Реферат: Совмещенные двухчастотные ФАР

СОВМЕЩЕННЫЕ ДВУХЧАСТОТНЫЕ ФАР4.1. СХЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ

Для повышения эффективности работы во все большем числебортовых и наземных радиокомплексов используют сканирующие АР. Обладаязначительным преимуществом перед другими антеннами в скорости управления лучоми многофункциональности работы, эти АР имеют существенный недостаток, связанныйс ограниченностью рабочей полосы частот. Как правило, ФАР работают в узкомчастотном диапазоне, составляющем несколько процентов от центральной частотыдиапазона.

<img src="/cache/referats/19166/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1026">
В настоящее время появился класс совмещенных ФАР, в которых возможнынезависимое формирование ДН и электрическое управление лучом с одной апертуры внескольких частотных диапазонах. Рассчитать и спроектировать совмещенные ФАРнесравнимо сложнее, чем «обычные» ФАР, ибо наряду с решением традиционных задачприходится учитывать пассивное влияние излучателей ФАР одного диапазона частотна ДН и согласование в соседних диапазонах. Изложим методы расчета некоторыхтипов двухчастотных ФАР и проанализируем особенности и закономерности вповедении их электродинамических характеристик.

Рис. 4.1. Структурнаясхема двухчастотной совмещенной ФАР

Совмещенные ФАР представляют совокупность несколькиходночастотных ФАР, излучатели которых расположены в пределах одного излучающегораскрыва (излучающей апертуры) [4.1]. Из структурной схемы (рис. 4.1) видно,что двухчастотная совмещенная ФАР включает общую (совмещенную) апертуру, вкоторой расположены разночастотные излучатели, два независимых тракта питания,состоящих из делителей мощности в диапазонах частот f1 и f2,и двух блоков фазовращателей этих диапазонов. Дополнительными элементами втрактах питания являются полосовые фильтры, которые предназначены пропускатьэлектромагнитное поле в заданной полосе частот рабочего диапазона и не пропускатьв полосе частот совмещенного диапазона. Таким образом обеспечиваетсяэлектромагнитная совместимость (ЭМС) в двухчастотных ФАР. Полосовые фильтрыможно включать как на входе делителей мощности разно-частотных диапазонов, таки перед каждым излучателем- В последнем случае обеспечиваются лучшиедиапазонные свойства, связанные с частотными изменениями переотраженных отфильтров полей.

<img src="/cache/referats/19166/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1027">
Рис. 4.2. Характерные примеры построения совмещенных апертур двухчастотных ФАРпри использовании вибраторных (а), волноводных и вибраторных (б) и волноводных(в, г) излучателей

В примерах построения совмещенных апертур двухчастотных ФАР(рис. 4.2} около каждого излучателя обозначена средняя частота f1или частота f2 рабочего диапазона, в котором он проявляет себякак активный излучатель. В качестве излучателей обоих диапазонов в ФАР,изображенной на рис. 4.2, а,используют резонансные (на рабочей частоте) вибраторные излучатели,расположенные над отражающим экраном. Причем для наименьшего затенения, какправило, излучатели более низкочастотного диапазона располагаются надизлучателями более высокочастотного.

В ФАР, схема, которой изображена на рис. 4.2, б, в качестве излучателей ВЧ диапазонавзяты волноводные, которые служат экраном для вибраторных излучателей НЧдиапазона. В вариантах волноводно-волноводных совмещенных ФАР, показанных нарис. 4.2, в, излучателями обоихчастотных диапазонов служат открытые концы волноводов, размещенные в однойапертуре. В ФАР на рис. 4.2, гизлучающая апертура образована открытыми концами отрезков НЧ волноводов.Волноводы ВЧ излучают через отрезки НЧ волноводов, а раскрыв ВЧ волноводовслужит рефлектором для поля НЧ диапазона. Волноводы НЧ возбуждаются штырем откоаксиальной или полосковой линии [4.2].

