении представлены выводы по результатам диссертационнойработы.СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИРаботы, опубликованные автором в рецензируемых журналах,рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
