Активная фазированная антенная решетка обзорной РЛС

В уравнении (2.2), использованы обозначения: – коэффициент усиления на прием (3.5); – длина волны.Для проведения расчетов зададим необходимые параметры, приведенными в таблице 3.1. Таблица 3.1 - Параметры для расчета числа каналов антенной решетки.Наименование параметраЗначение параметраЧувствительностьприемника,Вт3,5е-17Мощность, передаваемая одним излучателем,Вт1Коэффициентусиления одного излучателя, раз4Диапазон рабочих частот (X), МГц9700 – 10300ЭПР цели, м24В уравнениях (3.3-3.5), использованы обозначения: – мощность, передаваемая одним излучателем; – коэффициент усиления одного излучателя; N – количество каналов. Подставив (3.3 – 3.5) в 3.1 получимВыразив из формулы (3.6) N (число каналов), получим выражение (3.7):Мощность на выходе каждого канала ППМ (приемо-передающий модуль) зададим равной 1 Вт, коэффициент усиления одиночного излучателя зададим равным не менее 4 раз. Подставив значения известных и заданных параметров в выражение (3.7) и округлив результат до целого в большую сторону, получим: Таким образом будем иметь что для обеспечения дальности обнаружения 100 км необходимо, чтобы антенная решетка состояла не менее чем из 634 излучателей.Рис.3.1. Прямоугольный и гексагональный способы размещения излучателейПри гексагональном размещении излучателей максимальное расстояние между излучателями по осям больше, что позволяет достичь большего коэффициента усиления при использовании того же числа излучателей. В результате повышается экономическая эффективность разрабатываемой антенной решетки что особенно важно так как этот параметр является наиболее существенным (так как АФАР весьма дорогостоящие устройства что иногда заставляет отказаться от их применения).При гексагональном размещении излучателей по оси х требуется учитывать условие (3.8), а по оси y, условие (3.9). - обзор по углу места (возьмем для расчета±450) - обзор по азимуту (возьмем для расчета ±600),Подставив эти данные в (3.8) и (3.9) получим:В разрабатываемой антенной решетке будем применять четырехканальные приемо-передающие модули, при этом следует обеспечить, чтобы количество излучателей в каждом ряду было кратно 4. Также следует отметить что целесообразным будет использовать симметричную антенную решетку в обеих плоскостях (x,y), в связи с тем что это позволяет при отклонении луча получать симметричную диаграмму направленности.Максимальное количество излучателей по оси x составило 𝑁𝑥𝑚𝑎𝑥=32, по оси y – 𝑁𝑦𝑚𝑎𝑥=32.Рис.3.2. Структурная модель распределения излучателей в антенной решетке Общее количество излучателей будет равноИспользуя соотношения (2.10), (2.11) рассчитаем апертуру антенны по осям x и y.3.2. Расчет диаграммы направленности антенной решеткиВ работе [5] описано симметричное однопараметрическое распределение для круглых апертур, аналогичное однопараметрическому распределению Тейлора, и соответствующая ему диаграмма направленности. При единственном параметре H диаграмма направленности описывается выражениемВ выражении (3.12) использованы обозначения: – диаметр апертуры; – волновое число; – функция Бесселя первого рода и первого порядка; – модифицированная функция Бесселя первого рода и первого порядка.Где – значение параметра определяемое по таблице 3.2 [5]При приведенное выражение описывает область бокового лепестка.Уровень первого бокового лепестка определяется выражениемТаблица 3.2. – Характеристики однопараметрического распределения ХансенаSLR(JU))Hu3(рад)ηtηu3Спад амплитуды на краю раскрыва, дБ17.5700.514510.51450200.48720.53930.97860.52784.5250.88990.58690.87110.511312.4301.19770.63040.75950.478819.3351.47080.67010.66830.447825.840l.72540.70700.59640.421632.0451.96810.74130.53900.399638.0502.20260.77370.49230.380943.9Ширина луча u3 на уровне 3 дБ находится из уравненияРаспределение поля по апертуре имеет вид (2.16)Где – радиальная координата, значение которой равно нулю в центре и единице на краю раскрыва; – модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.