Устройства СВЧ и Антенны (Д.И. Воскресенский и др) (561333), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Элементная база ФАР включает: излучатели, фазоврашателн, коммутаторы, сумматоры (делители) мощности и линии передач СВЧ. Центральным элементом — якирпичикомэ, из которого строится ФАР, служит фазоврашатель. Его важнейшньш характеристиками явлюотся мощности потерь, управления и предельно допустимая рабочая полоса частот, быстродействие, зависимость фазового сдвига от управляющего воздействия, габариты и стоимость. Волноводное, коаксиальное, полосковое,микрополосковое исполнение фазоврашателя определяет выбор не только тракта СВЧ, но и типа излучателя.
В диапазоне СВЧ широкое применение нащлл полупроводниковые (рш-диодные) и ферритовые фазовращатели, которые принято разделять на проходные и отражательные, взаимные и невзаимные, дискретные и плавные, с памятью фазового сдвига и без запоминания. Проходной фазовращатель — это четырехполюсное согласованное устройство СВЧ, вносящее дополнительный фазовый сдвиг от 0 до 360' в зависимости от управляющего сигнала. Отражательный фазовращатель — зто двухполюсное устройство (короткозамкнутый отрезок ляпин СВЧ), у которого фаза отраженной волны также упранляется. Короткое замыкание выходных клемм в проходном фазовращателе преобразует его в отражательный, а отражательный фвзоврашатель может быть прбобразован в проходной за счет применения мостового устройства.
Взаимный фазоврашатель обладает одинаковым вносимым фюовым сдвигом при прямом и обратном направлении распространения волны, невэаимиый же фазовращатель этим свойством не обладает. Как правило, невзаимный фазоарашатель использует в электрически управляемой среде невзажчиый эффект, например, эффект Фарадея в феррите. Взаимный отражательный фазовращатель с У-пиркулятором образует проходной неазаимный фазовращатель. Дискретный фазовращатель изменяет фазу выходного сигнала дискретно (скачками) на ь = 36073( Величину 5(для удобства управления ЭВМ выбирают равной двум в пелой степени, т.е. И=2", где р=),2,3 — разряд фазовращателя. Дискретный фазовращатель вносит максимальную фазовую ошибку Ь)2.
Нашли применение фазовращатели с 6690' — даухразрядные, 6=45' — трехразрядные, А=22,5' — четырех- разрядные и с меньшими дискретани. Серийно выпускаются (как готовые изделия) полупроводниковые и ферритовые дискретные фазовращатели с использованием прямоугольной петли гистерезиса (ППГ). Они обладают элементом памяти, т.е. сохраняют внесенный фазовый сдвиг после снятия управляюшего воздействия. Аналоговые фазоврашатели — фвзоврапштелн с плавным изменением фазы от управляющего тока (напряжения) — могут иметь дискретность фазирования прн сопряжении с системой управления лучом антенны ЭВМ. Широко применяются ферритовые юаимные и невзаимные фазоврашатели, проходные и отражательного типа для различных поляризаций водны.
Характеристики различных типов фазоврашателей приведены в таблице. Быыра- Момнос Знергие Калитнп Часто-, Чнмы Мопмоьть, Пом н, мкс ння Вт н плодов 1Ьлупроволннксвме отрмквтсльные взвнмныс В зйг ~ г 2 1,0 ! О,» 1О з4,0 2 Ю 1,1 1 0,5 1,55 В5,2 ) 2 !О 0,9 ! 1,5 Проходной пплупроводннковый (взвнмный! 8,5 ( е2,5 4 30 ) 2 ) 1 ! 1,0 Феррнтовый «звнмнып прокодной ды произвольной полврнзвпнн 15,3 ! 55 ! — ! 3 ( О,а ( 50 ) 0,33 полноводный Ковкммльныа Полосковый Валноводныд Полосковьж 1б 24 полноводный Ферре!оный невзвнмный прахолной боа 0,95 3 5,б5 Ш,5 5 5,0 »АО Ватноводный днакрептый Волюволный внюоговый 100 0,7 10 — 800 Разработаны фюовращатели на различные уровни мощности, рабочие днапюоны н разрялностн. Ферритовые фазовращатели на длинах волн короче 5 см могут обладать меньшими потерями, чем полупроводниковые. Полупроводниковые фазоврашатели имеют болынее быстродействие и меньшие массу н габариты, но стоимость их выше. Увеличение разрядности приводит к дополнительным потерям, большей стоимости и увеличению мошностн управления.
