ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2023
Просмотров: 65
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
-
Активная фазированная антенная решётка - АФАР
АФАР - фазированная антенная решётка, в которой направление излучения и (или) форма диаграммы направленности регулируются изменением амплитудно-фазового распределения токов или полей возбуждения на индивидуальных активных излучающих элементах.
АФАР состоит из активных излучающих элементов (или конструктивно объединенных групп таких элементов - многоканальных модулей), каждый из которых состоит из излучающего элемента и активного устройства (приемопередающего модуля, ППМ). Приемопередающий модуль, по меньшей мере, регулирует начальную фазу несущей радиосигнала, проходящего через активный излучающий элемент (для электрического сканирования луча), а также усиливает передаваемый и (или) принимаемый этим элементом радиосигнал. Более сложные ППМ могут регулировать амплитуду радиосигнала, осуществлять преобразование радиочастоты, а также генерировать (формировать) радиосигнал, преобразовывать его из аналоговой в цифровую форму и (или) из цифровой в аналоговую.
Для совместной согласованной работы все приемопередающие модули АФАР должны объединяться через распределитель (цепь, которая в режиме передачи распределяет по ППМ радиосигнал возбудителя, в режиме приёма — собирает радиосигналы с выходов ППМ в радиоприёмное устройство), а работа всех ППМ должна быть синхронизирована. Помимо излучающих элементов, ППМ и распределителя, АФАР содержат систему питания (вторичные источники электропитания для питания ППМ), систему охлаждения (для отвода тепла, выделяемого при работе ППМ), систему управления (цепи управления амплитудно-фазовым распределением и режимами работы ППМ и диагностики их состояния), а также основание, на котором закреплены составные части АФАР.
Схемы возбуждения передающих АФАР
Как уже говорилось, для возбуждения модулей передающих АФАР могут использоваться схемы возбуждения трех типов:
-закрытая, или фидерная;
-открытая, или оптическая;
-гибридная (гибридные зеркальные антенны).
Закрытая схема возбуждения имеет большие возможности в управлении амплитудой возбуждения каждого элемента ФАР или модуля АФАР. В такой системе для решения задачи распределения мощности возбудителя используется набор делителей
мощности с соответствующим коэффициентом деления и отрезков линий передачи, соединяющих делители в замкнутую систему. При большом количестве элементов реализация заданного закона распределения комплексных амплитуд возбуждаемых элементов АФАР с закрытой системой возбуждения сопряжена с определенными трудностями. Одна из них - рассогласование элементов фидерного тракта, конечное значение развязок между каналами делителя мощности, отклонение электрических длин соединяющих отрезков линий передачи от заданных размеров и т.д.
Другой причиной является дополнительное ограничение рабочей полосы АФАР при использовании схемы последовательного возбуждения элементов в каждой строке и каждом столбце. Последний эффект может быть полностью устранен при использовании параллельной схемы возбуждения элементов АФАР, построенной на основе бинарных делителей мощности, когда длины линий в тракте каждого излучателя одинаковы.
При достаточно большом размере раскрыва АФАР или при использовании линий передач с большими погонными потерями суммарные потери фидерной схемы возбуждения могут достигать нежелательной для построения АФАР величины. Тогда при невозможности проектирования передающих модулей с достаточно высоким коэффициентом усиления исключается реализация одного сосредоточенного возбудителя, обеспечивающего нормальную работу всей решетки.
В этом случае необходимо использовать активную схему разводки, включающую промежуточные усилители, каждый из которых возбуждает отдельную подрешетку (рис.2.71). Неидентичность фазовых характеристик промежуточных усилителей ухудшает фазовые характеристики всей схемы разводки.
Рис.2.71. Передающая АФАР с активной схемой разводки
Дополнительным преимуществом фидерной схемы возбуждения следует считать возможность построения многолучевой АФАР, формирующей на одном раскрыве несколько независимо управляемых ДН. Кроме того, протяженность фидерной схемы возбуждения в глубину составляет малую часть от размера раскрыва АФАР.
Естественно, предпочтительной является пассивная схема разводки, когда вся решетка возбуждается одним сосредоточенным возбудителем, мощности которого с учетом потерь в пассивной схеме достаточно для возбуждения всех передающих модулей. Пассивная схема возбуждения обладает стабильными во времени характеристиками, практически не вносит неконтролируемых фазовых ошибок. При этом следует иметь в виду, что амплитудные и фазовые ошибки на выходе передающего модуля в условиях производства находятся в допустимых пределах, если в состав модуля входит не более трех-четырех усилительных каскадов.
Условием возможности реализации пассивной схемы разводки служит наличие в распоряжении разработчика возбудителя с выходной мощностью, удовлетворяющей соотношению
где N - количество элементов; Kp - коэффициент усиления модулей; LΣ - полные омические потери в фазовращателях, делителях мощности, фидерном тракте; p0 - выходная мощность модуля.
Потери в фазовращателях табулируются на этапе их отработки. Потери в N- канальном делителе определяются исходя из опытных экспериментальных соображений. Предполагая, что схема сумматора/делителя построена по схеме "елочка", омические потери на этаж суммирования/деления составляют величину
0,3 - 0,5 дБ при изменении частоты в диапазоне 1 - 10 ГГц.