Значение коэффициента использования поверхности (КИП) апертуры находится путем интегрирования распределения (3.17)Расчеты и построение графиков произведем с помощью системы Mathcad.Начало документа Mathcad.Исходные данные для расчета:Ранее были рассчитана длина апертуры антенны по осям x, y (Lx, Ly). Учитывая, что Lx~Ly определяем диаметр апертуры антенной решеткиОпределяем функцию ДНУровень первого бокового лепесткаКоэффициент использования поверхности апертуры (КИП)Строим нормированную относительно максимального значения диаграмму направленности в координатах F, u в относительных единицах.Рис.3.3. Нормированная диаграмма направленности антенной решетки в относительных единицахПостроим нормированную диаграмму направленности в децибелах (дБ). Для этого дополнительно определим функцию.Рис.3.4. Нормированная диаграмма направленности антенной решетки в децибелахСтроим нормированную относительно максимального значения диаграмму направленности в координатах F, θ в относительных единицах. Учитываем определенную ранее зависимость.С учетом данной зависимости (3.13) определяем функцию ДН (3.12)Рис.3.5. Нормированная диаграмма направленности антенной решетки в относительных единицахПостроим нормированную диаграмму направленности в децибелах (дБ). Для этого дополнительно определим функцию.Рис.3.6. Нормированная диаграмма направленности антенной решетки в децибелах (диапазон -0.1 – 0.1 рад)Рис.3.7. Нормированная диаграмма направленности антенной решетки в децибелах (диапазон -5 – 5 рад)Рис.3.8. Диаграмма зависимости амплитуды по раскрыву от расстояния по раскрыву3.3. Выбор излучателя решеткиВ данной дипломной работе необходимо также выбрать излучатель антенной решетки. Выбор излучателя включает в себя следующие этапы: - выбор типа излучателя; - выбор вида излучателя; Выбор типа излучателяАнализ современных БРЛС с АФАР показывает, что широкое применение в настоящее время получили микрополосковые излучатели. На рис.3.9 показана БРЛС Н010 “Жук” с АФАР.Рис.3.9. БРЛС Н010 “Жук” с АФАРИспользование микрополосковых переключателей определяется их компактностью, низкой массой (по сравнению с другими видами), что как показано практикой является одним из наиболее существенных параметров. Так, например, в летательных аппаратах массогабаритные показатели оборудования относятся к наиболее важным техническим параметрам. Кроме того, микрополосковые излучатели имеют более простую конструкцию [5]. Следует отметить и ряд недостатков к которым относятся: изменение параметров печатных плат от температуры и трудность конструирования.Выбор вида излучателяСуществует множество видов микрополосковых излучателей, однако можно выделить наиболее часто применяемые: антенна «Вивальди», патч-антенна, печатный диполь. Перечисленные виды микрополосковых излучателей показаны на рисунках 3.10, 3.11, 3.12.Рис.3.10. Антенна ВивальдиРис.3.11. Патч-антеннаРис.3.12. Печатный дипольПатч-антенна обладает рядом существенных преимуществ: -проста в разработке и моделировании, что уменьшает затрачиваемое время на получение необходимой геометрии; -более простая конструкция позволяет при необходимости оперативно подстраивать параметры излучателя; -меньшие габариты позволяют использовать этот вид излучателя в антенных решетках в большом количестве;-позволяет добиться высокой мощности на выходе антенной решетки и более гибкой вариативности при выборе положения луча [6].3.4. Разработка приемо-передающего модуля АФАРАнтенная решетка, ППМ и СВЧ распределительная входят в состав активной фазированной антенной решетки (АФАР). Структурная схема разрабатываемого блока показана на рисунке 2.