В совмещенных двухчастотных ФАР питание излучателей ивключение фазовращателей в каждом частотном диапазоне, как правило, независимыи реализуются в соответствии с принципами построения фидерного тракта обычныходночастотных ФАР [0.2].

sitednl.narod.ru/1.zip — база сотовых по Петербургу

Программа для разрезания и сшивания файлов, шифрования, атакже удаления файлов с защитой от восстановления специальными утилитами.

acsoftware.narod.ru/download/demo/acdemo.zip

Особенностью схем питания совмещенных ФАР являются болеежесткие габаритные и конструктивные ограничения, связанные с необходимостьюразмещать два фидерных тракта в ограниченном объеме. Поэтому при выборефидерных линий и делителей мощности в закрытых трактах питания предпочтениеотдается коаксиальным или полосковым линиям. Волноводные линии и делителимощности целесообразно применять лишь в сочетании с волноводными излучателями итолько в одном частотном диапазоне (рис. 4.3, а, б). В волноводных совмещенных ФАР можно также применять открытыетракты питания. При этом используют двухчастотный излучатель и двухчастотнуюпроходную или отражательную волноводную ФАР (рис. 4.3, в, г). Возможны и комбинированные совмещенные ФАР, например,отражательная в НЧ диапазоне и проходная в ВЧ диапазоне. При проектированиифидерных трактов в совмещенных ФАР элементы фидерного тракта одного диапазоначастот следует располагать так, чтобы они минимально влияли на поле излучениясоседнего диапазона. Фазовращатели в совмещенных ФАР нужно включать так, чтобычерез фазовращатель одного частотного диапазона не проходила мощность другого.Если по конструктивно-габаритным ограничениям фазовращатели нельзя разместитьнепосредственно перед излучателями, то их можно вынести за полотно антенны,например, как в ФАР, схемы которых изображены на рис. 4.3, а. В ФАР по схеме на рис. 4.3,в, г при использовании совмещенных апертур, представленных на рис. 4.2, а, в, фазовращатели обоих частотныхдиапазонов можно разместить или непосредственно за вибраторными излучателями,или в волноводных излучателях.

<img src="/cache/referats/19166/image006.gif" v:shapes="_x0000_s1030">
Рис. 4.3. Схемы питания излучателей и включения фазовращателей длядвухчастотных ФАР:

а) — для полноводно-вибраторной (БВИ — блок волноводныхизлучателей, БФЧ f1(f2)- блок фазирования на частоте f1(f2),ВДМ — волноводный делитель мощности на частоте f1, ДМ — коаксиальный или полосковый делитель мощностина частоте f2);

б) — волноводно-волноводной;

в) — отражательной;

г)- проходной.

Известны, например, совмещенные ФАР, в которых в одном илинескольких диапазонах частот используются щелевые и микрополосковые [4.5], атакже другие излучатели. Однако основные закономерности в поведениихарактеристик совмещенных ФАР при сканировании остаются общими для всех типов.Исключение составляют несканирующие совмещенные антенные решетки, в которых дляфиксированного направления ДН излучатели ВЧ диапазона можно сделать почти«невидимыми» для поля в НЧ диапазоне.

4.2. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК

Совмещение разночастотных ФАР в одной апертуре приводит ксущественным линейному и нелинейному взаимодействиям между ними. Первоепроявляется в изменении направленности совмещенных ФАР из-за дифракционныхэффектов на их поверхности. Нелинейное взаимодействие вызывается перекрестнымипомехами из-за просачивания энергии одного частотного канала на активныеэлементы (приемные или передающие) другого.

При совмещении в наиболее неблагоприятных условияхоказывается ФАР ВЧ диапазона. На ее первоначальное поле излучения накладываетсяполе, рассеянное излучателями НЧ ФАР. Это приводит к появлению дополнительныхбоковых лепестков в ВЧ диапазоне, изменению коэффициента усиления (КУ),рассогласованию излучателей и уменьшению сектора сканирования. Аналогичныеэффекты имеют место и в НЧ диапазоне, однако они проявляются, как правило, вгораздо меньшей степени [0.3].

Рассмотрим два основных подхода к расчету характеристиксовмещенных ФАР. Первый подход является приближенным и заключается в следующем.Сначала находят поле излучения уединенной (несовмещенной) ФАР в ВЧ диапазоне.Затем это поле суммируют с полем, рассеиваемым в ВЧ диапазоне НЧ излучателями,причем последнее определяют приближенным методом. В НЧ диапазоне характеристикисовмещенной ФАР рассчитывают по алгоритмам для несовмещенных ФАР, но с учетомдополнительного экранирующего влияния излучателей ВЧ ФАР.

sitednl.narod.ru/1.zip — база сотовых по Петербургу

acsoftware.narod.ru/download/demo/acdemo.zip

Второй подход более строгий и связан с нахождениемхарактеристик блочно-периодических ФАР. В ВЧ и НЧ диапазонах в качествеотдельного излучающего элемента рассматривают минимальную периодическую ячейку(блок), включающую активно возбужденные излучатели определенного диапазона ипассивные излучатели соседнего, нагруженные на комплексную нагрузку, учитывающуюреакцию фидерного тракта. С использованием современных численных методовэлектродинамики определяют ДН <img src="/cache/referats/19166/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> ячейки в составебесконечной периодической ФАР ( q

0, φ0 — сферические угловые координаты, см.рис. 4.2, в), определяющиенаправление главного лепестка ДН ФАР, а q, φ — текущие угловые координаты). Затемнаходят множитель направленности решетки и определяют ДН и КУ всей ФАР.