Размещение в плоской решетке с шагом (0,5-0,7)й излучателей с фазоврашателями, элементами креплеюш и управлмошимн цепами наюталывает жесткие ограничения ыа их размеры. Эти трудности растут с уменьшением рабочей длины волны и в миллиметровом диапазоне волн (особенно в коротковолновой части) приводят к новым конструктивным решениям электрически сканирующих антенн: электрически управляемым линзам, голографичесним управляемым транспарантам и др.
Одним из важнейших критериев выбора фазоврашателя является его стоимость, в значительной степени определлюшая стоимость всей ФАР. В диапазонах КВ и УКВ в качестве устройатв фвэироваиия нашли применение управляемые линии задержки - коммутируемые отрезки линии с волной Т длиной по. рядка половины раскрыва ФАР. Такие фазовращатели, называемые трамбоммымм, обеспечивают работу в широком диапазоне частот. Известны СВЧ-фвзоарыпатели, испалюуюц!ие сегнетозлелтрики и гвзоразрядную илиму, но не нашедшие практического использования из-за низкой температурной стабильности и других неудовлетворительных характеристик. Вторым важнейшим элементом ФАР СВЧ-диапазона является излучатель, в качестве которого используют вибраторы, открытые концы волноволов, диэлектрические стрежневые, спиральные, щелевые и печатные излучатели и другие слабонаправленные антенны.
Выбор типа излучателя определяется рабочим диапазоном и полосой частот, излучаемой мощностью, требуемой поляризацией, сектором сканирования луча и конструктивным исполнением фазовращателя и тракта СВЧ. В рабочей полосе частот и секторе сканирования излучатель должен иметь ДН в системе без провалов и должен быть согласован. Оптимальная ДН излучателя плоской решетки, при которой излучатель будет во время сканирования согласован, а КНД максимальным, представляется как чгсозВ, где 9 — угол, отсчитываемый от нормали к раскрыву для произвольной плоскости. Это легко показать следующим образом.
Допустим,что излучатели в секторе сканщювания согласованы, т.е. входные сопротивления неизменны. Следовательно, излучаемая мощность Р, при отклонении луча неизменна. Из теории решеток и излучающих апертур известно, что при отклонении луча КНД падает по закону созО, т.е. 4лг П Ос(9)4ПесозО. Так как Пс=, где Ет П = — и поле антенны Е„есть сумма по- 240я лей элементов, то Е„(О) = Е, (О)./созВ . Это справедливо для эквидиствнтных больших ре. Рнс. 18з. дн элемента решетки ем взаимолейсщия для идеакьного щеток, в которых можно не учитывать краевые (пуикгирная линия) и рсьтьна о изш ~ателей эффекты Отличие ДН излучателя от идеальной приводит к падению КНД и соответствующему рассогласованию тракта (рис.
18.8). Диаграмма направленности элемента в решетке зависит от параметров излучателя, шага и конфигурации решетки, наличия конструктивных элементов крепления, укрытия и тш. Улучшения ДН элемента и, следовательно, согласования можно достичь применением дополнительных элементов: многослойных диэлектрических покрытий, направляющих элементов (директоров, рефлекторов), диэлектрических заполнений, Импедансных поверхностей и тд. В последние годы были проведены обширные теоретические и экспериментальные исследования перечисленных излучателей ФАР с целью поиска наилучших 1зезУльтатов. В теории были разработаны физические и математические модели лая численных методов решения соответствующих краевых электродинамических задач.