Рис.3.13. Структурная схема АФАРНа СВЧ распределительную систему подается несколько сигналов высокой мощности, где они делятся на соответствующее количество ППМ. Далее сигнал в каждом ППМ делится на 4 канала. В каждом канале в соответствии с заданным амплитудно-фазовым распределением сигнал изменяется по фазе и амплитуде, усиливается и затем приходит на отдельный излучатель антенной решетки, после чего излучается в пространство.На рис.3.14 показана структурная схема сумматора/делителя ППМ, на рис.3.15 типовая структурная схема канала ППМ.Рис.3.14. Структурная схема делителя ППМ 1:4Рис.3.15. – Структура схема одного канала ППМ без сумматора/делителяУправление амплитудным и фазовым распределением в антенной решеткевыполняется перестраиванием фазы и ослаблением сигнала в каждом канале с минимальным шагом, что необходимо для уменьшения ошибки округления получаемых значений. В большинстве современных фазовращателейимеется 6 разрядов установки, это дает возможность сдвигать фазу сигнала с шагом 5,6250. Аттенюаторы как правило также имеют 6 разрядов,их минимальный шаг регулирования 0,5 дБ при 5-ти разрядах минимальный шаг составляет 0,75 дБ. Наиболее важным параметром переключателя является развязка между переключаемыми каналами, а также прямые и обратные потери [4-5]. Основные параметры МИС-чипа приведены в таблице 3.2.Таблица 3.2 - Основные электрические параметры МИС MSM204Параметр Диапазон рабочих частот, ГГц 8-12 Начальные потери, дБ 7 Обратные потери, дБ 10 Развязка между каналами, дБ 40 Количество разрядов аттенюатора 5 Количество разрядов фазовращателя6 Младший разряд аттенюатора, дБ 0,75 Младший разряд фазовращателя, град 5,625 P1дБ, мВт 100 Уровни управляющих напряжений, В 4,5 5 5,5 -5,5 -5 -4,5 Ток потребления на разряд, мА 10 Рис.3.16. Функциональная схема МИСПроведя анализ современного отечественного рынка радиоэлектронных средств, были выбраны компоненты, удовлетворяющие требованиям проектируемого модуля АФАР. Выбранные компоненты представлены в таблицах 3.3, 3.4.Таблица 3.3. Выбор сумматора/делителяПроизводительНаименование моделиПолоса частот, ГГцПрямые потери, дБОбратные потери, дБРазвязка, дБАО «НИИПП»Сумматор/делительМР5044-14 (9 ГГц)0,52020Таблица 3.4. Узлы ППМНаименование узла ППМНаименование моделиМИСMSM204/205Предусилитель мощности (ПУ1, ПУ2)М421227Оконечный усилитель (ОУ)TGA2238Циркулятор (Ц)ФПЦН2-100-fц (101-fц)Ограничитель (О)М54405-2Малошумящий усилитель (МШУ)MLA 110ПереключательMSW202-01ДелительМР504Глава 4. Разработка конструкции антенной решеткиАФАР4.1. Конструкция схемы антенного излучателяНа рис. 4.1 показана прямоугольная патч-антенна, в состав которой входят питающий стержень -1, земля – 2, диэлектрик – 3 и патч – 4.Рис.4.1. Конструкция прямоугольной патч-антенныВыборе диэлектрика производился на основании имеющейся базы отечественныхматериалов СВЧ-диэлектриков,к самым распространенным относятся ФЛАН, ФАФ-4Д и ФФ.В данном дипломном проекте выбор был сделан в пользу материала ФЛАН-3,8.Расчет размеров излучателяРазмеры излучателя определяются исходя из заданной длины волны и межэлементного расстояния между излучателями[1-2]. Также необходимо помнить, что геометрия излучателя влияет на поляризацию электромагнитной волны. Ширина патча W находится с помощью формулы (4.1): – длина волны в диэлектрике; - длина волны в свободном пространстве [1-2]. Толщина подложки определяется исходя из соотношений (4.3 –4.4). Подставив 𝑍0 = 50 Ом и 𝜀𝑟 = 3,8, получим ℎ ≥ 0.9 мм.В результате вычислений по выражениям (4.1-4.5) находим следующие значения:ширина стороны патчаW = 6.5 мм; размеры подложки, длина = 16 мм, ширина = 16 мм.4.2. Конструкция антенной решеткиВид конструкции разрабатываемой антенной решетки представлен на рис.4.2. В состав антенной решетки входят 640 одиночных излучателей изготовленных в виде патч-антенн, расположенных в гексагональной решетке, расстояние между излучателями в решетке 19 мм, параметры патч-антенны: ширина патча 6.5 мм, ширина подложки = 16 мм, общий размер полотна антенны 600x600 мм.