Приведем конкретные соотношения и оценки, полученные врамках первого подхода, для расчета характеристик вибраторно-волноводных ивибраторно-вибраторных ФАР, схемы которых изображены на рис. 4.2, а, б. Эти выражения справедливы присканировании ВЧ ФАР в плоскости, перпендикулярной осям вибраторов НЧ ФАР, всекторе углов q

,не превышающих ±60° относительно нормали (оси 0Z) при отношении частот f1/f2≥5и при больших размерах L апертуры ВЧ ФАР в плоскости сканирования (L>>10λ1). При выполнении последних условий вибраторныеизлучатели НЧ диапазона, оказывая затеняющее воздействие, приводят в первомприближении к уменьшению КУ ВЧ ФАР по следующему закону:

<img src="/cache/referats/19166/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> (4.1)

где G0— КУ несовмещенной ВЧ ФАР, а также к появлению дополнительных боковых лепестковв направлениях

<img src="/cache/referats/19166/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (4.2)

где λ1 —длина волны в диапазоне f1, dx — расстояние между НЧ вибраторами в плоскости H.

(4.3)

В (4.1) — (4.3) b0(q

) -коэффициент прохождения плоской волныпри ее падении под углом q0на периодическую системупараллельных проводников в плоскости, перпендикулярной осям проводников, а bn(q0)- комплексная амплитуда n-й плоской волны (n-й пространственнойгармоники), возникающей при дифракции плоской волны с единичной амплитудой напериодической структуре и распространяющейся в направлении qn.

Для совмещенных ФАР достаточно большого размера (L>>10l

1)уровень дополнительных боковых лепестков и уменьшение КУ практически не зависятот амплитудного распределения в ВЧ диапазоне, но существенно зависят отнаправления q0основного лепестка ДН. Соотношения (4.1), (4.3) справедливы, если поверхностьраскрывая s1 ВЧ ФАРполностью перекрывается поверхностью раскрывая s2 НЧ ФАР. Если же коэффициент перекрытия поверхности <img src="/cache/referats/19166/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1029">, то снижение КУ и уровень дополнительных боковыхлепестков будут

<img src="/cache/referats/19166/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> (4.4)

<img src="/cache/referats/19166/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1031"> (4.5)

Анализ рис. 4.4 показывает, что с увеличением расстояния dx/l

1между соседними вибраторами в НЧ ФАР по сравнению с длиной волны ВЧ ФАР, чтоэквивалентно увеличению отношения рабочих часто f1/f2,уровень дополнительных боковых лепестков и снижение КУ уменьшаются, а сувеличением электрической толщины вибраторов k1r2 — увеличиваются. Кроме того, искажения, вносимые излучателями НЧ ФАР в поле ВЧФАР, гораздо меньше при взаимно ортогональной линейной поляризации излучателейВЧ и НЧ ФАР. Следует отметить, что (4.1), (4.3) — (4.5) не учитывают влияниясистемы питания и крепления НЧ вибраторов на рассеяние поля ВЧ ФАР. Последнее особеннозаметно проявляется при взаимно ортогональной поляризации в диапазонах f1и f2.При этом (4.1), (4.3) — (4.5) могут давать несколько заниженные оценкиискажений в ВЧ диапазоне.

Для оценивания максимальных искажений в секторе сканированияВЧ ФАР |q

0|≤60°и при 0,05≤k1r2≤0,5, dx/l≥2 можновоспользоваться следующими экстремальными значениями амплитуд гармоник дляслучаев совпадающей линейной поляризации ВЧ и НЧ ФАР:

<img src="/cache/referats/19166/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> (4.6)

С учетом (4.6) получаем следующие простейшие оценкиогибающих наибольшего снижения КУ (G/G0)min вразах и максимального уровня дополнительных боковых лепестков (Δn)max в децибелах для линейной совпадающейполяризации ВЧ и НЧ ФАР:

<img src="/cache/referats/19166/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> (4.7)

<img src="/cache/referats/19166/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> (4.8)