Созданы программы расчета характеристик и их оптимизации, которые позволжот по заланным требованиям к ФАР выбрать излучатели разяичных типов [3). К элементной бше ФАР относятся системы распределения мощности СВЧ на различных линиях передачи: мостовые устройства, направленные ответвители, двухканальные и многоканальные системы распределения мощности, поляризаторы и другие элементы трактов СВЧ-антенн.
Потребность в этой элементной базе зависит от выбранной схемы построения поляризапионных характеристик. При пространственном способе возбуждения моноимпульсной ФАР используется несколько мостов СВЧ, с помощью которых формируютса 300 суммарно-рюностные ДН Филерный способ возбуждения или создание ФАР с управляемой поляризапией резко усложняет систему распределения мощности СВЧ. Широкоугольное сканирование в выпуклых ФАР или управление поляризацией поля дополнял элементную базу коммутаторами СВЧ. 18,3.
Хирактернстинп ФАР 2,1 2Н «- 29 е,т » Приближенно число управляемых элементов Г«' — = — '" «ь1 и при двухмерном скышровании Рнс. 18.Э. Пирамида«ьлш ФАР, образованная системой пюскнх Гсшегок (18.1) Известны и другие подходы к определению А', например, на основе КНД' (! 8.2) яя Практически число управляемых элементов в ФАР превышает найденное по формулам (18.1) и (18.2) и связано с допустимым уровнем боковых лепестков (УБЛ) и изменением направленности в секторе сканирования. В плоской АР прн движении луча изменяется его ширина (рис.
18.10), УБЛ и соответственно КНД, что ограничивает ис- за 8 Расчет характеристик ФАР по сравнению с расчетом ранее рассмотренных антенн значительно усложняется, так как требуетсл определять эти характеристики в секторе сканирования, т.е, риде положений луча в пространстве, рабочей полосе частот, а также учитывать возможные различия в фазовом распределении и размешеннн излучателей Прямые численные методы суммирования полей элементов ФАР малопригодны для выпадения основных закономерностей. Поэтому в теории ФАР рювиты приближенные, но достаточно точные методы анализа и расчета, позволшоШие установить последовательно влияние дискретности рвзмешения и управления, полосы частот и сектора сканирования на основные характеристики. Сел«нор сканирования и чисто уира»плющил злвтгентев ФАР. Пространственный сектор сканирования ФАР может быть задан предельным отклонением луча по иимуту *Р,„и углу места яВ,„или телесным углом обзора П,„в стерадивнах.
Энея требуемую рабочую двину волны Д, направленность действия (ширину луча 29« т, н 2рэт» или кнД (зе), можно установить минимальное число управляюших элементов Аг. Ример антенны Ь связан с шириной луча соотношением 20а,» = Л! Ь . Ширина ДН элемента ФАР по нулевому уровню должна быть больше 20,„по крайней мере на 20»т», т.е. Размер элемента Ь определяется как 2лйаю0„2лг(мп(О„ьЬ О,„) Чг '= Л Л 482 Отсюда находим частотный ход луча: АЛ ОФ = — тйоьп Л который не зависит от рюмера антенны и растет с откяонепием луча О„. В резулыате изменяется направленность действня: растет УБЛ и падает КНД. Задавшись допустимым изменением характернстпк, можно найти рабочую полосу.
Если принять, что смешение ауча не лолжно превышать половины его ширины, то (18.4) Л 2 Есозбэ Л 2ЕмпО,„ (18 3) Если задаться лопустлмым падением КНД на 1 дБ в секторе *ОО, то расчеты [2) позволят установить простую связь между рабочей полосой частот (%) н шириной диаграммы направленности антенны (град): (л,~)У)% 29„,. (18.5) позьзуемый на практике сектор сканирования до 445,.жбО'.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
