Выбор структуры и расчет геометрических размеров фазовращателя

 

Обычно фазовращатель выбирают исходя из нескольких условий:

· возможность реализации сдвига фазы с требуемым дискретом и простого управления фазовращателями;

· простота реализации и малая стоимость фазовращателя;

· простота коммутации с линией питания и излучающими элементами.

Исходя из данных требований, выберем проходные фазовращатели на полосковой линии. Проходные фазовращатели – это согласованные четырехполюсники, в идеале реактивные, обладающие переменной фазой коэффициента передачи. Проходные фазовращатели бывают плавными (с непрерывным изменением фазы) и ступенчатыми, в которых фаза принимает ряд фиксированных значений, различающихся на величину Dj – дискрет фазы. Дискретные фазовращатели обычно состоят из нескольких каскадов, каждый из которых может создавать при подаче управляющего сигнала изменение фазы волны на величину Dj=2p/М, где М=2^р, р=1, 2, 3… Фазовращатели состоят из отрезков линий передачи и электронных ключей на p­–i–n диодах. Чаще всего такие фазовращатели строятся на основе полосковых и волноводных линий передачи. В качестве параллельных ключей в полосковых линиях передачи используют корпусные p­–i–n диоды типа 2А507, 2А509, 2А511, а в качестве последовательных ключей – бескорпусные диоды 2А517, 2А522. В волноводных резонансных диафрагмах применяют двойные диоды 2А505, 2А508, 2А513. Т.к. применение дискретных фазовращателей приводит к ухудшению направленных свойств антенны, то необходимый дискрет фазирования определяется с учетом трех основных факторов:

 

- роста боковых лепестков:

 

- дискретности перемещения луча при сканировании:

 

 

- снижения коэффициента направленного действия

 

 

Необходимо так выбрать дискрет фазирования DФ, чтобы:

 

 

Таким образом, дискрет фазирования, удовлетворяющий ранее указанным условиям равен 22,5 градуса и при нем:

 

d_max= -23,5дБ, dQ_min=6,44×10^-3 град.

 

Снижение КНД при этом:

Так как для управления фазированием антенны используются фазовращатели, имеющие два состояния: "0" и "1" (“включено” и “выключено”), то для перекрытия диапазона изменения фазы [0;2p] c дискретом 22,5 градуса необходимо 4 фазовращателя для каждого излучателя соединенных последовательно, которые могут осуществлять следующие сдвиги фаз: (0; p),

 

(0; p/2), (0; p/4), (0; p/8).

 

В качестве фазовращателей осуществляющих сдвиги (0; p), (0; p/2) лучше всего использовать фазовращатели на коммутируемых линиях. Потери в линии мало зависят от дискрета фазы и примерно одинаковы в каждом фазовом состоянии. Недостатком является большое число p-i-n-диодов – 4, по сравнению с двумя в других типах ФВ. Для сдвига (0; p/4) (0; p/8) используем ФВ типа «нагруженная линия». Возможный вариант конструкции блока фазовращателей приведен в приложении 4.

Устройство управления сканированием ФАР должно выполнять следующие функции:

· прием необходимого углового положения ДН ФАР от другого устройства, например ЭВМ;

· расчет фазы для каждого излучателя ФАР, который выполняется в несколько этапов:

1) расчет фазы элемента ФАР.

 В антеннах с непрерывными фазовращателями фазирование излучающих элементов осуществляется таким образом, чтобы поля от всех излучателей в дальней зоне в заданном направлении складывались синфазно. Для плоской решётки излучателей требуемое фазовое распределение имеет вид:

,

 

где х_n, y_n – координаты n-го излучателя в решётке; q_гл, j_гл– углы, определяющие направление максимума диаграммы направленности в пространстве; F₀–постоянный фазовый сдвиг, величина которого зависит от выбора начала отсчёта фазы.