Необходимо подчеркнуть, что оценки (4.7), (4.8) дают границынаихудших ситуаций, возникающих в секторе сканирования, а получены они безучета повторных переотражений между апертурами ВЧ и НЧ ФАР. Зависимости этихоценок сплошной и штриховой линиями соответственно для ряда значений dx/l

1и q0=0показаны на рис. 4.5. Учет повторных переотражений между апертурами ВЧ и НЧ ФАРприводит к дополнительным изменениям характеристик совмещенных ФАР. Так, присовмещении

Рис. 4.5. Зависимости наибольшего коэффициента усиления G/G0min и максимального уровня дополнительных боковых лепестков D

nmaxдля линейной совпадающей поляризацией ВЧ и НЧ ФАР

Рис. 4.6. Зависимость снижения коэффициента усиления G/G0от относительного расстояния h/l

1 между совмещаемыми антеннами <img src="/cache/referats/19166/image031.gif" v:shapes="_x0000_s1072 _x0000_s1061 _x0000_s1059 _x0000_s1060 _x0000_s1071 _x0000_s1069 _x0000_s1070">
<img src="/cache/referats/19166/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1035"> (4.9)

где <img src="/cache/referats/19166/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1036">q

Максимальные дополнительные боковые лепестки в децибелах

<img src="/cache/referats/19166/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1037"> (4.10)

Как следует из (4.9), изменив расстояние hмежду апертурами ВЧ и НЧ ФАР, можно для определенного направления максимума ДНдобиться минимального снижения КУ ВЧ ФАР из-за совмещения. При этом величину hвыбирают из условия <img src="/cache/referats/19166/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1038">0,605l

1х0,5l1апертуры полноводного излучателя. Излучатели были размещены вплотную друг кдругу, причем толщина их стенок полагалась равной нулю.

При сканировании в широком секторе углов максимальноеснижение КУ ВЧ ФАР почти не зависит от h/l

1.Максимальный уровень дополнительных боковых лепестков в ВЧ диапазоне можноуменьшить за счет более равномерного распределения в пространствепереизлучаемой излучателями НЧ диапазона мощности ВЧ диапазона. Это реализуемов конформных (выпуклых) и неэквидистантных НЧ ФАР. Так, для слабо эквидистантойНЧ ФАР, излучатели которой смещены вдоль координаты X по случайномугауссовскому закону с дисперсией <img src="/cache/referats/19166/image041.gif" v:shapes="_x0000_i1039"><img src="/cache/referats/19166/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1040">dx0 приусловии равноамплитудного возбуждения НЧ-излучателей падающим ВЧ полем среднийуровень уменьшения m-го дополнительного бокового лепестка по сравнению соценкой (4.10)

<img src="/cache/referats/19166/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> (4.11)

где М — число излучателей вНЧ ФАР.

Рис. 4.7. Зависимости среднего уровня уменьшения m-го дополнительного бокового лепестка d

m от параметра mdx/dх0

Рис. 4.8. Зависимости оптимального относительного расстояния h2/l

2 от соотношения частот совмещенных ФАР <img src="/cache/referats/19166/image048.gif" v:shapes="_x0000_s1077 _x0000_s1074 _x0000_s1044 _x0000_s1073 _x0000_s1076 _x0000_s1041 _x0000_s1075">
Как видно из рис. 4.7, даже для относительно небольшого числа излучателей М=10можно существенно подавить дополнительные боковые лепестки. Отметим, чтозависимости от больших значений s/dx0 (см. рис. 4.7) характеризуют потенциальнодопустимый уровень подавления в НЧ ФАР с большим числом излучателей. Приотносительно небольшом числе их средний уровень подавления может существенноотличаться от уровня подавления в конкретной реализации и для достижения егонадо подбирать конкретную реализацию неэквидистантной НЧ ФАР.

Для плоской слабо неэквидистантной ФАР с излучателями,смещенными случайным образом относительно регулярной прямоугольной сетки ихрасположения с шагами dx0 и dy0по осям ОХ и ОY, уровень подавления mn-го дополнительногобокового лепестка

<img src="/cache/referats/19166/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> (4.12)

где <img src="/cache/referats/19166/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> — дисперсии смещенияизлучателей по осям ОХ и ОY; М, N — числа излучателейпо осям ОХ и ОY.