Активная фазированная антенная решётка - АФАР
Потери в фидерном тракте (линиях разводки сигнала) определяются как
где l - длина линий (суммарная); α - погонные потери используемой линии передачи. Таким образом, суммарные омические потери в фидерном тракте АФАР могут быть определены по формуле
Оптическое возбуждение элементов АФАР при большом их числе избавляет от необходимости изготовления множества узлов на отрезках линий передачи. Путем использования достаточно сложных систем первичного возбуждения раскрыва АФАР можно добиться оптимального амплитудного возбуждения ее элементов.
При оптической схеме возбуждения (рис.2.72) имеют место потери, вызванные "переливанием" части энергии первичного излучения через края раскрыва АФАР. Величина этих потерь определяется допустимым с точки зрения работоспособности модулей передающей АФАР падением уровня излучения первичным излучателем энергии в направлении крайних элементов.
Рис.2.72. Проходная линзовая АФАР
Закон распределения амплитуды по раскрыву определяется не только формой ДН облучателя и геометрией АФАР, но и величиной эффективной поверхности вторичной апертуры АФАР (внутренней поверхности решетки в направлении к облучателю).
Несомненным достоинством оптической схемы возбуждения является относительно простая реализация многолучевой системы, причем количество лучей может достигать нескольких десятков и даже сотен. Добиться этого можно используя облучатель в виде решетки с излучателями, разнесенными в фокальной плоскости линзы. Каждый излучатель формирует свой луч, направление которого в пространстве определяется положением данного излучателя в фокальной плоскости.
Недостатком оптической схемы возбуждения является то, что протяженность оптической схемы возбуждения в глубину сравнима с размерами раскрыва АФАР.
В АФАР с оптической схемой возбуждения возникает дополнительная проблема: создание плоского фазового фронта излучаемой волны. Она достигается с помощью линий задержки, которые выполняются либо в виде кабелей, либо в виде юстировочных фазовращателей с дополнительным набегом фазы в несколько λ. Недостаток такого решения проблемы заключается в исчезновении идентичности каналов (модулей) между первичной и вторичной апертурами.
Еще одной разновидностью АФАР являются гибридные зеркальные антенны (ГЗА). В качестве облучателя таких антенн используется АФАР (число элементов достигает 100 и более). К достоинствам ГЗА следует отнести:
-высокую энергетику при малом количестве облучающих элементов;
-возможность формирования нескольких независимо управляемых лучей;
-возможность формирования ДН сложной формы. Недостатками ГЗА являются:
-большая глубина (как и в случае оптической схемы возбуждения);
-необходимость выдерживать высокие точности при изготовлении зеркала;
-возникновение при большом размере облучателя не только эффекта переливания энергии через края зеркала, но и эффекта затенения.
Необходимо заметить, что закрытые (фидерные) схемы возбуждения имеют ряд преимуществ перед открытыми (оптическими) схемами:
-возможность точного управления амплитудой каждого элемента АФАР;
-продольный размер АФАР, на порядок меньший поперечного размера, что делает такую систему наиболее привлекательной при проектировании бортовой (самолетной) аппаратуры.
Однако при большом количестве излучателей фидерная схема имеет потери, превышающие потери в оптической системе.
Все фидерные схемы питания АФАР можно разделить на три группы: схема последовательного, параллельного и смешанного питания. С точки зрения широкополосного согласования, предпочтительнее схемы параллельного питания с одинаковыми длинами линии передачи в трактах каждого излучателя.
2. Структурная схема и принцип действия МАРЛ-А
Система зондирования атмосферы состоит из радиолокатора МАРЛ-А и радиозонда МРЗ-3, привязанного к наполненному водородом шару (находящемуся в свободном полете). Зонд излучает импульсно модулированный сигнал. Несущая частота 1672 МГц£ fЗ£ 1688 МГц, длительность импульса примерно равна 0,6 мкс, среднее значение периода следования импульсов составляет Тсл.з »1,25 мкс (среднее значение частоты следования импульсов fсл.ср» 800 кГц). Принимая сигнал радиозонда моноимпульсной антенной, можно измерять его текущие угловые координаты. Для измерения дальности зонда в состав МАРЛ-А включен передатчик запросного сигнала. Когда запросный импульс достигает зонда, в сигнале последнего возникает пауза длительностью Тсл.з, т.е. пропускается один импульс. Определяя задержку этой паузы tз относительно импульса передатчика РЛС, можно получить текущую дальность зонда R
,где С – скорость распространения радиоволн.
Информация о температуре и влажности атмосферы в месте, где находится зонд, передается с использованием манипуляции частоты следования импульсов зонда fсл.з. Частота fсл.з поочередно принимает два значения fсл.1 и fсл.2 (рис.1). В величине периода манипуляции Т поочередно кодируются значения температуры и влажности воздуха. Демодуляция сигнала зонда в РЛС позволяет определить значения Т и Т1, которые в виде чисел поступают в ПК оператора, где производится расчет метеопараметров атмосферы.
