Курсовой проект по разработке оптической системы возбуждения антенной решетки

ВВЕДЕНИЕ

 

Фазированная антенная решётка (ФАР) — тип антенн, в виде группы антенных излучателей, в которых относительные фазы сигналов изменяются комплексно, так, что эффективное излучение антенны усиливается в каком-то одном, желаемом направлении и подавляется во всех остальных направлениях.

Управление фазами (фазирование) позволяет:

1. формировать (при весьма разнообразных расположениях излучателей) необходимую диаграмму направленности (ДН) ФАР (например, остронаправленную ДН — луч);
2. изменять направление луча неподвижной ФАР и т. о. осуществлять быстрое, в ряде случаев практически безынерционное, сканирование — качание луча;
3. управлять в определённых пределах формой ДН — изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. (для этого в ФАР иногда осуществляют также управление и амплитудами волн отдельных излучателей).

Эти и некоторые другие свойства ФАР, а также возможность  применять для управления ФАР  современные средства автоматики и  вычислительной электроники обусловили их перспективность и широкое  использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и  т.д. ФАР, содержащие большое число  управляемых элементов, входят в  состав различных наземных (стационарных и подвижных), корабельных, авиационных  и космических радиоустройств. Ведутся  интенсивные разработки в направлении  дальнейшего развития теории и техники  ФАР и расширения области их применения.

 

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ  ОБЗОР

 

1. Антенные решетки и их классификация.

 

Направленность действия простейшей антенны (симметричного вибратора) - невысокая. Для увеличения направленности действия уже на первых этапах развития антенной техники стали применять систему вибраторов - антенные решетки (АР). В настоящее время антенные решетки - наиболее распространенный класс антенн, элементами которых могут быть как слабонаправленные излучатели (металлические и щелевые вибраторы, волноводы, диэлектрические стержни, спирали), так и остронаправленные антенны (зеркальные, рупорные и другие).

Применение антенных решеток  обусловлено следующими причинами. Решетка из N элементов позволяет увеличить приблизительно в N раз коэффициент направленного действия (КНД) (и соответственно усиление) антенны по сравнению с одиночным излучателем, а также сузить луч для повышения точности определения угловых координат источника излучения в навигации, радиолокации и других радиосистемах. С помощью АР удается поднять электрическую прочность антенны и увеличить уровень излучаемой (принимаемой) мощности путем размещения в каналах решетки независимых усилителей высокочастотной энергии. Одним из важных преимуществ решеток является возможность быстрого (безынерционного) обзора пространства за счет качания луча антенны электрическими методами (электрического сканирования). Помехозащищенность радиосистемы зависит от уровня боковых лепестков (УБЛ) антенны и возможности подстройки (адаптации) его по помеховой обстановке. Антенная решетка является необходимым звеном для создания такого динамического пространственно-временного фильтра или просто для уменьшения УБЛ. Одной из важнейших задач современной бортовой радиоэлектроники является создание комплексированной системы, совмещающей несколько функций, например радионавигации, РЛС, связи. Возникает необходимость создания антенной решетки с электрическим сканированием с несколькими лучами (многолучевой, моноимпульсной и других.), работающей на различных частотах (совмещенной) и имеющей различные характеристики.

Антенные решетки могут  быть классифицированы по следующим  основным признакам: геометрии расположения излучателей в пространстве, способу их возбуждения, закономерности размещения излучающих элементов в самой решетке, способу обработки сигнала в решетке, амплитудно-фазовому распределению токов (поля) по решетке и типу излучателей. В зависимости от геометрии расположения излучателей АР подразделяются на линейные, дуговые, кольцевые, плоские, выпуклые (цилиндрические, конические, сферические и др.) и пространственные (трехмерные) (см. рисунок 1.1). Пространственная решетка в простейшем случае представляет собой систему из двух Плоских решеток, параллельно расположенных в пространстве.

Размещение излучателей  в самой решетке может быть эквидистантное, у которого шаг (расстояние между излучателями) - величина постоянная (см. рисунок 1.1,а-д), и неэквидистантое, у которого шаг меняется по определенному закону или случайным образом (см. рисунок 1,1,з). В плоской АР излучатели могут быть расположены в узлах прямоугольной (см. рисунок 1.1,а) или косоугольной координатной системы.