Характеристики НЧ ФАР при совмещении меняются незначительно.Нижняя ВЧ ФАР служит для НЧ ФАР своеобразным дополнительным экраном. Если ВЧФАР образована из плотно расположенных открытых концов прямоугольныхволноводов, широкая стенка которых размером d1 параллельнаоси ОY,ее влияние эквивалентно наличию идеального отражателя с фазой коэффициентаотражения <img src="/cache/referats/19166/image054.gif" v:shapes="_x0000_i1044">

<img src="/cache/referats/19166/image056.gif" v:shapes="_x0000_i1045"> (4.13)

где через F0(q

)обозначена ДН НЧ вибратора в отсутствие ВЧ ФАР.

Если излучателем ВЧ ФАР служат вибраторы, то ВЧ ФАР вместе среальным металлическим экраном — эквивалентный экран. Это приводит к изменениюоптимального расстояния h2 от реального экранадо плоскости НЧ ФАР. Зависимость оптимального относительного расстояния h2/l

2от отношения частот совмещаемых ФАР при q0=0 представлена на рис. 4.8. Расчетыпоказывают, что при оптимально выбранном расстоянии h2 для q0=0влияние ВЧ ФАР не приводит к заметному изменению КУ при сканировании лучом НЧФАР по сравнению с расположением ее над идеальным металлическим экраном. Такимобразом, при совмещении в НЧ диапазоне характеристики практически не меняются,если правильно выбрано расстояние между апертурами НЧ и ВЧ ФАР. Дополнительныебоковые лепестки из-за совмещения в НЧ диапазоне не возникают.

Перейдем к более точному методу расчета характеристиксовмещенных ФАР. Этот метод можно использовать при периодичности структурысовмещенной ФАР, достаточно больших размерах ее апертуры и при относительнонебольшом отношении частот совмещаемых ФАР f1/f2»

1.5…3. Условие периодичности структуры позволяет выделить минимальнуюячейку, включающую несколько ВЧ излучателей и, как правило, один НЧ излучатель.Диаграмму направленности такой ячейки <img src="/cache/referats/19166/image058.gif" v:shapes="_x0000_i1046"> в каждом частотномдиапазоне находят в предположении, что ячейка расположена в бесконечной ФАР сравноамплитудным и линейным фазовым возбуждениями от ячейки к ячейке,формирующими основной лепесток множителя направленности по q0, j0.Амплитудно-фазовые распределения в пределах одной ячейки могут быть достаточнопроизвольными, но обычно их выбирают следующим образом: амплитудное возбуждениерабочих для данного диапазона частот излучателей равномерное, а фазовое берут изусловия, чтобы максимум ДН ячейки совпадал с максимумом ДН множителянаправленности решетки. При этом для реальной ФАР, образованной конечнойсовокупностью ячеек, ДН ФАР представляется в виде произведения ДН ячейки намножитель направленности периодической структуры:

<img src="/cache/referats/19166/image060.gif" v:shapes="_x0000_i1047"> (4.14)

где

<img src="/cache/referats/19166/image062.gif" v:shapes="_x0000_i1048"> (4.14)

Дискретная функция, описывающая закон амплитудно-фазовоговозбуждения от ячейки к ячейке,

<img src="/cache/referats/19166/image064.gif" v:shapes="_x0000_i1049"> (4.15)

где xmn, ymn — декартовы координаты геометрического центра mn-й ячейки.

Для больших периодических совмещенных ФАР коэффициентусиления

<img src="/cache/referats/19166/image066.gif" v:shapes="_x0000_i1050"> (4.16)

где N— общее число ячеек; n

а— коэффициент использования поверхности (КИП) ФАР, зависящий от законаамплитудного возбуждения |Imn|различных ячеек;<img src="/cache/referats/19166/image068.gif" v:shapes="_x0000_i1051"> — КУ ячейки в составебесконечной периодической ФАР; <img src="/cache/referats/19166/image070.gif" v:shapes="_x0000_i1052"> — нормированный КУячейки; sЯ, s=sЯN — площади апертурячейки и ФАР.

При определении n

а дискретный закон амплитудноговозбуждения |Imn| можно аппроксимироватьгладкой кривой. При этом nа с хорошей точностью совпадает с КИПнепрерывной апертуры с аппроксимирующим законом амплитудного возбуждения. Дляячейки совмещенной ФАР конкретного вида ДН и КУ определяются с использованиемсовременных электродинамических методов расчета блочно-периодических ФАР.Приведем основные соотношения для вибраторно-вибраторных иволноводно-волноводных совмещенных ФАР.

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Щелевая антенна

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Диаграмма направленности антенны

25 Июня 2015

Реферат по радиоэлектронике

Многощелевая волноводная антенна

25 Июня 2015

Реферат по радиоэлектронике

Триггеры

29 Августа 2013