Рис.4.2. Конструкция антенной решетки4.3. Моделирование антенной решетки в CSTSTUDIOSUITEСоздание конструкции патч-антенны в CSTSTUDIOКак правило первый этап создания планарной структуры заключается в создании диэлектрической подложки. В CSTSTUDIOSUITE для этого необходимо, активировать режим построения бруска с помощью команды ленты Modeling: Shapes | Brick. Далее задаем параметры подложки: координаты слоя по осям x, y, координаты слоя по оси, а также указываем имя компонента. На рис.4.3, показано диалоговое окно задания параметров слоя подложки. Рис.4.3. Задание параметров подложкиТак как свойства материала диэлектрика ещё не были заданы, то необходимо их задать, вызвав диалоговое окно описания нового материала с использованием команды [NewMaterial…] из выпадающего списка Material:Рис.4.4. Задание свойств материала подложкиНа рис.4.4 показано диалоговое окно описания свойств материала, из выпадающего списка выберем имя материала и зададим параметры диэлектрической и магнитной проницаемости.Следующим этапом является формирования слоя земли и самого патча, выполняется аналогично формированию слоя положки, но в графе material из выпадающего списка следует выбрать пункт PEC. Следующим пунктом является установка точки питания патча в виде коаксиального провода, состоящего из изолирующего внешнего диэлектрика и проводящего центрального проводника. Для этого активируем рабочую систему координат (WCS) с помощью команды ленты Modeling: WCS | Local WCS, в появляющемся диалогом окне устанавливаем положение точки отсчета системы как показано на рис.4.5. Далее с помощью команды Modeling: Shapes | Cylinder выполняем описание коаксиального провода. В результате выполненных действий получим модель патч-антенны, вид которой показан на рис.4.5.Рис.4.5. Патч-антенна вид сверху и снизуМоделирование патч-антенныНа этом этапе необходимов модель патч-антенны добавить порт, относительно которого будет рассчитываться коэффициент отражения. Порт эквивалентен случаю присоединения в плоскости его построения бесконечно длинного в данном случае коаксиального волновода.На рис.4.6 показано задание параметров порта.Рис.4.6. Настройка портаСледующий этап – задание частотного диапазона. Для его настройки вызываем диалоговое окно Simulation | Settings | Frequency и указываем в нем границы нужного частотного диапазона. В нашем случае X-диапазона эти границы заданы: Fmin = 9 ГГц, Fmax = 11 ГГц.Следующий этап – настройка монитора. Вычислители CST MICROWAVE STUDIO позволяют сохранять распределения полей в дальней зоне с помощью специальных инструментов – мониторов (monitors). Для описания настроек монитора вызываем диалоговое окно Simultion: Monitors | FieldMonitor. Задание параметров монитора показано на рис.4.7. Рис.4.7. Настройка монитораЗаключительный этап – настройка параметров временного вычислителя выполняется в диалоговом окне Home: Simulation | SetupSolver | Time DomainSolve. Параметры окна можно оставить по умолчанию. Для выполнения вычислений в диалоговом окне Time DomainSolve выполняем команду start. Для отображения диаграммы направленности излучателя открываем папку дерева проекта 2D/3D Results | Farfields | farfield (f=10), в которой рассчитана зависимость направленности антенны от углов φ и θ.