В нашей решётке, в силу дискретного характера изменения фазы токов в излучающих элементах, требуемое фазовое распределение не может быть реализовано точно, вследствие чего возникают специфические фазовые ошибки ( коммутационные ошибки).

Фазовое распределение реализуемое в решётке, определяется следующим образом:

 

F_реал(х_n)=F_нач(х_n)+q_nDF, q_n=0, ±1, ±2, ¼,

 

в котором F_нач–так называемое начальное фазовое распределение в решетке, которое имеет место в том случае, когда все коммутационные фазовращатели находятся в одной и той же позиции; DF–дискрет изменения фазы, обеспечиваемый коммутационным фазовращателем; q_n–число последовательных переключений коммутационного фазовращателя от исходной позиции с дискретом изменения фазы DF.

В качестве начального фазового распределения F_нач может быть выбрано фазовое распределение на выходе распределительного устройства.

Коммутационные фазовые ошибки определяются как:

 

dF=F_реал-F_тр.

 

Дискретный характер работы фазовращателей приводит к увеличению уровня бокового излучения и к скачкообразному движению луча. Фазирование антенной решётки осуществляется различными способами в зависимости от требуемой точности установки луча или уровня бокового излучения в заданном секторе углов. Одним из распространённых способов является фазирование по наименьшей фазовой ошибке, когда для любого излучателя в решётке выполняется условие

При фазировании решётки в заданном направлении необходимо определить число последовательных переключений каждого фазовращателя от исходной позиции. Эта величина определяется следующим неравенством:

 

 

В реальных решётках это неравенство решается электронным вычислителем, и результат передаётся в устройство, управляющее фазовращателями [6].

2) отбрасывание от полученного фазового сдвига частей кратных 2p, так как фазовращатели не могут давать фазовый сдвиг более 360 градусов. Реализацию данного преобразования можно представить в виде:

 

,

 

где Е – операция взятия целой части

3) учет существующего дискрета фазирования, что осуществляется путем дискретизации рассчитанного значения по следующей формуле:

,

 

где DF=22,5 градуса - дискрет фазы определенный ранее.

При определении размеров модуля ФВ необходимо учитывать следующие условия:

- обеспечение развязки управляющих линий ФВ от проходящей через ФВ СВЧ мощности, что увеличивает размеры каждого ФВ;

- расположение ФВ в модуле ФВ таким образом, чтобы его размер по одной из осей (х или y) был меньше, чем шаг решетки (dx или dy), для возможности беспрепятственного размещения модулей.

Так как габариты проектируемого модуля определяется размерами используемых ФВ, проведем оценку их геометрических размеров.

Для ФВ на коммутируемых линиях, реализующего сдвиг (0,p) из формулы в [3] задавшись дискретом DФ=p и l₁=l_линии/5=3 мм получим:

 

 ,

 

Для ФВ типа коммутируемая линия, реализующего сдвиг (0,p/2) из формулы в [3] задавшись дискретом DФ=p/2 и l₁=l_линии/5=3 мм получим:

 

.

 

Для ФВ типа «нагруженная линия», которые используются для сдвига фазы на p/4, p/8 расстояние между шлейфами рассчитывается по формуле [3]:

.

 

А нормированная проводимость реактивных нагрузок там же:

 

 .

 

Зная проводимость шлейфов и приняв, что для их реализации используется линия с такой же толщиной диэлектрика и металлизированной полоски (т.е. Z_ш = Z_л) длину шлейфов определим по формуле:

 

.

 

Тогда все данные можно обобщить в следующей таблице:

 

Сдвиг фазы	Расстояние между шлейфами l, мм	Нормированная проводимость	Длина шлейфов, мм
p/4	4.7	-0,840	2.14
p/8	4.2	-0,381	6.55

 

Следует упомянуть, что для развязки линии питания и управляющей линии диодов по постоянной составляющей надо ставить разделительные емкости. Места установки емкостей указаны на чертеже конструкции фазовращателя. В качестве разделительных емкостей используются емкости, образованные трехслойной конструкцией. Емкость (пФ) определяется при этом по формуле в [5] (все размеры в миллиметрах):

 

 

Конструкция емкости на ПЛП:

Материал диэлектрика – брокерит 9 (керамика); e:=6,6; tgб=(2..4)*10^-4;

Е_проб=10кВ/мм ;

Ориентировочные размеры для нашей линии передач (w=4мм) для получения С=90 пФ (для развязки в нашем случае достаточно): L=3мм, t=880 мкм.