Рисунок 1.1 - Антенные решетки: а – линейная, б – дуговая, в – кольцевая, г – плоская, д – цилиндрическая, е – коническая, ж – сферическая,

з – неэквидистантная

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.2 - Плоская прямоугольная (а) и гексагональная (б) решетки

Если косоугольная сетка  состоит из равносторонних треугольников, то такая структура образует правильные шестиугольники и называется гексагональной (см. рисунок 1.2,б). 

В зависимости от соотношения  амплитуд токов возбуждения различают  решетки с равномерным, экспоненциальным и симметрично спадающим амплитудными распределениями относительно центра решетки. Если фазы токов излучателей изменяются вдоль линии их размещения по линейному закону, то такие решетки называют решетками с линейным фазовым распределением.

Большой практический интерес  представляют антенны с управляемым  положением главного лепестка ДН. Управление (сканирование) можно осуществить, например, смещая облучатель линзы или зеркала  из фокуса перпендикулярно оптической оси. При этом происходит наклон фронта волны, и лепесток отклоняется в  сторону отставания фазы поля в раскрыве антенны.

Хотя такой электромеханический  способ сканирования широко применяется, его возможности ограничены относительно небольшой угловой скоростью  перемещения лепестка из-за механической инерционности подвижной части  антенны (сканера).

На несколько порядков большую скорость перемещения можно  получить с помощью антенн с электрическим  сканированием. У таких антенн нет  подвижных частей, а изменение  фазового распределения в раскрыве антенны осуществляется чисто электрически: путем изменения токов или  напряжений на управляющих устройствах.

 

2. Распределители в виде закрытого тракта

 

Разводка СВЧ мощности к излучателям решетки в распределителях  этого типа  осуществляется с  помощью пассивных  многополюсников, состоящих из отрезков фидерных линий, тройников, мостов, направленных ответвителей (иногда поглощающих нагрузок и других.). Различают два класса схем:

1. C последовательным питанием
2. С параллельным питанием

Классическая схема последовательного  питания линейной эквидистантной решетки  показана на рисунке 1.3,а.

Рисунок 1.3 - Схемы последовательного  питания излучателей ФАР 

Мощность к каждому  излучателю ответвляется шаг за шагом  от общего фидера, и одинаковые проходные  фазовращатели аналогового типа включаются в главный фидер между  отводами к соседним излучателям.

В качестве делителей мощности могут использоваться реактивные тройники со слабой связью в боковое плечо, а также направленные ответвители  с малой связью (развязанное плечо ответвителя замыкается на согласованную нагрузку).

Схема отличается компактностью, причем все фазовращатели управляются  по одному и тому же закону, так для  отклонения луча на определенный угол фазовый сдвиг между соседними  излучателями должен быть одинаков по длине решетки. За счет этого упрощается система управления фазовращателями. Однако последовательная схема имеет  ряд недостатков:

1. Наблюдается  накопление и возрастание фазовых ошибок и вносимых потерь к концу решетки, в связи, с чем допустимо использование только точных фазовращателей с очень малыми потерями.
2. Через ближайший ко входу фазовращатель проходит почти вся излучаемая мощность, и, таким образом, требуются фазовращатели с повышенной электрической прочностью.
3. Электрические длины путей сигналов от общего входа до каждого излучателя оказываются существенно разными и это может приводить к нежелательной расфазировке решетки на краях рабочей полосы частот.

Для выравнивания электрических  длин в линии питания излучателей  должны включаться компенсирующие отрезки  фидера (см. рисунок 1.3 пунктиром), что  увеличивает размеры распределителя и сводит на нет преимущество в  компактности. Фазовращатели в последовательной схеме могут включаться в боковые  отводы от главного фидера (см. рисунок 1.3,б) , однако при этом теряется преимущество в простоте схемы управления. Параллельная схема питания  N – элементной решетки представлена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Схема параллельного  питания излучателей ФАР

Данная схема имеет  ряд важных преимуществ:

1. Возможность использовать сравнительно маломощные фазовращатели, так как через каждый из них проходит только 1/N часть излучаемой мощности.
2. Общие потери мощности в управляющих устройствах определяются величиной вносимых потерь лишь в одном фазовращателе и поэтому могут использоваться  фазовращатели с довольно значительной величиной потерь(1,0 – 1,5 dB).
3. Важным преимуществом в параллельной схеме питания является отсутствие накопления фазовых ошибок вдоль раскрыва и возможность выравнивания длин отдельных каналов для обеспечения широкополосности.