Рис.4.8. Диаграмма направленности одиночного излучателяМоделирование антенной решеткиДля моделирования антенной решетки выбираем пункт меня FarfieldPlot | FarfieldArrayи устанавливаем параметры решетки: количество излучателей по осям x, y(Elements), расстояние и фазовый сдвиг между соседними излучателями (Spaceshift, Phaseshift). На рис.4.9 показано задание параметров моделируемой решетки. Диаграмма направленности при задании d = 17 мм (расстояние между излучателями) показана на рис.4.10. Полученное максимальное усиление решетки в направлении луча соответствует 36.3 dbi, уровень боковых лепестков не превышает 9 dbi. Рис.4.9. Настройка параметров антенной решеткиРис.4.10. Диаграмма направленности антенной решетки при d = 17мм4.4. Оптимизация параметров антенной решетки в CSTSTUDIOSUITEВыполним оптимизацию параметров решетки по межэлеметному расстоянию. На рис.4.11-4.12 показаны результаты моделирования антенной решетки при d=18 мм и 19 мм. Как видно из полученных результатов наилучшие параметры луча достигаются при d = 19 мм которому соответствует усиление антенны 37.2 dbi, уровень боковых лепестков не более 9 dbi. Данное межэлементное расстояние примерно соответствует ранее вычисленному и равно 0.58λ.Рис.4.11. Диаграмма направленности антенной решетки при d = 18 ммРис.4.12. Диаграмма направленности антенной решетки при d = 19 мм (0.58λ)ЗаключениеВ ходе выполнения дипломной работы нами были поставлены и решены следующие задачи:Рассмотрены основные теоретические положения систем связи с АФАР, рассмотрены современные технические реализации систем связи с АФАР, изучены принципы их работы;Рассчитано число каналов антенной решетки, составившее при заданных параметрах - N = 640;Рассчитана структурная модель антенной решетки, и определена оптимальная форма размещения излучателей - гексагональная;Разработана структурно/функциональная схема приемо-передающего модуля АФАР;Выбрана элементная база проектируемого модуля АФАР;Выполнено математическое моделирование работы устройства в среде CSTSTUDIOSUITE, подтвердившее требуемые технические характеристики устройства;При проектировании модуля системы АФАР были разработаны:Структурная схема устройства;Структурная модель антенной решетки;Приемо-передающий модуль канала АФАР;Конструкцияизлучателя АФАР.Конструкция антенной решетки АФАР Основные технические параметры разработанного модуля АФАРДиапазон рабочих частот, X 9700 – 10300 МГц;Выходная мощность P = 640 Вт;Число каналов N = 640;Уровень первого бокового лепестка, SLR = 25 дБ; Коэффициент усиления АФАР, G = 1280.В результате выполнения дипломной работы нами был спроектирован модуль АФАР, удовлетворяющий все требованиям технического задания.Список использованных источников1. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решёток. Учебное пособие / Под ред. Воскресенского Д.И. . М.: Радио и связь, 1994. 592 с. 2. Сазонов Д.М., Гридин А.М., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1981. 3. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. Учебник. М.: Высшая школа, 1988. 432 с.4. Активные фазированные антенные решетки/Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. – М.: Радиотехника, 2004. – 488 с.5. Хансен Р.С. Фазированные антенные решетки. Монография. М.: Техносфера, 2012. 560 с.6. Б.А. Панченко, Е.И.Нефёдов. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986. 144с. 7. Проектирование активных фазированных антенных решеток: учебно-методическое пособие для практических занятий и самостоятельнойработы [Электронный ресурс] / сост.: Е. Р. Гафаров, К. В. Лемберг,В. С. Панько, Ю. П. Саломатов. – Электрон. дан. – Красноярск: Сиб.федер. ун-т, 2013. – 23 с.8. Чистюхин В.В. Антенно-фидерные устройства: учебное пособие. – М.: МИЭТ, 2010. – 200 с. 9. Дятлов А.П. Системы спутниковой связи с подвижными объектами: Учебное по-собие. Ч.1. Таганрог. ТРТУ. 2004. 95 с.10. Крылов В. В., Никатов К. Ю. Перспективы развития техники и технологии систем радиоэлектронной борьбы // Зарубежная радиоэлектроника. 1988. Вып. 6. С. 3-12.11. Иммореев И. Я., Махлин Р. Л., Редькин Г. Е. Активная передающая ФАР современной твердотельной РЛС: Активные фазированные антенные решетки / под ред. Д. И. ВоскресенскогоиА. И. Канащенкова. М.: Радиотехника.2004.12. http://concern-agat.ru