Рис.1. Закон манипуляции частоты следования импульсов зонда
Отметим еще одну функцию радиолокатора. Поскольку возможные отклонения несущей частоты сигнала зонда от номинала (±8 МГц) выходят далеко за пределы полосы пропускания приемника РЛС, последний автоматически настраивается на частоту принимаемого сигнала. Одновременно подстраивается и несущая частота сигнала передатчика РЛС с тем, чтобы она не отличалась заметно от частоты сигнала зонда.
Структурная схема радиолокационной станции представлена на рис.2. Поясним назначение отдельных частей. В формирователе частот (ФЧ) генерируется напряжение первого гетеродина приемника (несущая частота fг1 = 1480 МГц + d, где d - отклонение частоты сигнала зонда от номинала 1680 МГц) и импульсы с частотой передатчика (несущая частота fп = 1680 МГц + d).
Рис.2. Структурная схема МАРЛ-А
Блок ФЧ также содержит входную часть приемного тракта, состоящую из малошумящего усилителя (МШУ) и смесителя. На вход МШУ поступает принятый сигнал зонда из АФАР, а выходное напряжение смесителя на промежуточной частоте 200 МГц подается в приемное устройство.
Сформированный СВЧ импульс из блока ФЧ подается в АФАР, где этот импульс усиливается и через циркулятор подается в модули АФАР.
Активная фазированная антенная решетка содержит 64 приемо-передающих модуля и такое же количество сдвоенных дипольных излучателей. Пассивная часть антенны (сумматоры-делители, фазовращатели и излучатели) являются общими для передающей и приемной частей АФАР. Напряжение возбуждения АФАР разветвляется с помощью сумматоров-делителей на 64 канала, в которых напряжения фазируются и поступают через переключатели "прием-передача" в передающие части модулей. В последних осуществляется усиление напряжений до мощности не менее 2 Вт в импульсе и подача импульсов через ключи "прием-передача" на излучатели. Управление лучом АФАР в вертикальной плоскости осуществляется путем формирования нужного фазового распределения поля в раскрыве антенны. Нормаль к решетке образует угол 30° с горизонтом. Отклонение луча от нормали в вертикальной плоскости может составлять (-40°¸ +70°), т.е. (-10°¸ +100°) относительно горизонта.
Управление лучом АФАР в горизонтальной плоскости выполняется двояко: электронное управление путем регулировки фазового распределения поля в раскрыве и механическое управление с помощью электропривода. Сектор электронного сканирования составляет не менее ±25°; сектор механического поворота ±210°.
При измерении азимута зонда необходимо учитывать угол механического поворота АФАР - bмех. Информация об этой величине вводится в ПЭВМ с датчика "угол-код", имеющегося в механическом приводе.
Управление фазовым распределением в АФАР осуществляется с помощью 4-разрядных дискретных фазовращателей. Управляемыми элементами фазовращателей являются pin-диоды.
Принятые вибраторами АФАР сигналы зонда проходят через открытые ключи защиты в приемных частях модулей, усиливаются в малошумящих усилителях (МШУ), фазируются и поступают на устройство суммирования. На выходе последнего образуются 4 сигнала, соответствующие четырем подрешеткам АФАР (рис.3).
Измерение угловых координат выполняется методом квадрантного сканирования. При этом ДН АФАР периодически занимает одно из четырех положений: луч отклоняется на половину ширины ДН вверх, влево, вниз, вправо и т.д. Указанные ДН пересекаются вдоль равносигнальной линии (РСЛ). Смещение зонда с РСЛ приводит к амплитудной модуляции принятого сигнала с частотой сканирования. Глубина модуляции пропорциональна текущей угловой ошибке, а фаза модуляции соответствует направлению смещения зонда с РСЛ.
Квадрантное сканирование осуществляется путем фазовой манипуляции четырех выходных напряжений АФАР по законам, представленным на рис.3.
Рис.3. Измерение угловых координат радиозонда
с использованием квадрантного сканирования
а) Функциональная схема
б) Управляющие напряжения фазовращателей
в) Опорные напряжения фазовых детекторов
Фазовые сдвиги реализуются с помощью фазовращателей 0, p/2, управляемых двоичными числами. Управляющему числу ui=0 соответствует сдвиг фазы ji=0; если ui=1, ji=p/2. Из этих управляющих чисел формируются опорные напряжения (рис.3), поступающие на два фазовых детектора. На другие входы фазовых детекторов подается огибающая принятого сигнала с выхода приемника (на частоте сканирования) (рис.3), полученная путем амплитудного детектирования сигнала. На выходах фазовых детекторов получаются напряжения, пропорциональные угловым ошибкам в двух ортогональных плоскостях. Напряжения оцифровываются и поступают в микро-ЭВМ, где корректируются числа, управляющие фазовращателями АФАР таким образом, чтобы перемещением равносигнальной линии ликвидировать угловые ошибки. При этом в микро-ЭВМ вырабатываются числа, соответствующие текущим угловым координатам зонда b и e.