Недостатки параллельной схемы питания:

1. Сложность системы управления, так как фазовые сдвиги в каждом фазовращателе различны.
2. Имеются трудности в обеспечении хорошего согласования входа при одновременном делении мощности на большое число каналов.

Особым случаем схемы  параллельного питания является схема (см. рисунок 1.5,а (двоично –  этажная схема или ‘елочка’), в каждом узле которой происходит каскадное деление мощности на две части.

Рисунок 1.5 - Двоично –  этажная схема питания излучателей  ФАР

В качестве делителей мощности в узлах ‘елочки’ могут использоваться различные СВЧ устройства:

1. Простые тройники
2. Волноводные мосты щелевого или двойного Т – типа
3. Направленные ответвители на связанных полосковых линиях
4. Резистивные делители мощности на полосковых линиях

 

3. Распределители оптического типа

 

Существует два типа схем оптического питания решеток:

1. Проходная схема (см. рисунок 1.7)
2. Отражательная схема (см. рисунок 1.8)

В ФАР выполненных по проходной  схеме специальный облучатель направляет  излучаемую мощность на собирающую антенную решетку приемных элементов. Принятая мощности проходит через систему  проходных фазовращателей  и после  фазирования излучается в нужном направлении  другой решеткой излучающих элементов. Между приемными элементами и фазовращателями иногда могут  включаться дополнительные отрезки  фидера (показаны пунктиром см. рисунок 1.7) уравнивающие электрические длины  путей сигналов к различным элементам  излучающей решетки. Эти же отрезки  могут использоваться для создание нелинейного начального фазового распределения (фазовой подставки), применяемого для  борьбы с паразитными боковыми лепестками при дискретном фазировании. По принципу действия проходная ФАР фактически эквивалентна линзе с принудительным ходом лучей и с электрически управляемым фазовым распределением возбуждения в раскрыве.

Рисунок 1.7 - Проходная схема  оптического питания излучателей  ФАР

ФАР выполненная по отражательной  схеме состоит из облучателя и  приемопередающей решетки, каждый элемент  которой снабжен отражательным  фазовращателем. Между излучателями и фазовращателями могут включаться дополнительные линии задержки (показаны пунктиром на рисунке 1.8), для выравнивания электрических длин путей сигналов ,проходящих через различные элементы решетки , и для создания начального фазового распределения.

В отражательной ФАР излучатели решетки выполняют двойную функцию:

1. Собирают мощность, идущую от облучателя
2. Переизлучают ее в нужном направлении после фазирования

По принципу действия отражательная  ФАР эквивалентна зеркальной антенне  с электрическим управлением  фазой коэффициента отражения различных  участков поверхности.

К преимуществам обеих  схем оптического питания относятся  сравнительная простота при большом  числе элементов решетки, удобная  возможность управления формой амплитудного распределения в раскрыве путем  подбора формы диаграммы направленности облучателя, а также возможность  применения сложных моноимпульсных облучателей для создания суммарных  и разностных диаграмм направленности в РЛС с автоматическим угловым  сопровождением целей.

Общим недостатком схем оптического  питания является возрастание размеров по сравнению с закрытым трактом. Кроме того в оптических системах питания часть мощности облучателя не перехватывается  приемной решеткой, что приводит к возрастанию фона бокового излучения и снижению общего КИП антенны. Для устранения этого неприятного явления в ФАР проходного типа вся облучающая система может быть помещена в большой рупор, простирающийся от облучателя до приемной решетки, или выполнена в виде закрытой со всех сторон зеркальной антенны в форме параболического цилиндра с боковыми металлическими стенками.

По конструктивным соображениям отражательная решетка имеет  ряд преимуществ перед проходной: имеется легкий доступ к любому фазовращателю с тыльной стороны решетки, что упрощает монтаж и эксплуатацию и, кроме того, отражательные фазовращатели проще проходных по конструкции.

Рисунок 1.8 - Отражательная схема оптического питания излучателей ФАР

С другой стороны проходная  решетка имеет ряд преимуществ  перед отражательной, а именно: возможна раздельная оптимизация собирающей и излучающей  решеток  в смысле применения элементов неодинакового типа и расположения(например, с целью наилучшего подбора амплитудного распределения а также ослабления влияния взаимосвязи при сканировании). Отсутствует затенение раскрыва облучателем и реакция решетки на облучатель.