Конструкции модуля ФВ приведена в приложении 4.

 

Расчет схемы питания

 

К схеме питания ФАР предъявляются следующие требования:

· обеспечение требуемого амплитудного распределения по элементам антенной решетки;

· обеспечение согласования для передачи требуемой мощности в антенные элементы.

Требуемое амплитудное распределение можно обеспечить с помощью двухмерной елочки, подводящей мощность к каждому элементу решетки в соответствии с амплитудным распределением типа "косинус квадрат на пьедестале", определяемым требуемым уровнем боковых лепестков. Вход первого делителя мощности подключен к линии передач, к выходам последних делителей, подводящих мощность к элементам, подключены модули фазовращателей. Распределение амплитуды тока по ФАР будет задаваться с помощью тройниковых делителей мощности с различными коэффициентами деления в схеме елочки.

Графически распределение амплитуды тока по элементам ФАР можно представить следующим образом. Ток элемента с индексом p,q определяется формулой в [3]:

 

где

 

Таким образом, распределение амплитуды тока постоянно во времени и не зависит от углового положения ДН ФАР.

Рассчитаем коэффициенты деления делителей мощности, обеспечивающих требуемое распределение амплитуды тока по элементам. Так как используется схема деления типа елочки с двоичными делителями, то мощности на элементах пропорциональны квадрату амплитуды тока на элементах. Алгоритм расчета состоит в определении для каждого делителя мощностей, подключенных к каждому из его выходов и вычислении их отношения.

Схема питания типа "елочка" на 64 элемента включает в себя 63 двоичных тройниковых делителя, но, поскольку решетка симметрична, достаточно рассчитать четверть решетки. Первые три делителя имеют коэффициент деления равный 1 (К=1). Кроме них в схеме питания еще восемь делителей мощности с неравными между собой коэффициентами деления.

Вычислим их, зная амплитудное распределение по элементам решетки.

Амплитудное распределение тока по элементам:

 

 

Распределение мощностей пропорционально квадрату распределения амплитуд. Для каждого из делителей определяются мощности, подключенные к каждому из его выходов. Отношение этих мощностей и будет коэффициентом деления. Зная коэффициенты деления и волновое сопротивление полосковой линии, рассчитаем электрические и конструктивные параметры двоичных тройниковых делителей, реализованных на ПЛП по формулам в [3]:

 

 

Примем

 

Выше приведена схема реактивного параллельного тройникового делителя мощности. Все входные линии имеют одинаковые волновые сопротивления r. К точке разветвления подключены четвертьволновые трансформаторы с волновыми сопротивлениями r₁, r₂, r₃. При заданном коэффициенте деления такой делитель может быть согласован с одного из входов (в нашем случае с первого). На несимметричных полосковых ЛП конструктивно такой делитель реализуется изменением ширины полоски b – область четвертьволновых трансформаторов.

В результате получаем:

 

К	r2, Ом	r3, Ом
1	90,382	118,411
0,846	83,729	129,601
0,865	110,702	198,117
0,593	161,091	254,121
0,856	110,195	199,348
0,808	107,656	206,182
0,801	107,279	207,302
0,612	98,144	248,418
0,608	98,008	249,347

Проводимость излучателей определяется следующим образом

 

 , где j- номер элемента в столбце.

 

, .

 

Излучатели	1	2	3	4	5	6	7	8
Gвх,мСм	0,22	1,77	6,5	12	12	6,5	1,77	0,22
a, мм	2,1	17	61	109	109	61	17	2,1