Разработка аппаратуры бортовой РЛС обнаружения воздушных целей в Х-диапазоне

1  2  3  4

---

Содержание

 

Введение

1 Постановка задачи

2 Особенности разработки АФАР бортовой радиолокационной станции.

3 Разработка основных узлов АФАР

3.1 Структурная схема БРЛС

3.2 Структурная схема и принцип работы активной фазированной антенной решетки

3.3 Разработка антенной решетки

3.3.1 Разработка излучателя для антенной решетки

3.3.2 Построение диаграммы направленности и выбор амплитудного распределения антенной решетки

3.3.3 Разработка модуля антенного полотна

3.4 Разработка СВЧ тракта приемно-передающего модуля (ППМ)

3.4.1 Принцип работы приемно-передающего модуля и основные технические характеристики.

3.4.2 Структурная схема и принцип действия

3.4.3 Основы построения сложно функциональной монолитной интегральной системы

3.4.5 Выбор элементной базы

3.4.6 Построение структурной и электрической принципиальной схем СВЧ тракта ППМ

3.4.7 Расчет коэффициента шума

3.5 Разработка СВЧ распределительной системы

3.5.1 Структурная схема и основные принципы построения

3.5.2 Разработка сумматора — делителя 2:1

3.5.3 Разработка сумматора — делителя 4:1

3.5.4 Разработка СВЧ распределительной платы

3.6 Разработка алгоритма расчета амплитудно-фазового распределения (АФР)

4 Дополнительный раздел (БЖД)

4.1 Постановка задачи

4.2 Опасные и вредные факторы, возникающие в процессе выполнения работы.

4.2.1 Обеспечение электробезопасности

4.2.2 Обеспечение пожаробезопасности

4.2.3 Классификация устройств по условиям эксплуатации

4.2.4 Меры защиты от опасного воздействия СВЧ излучения

Заключение

Список использованных источников

 

Введение

 

Темой данной ВКР является разработка активной фазированной антенной решетки (АФАР) бортовой радиолокационной станции (БРЛС) обнаружения воздушных целей в Х-диапазоне частот на основе отечественной элементной базы.

Х-диапазон – самый распространенный и дальний по обнаружению. Его название происходит от аббревиатуры Х (секретный), используемой в годы Второй Мировой войны. Электромагнитный спектр таких РЛС достигает от 8 до 12 ГГц, то есть длина волны составляет от 3,75 до 2,5 см.

В настоящее время к АФАР приковано особое внимание в сфере разработки БРЛС.На сегодняшний момент самую важную часть БРЛС составляет фазированная антенная решетка (ФАР).Существует два типа решеток: пассивная и активная, соответственно, это ПФАР и АФАР.

ПФАР отличается от АФАР тем, что у пассивной системы сигнал с фазовращателей поступает на один приемопередатчик, тогда как в активной решетке каждая ячейка имеет свой приемопередатчик, и их число может превышать тысячу штук. Если в пассивной решетке повредится передатчик, то радар перестает функционировать. Если же у активной решетки выйдут из строя передатчики нескольких ячеек, то радар продолжит свою работу, что делает систему АФАР более надежной.

Но главное отличие активной решетки от пассивной – это чувствительность и возможность работы активной системы на нескольких частотах одновременно, что означает, что АФАР способна одновременно сопровождать десятки целей, делать картографирование местности, глушить и защищаться от помех радара противника. На сегодняшний день наиболее известными БРЛС с АФАР являются: «ЖУК-А(Э)» и «БЕЛКА Н-036». «ЖУК-А(Э)» является экспортным вариантом разрабатываемой «ЖУК-А», предназначенным для поставки индийским ВВС. Следовательно, разработка БРЛС с АФАР для отечественных ВКС является актуальной задачей.

 

1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

 

Задачей данной ВКР является разработка блока бортовой радиолокационной станции (АФАР) на отечественной элементной базе, работающей в Х-диапазоне частот, обеспечивающей максимальную дальность обнаружения воздушных целей 200 км с ЭПР не более 3 м2,обзором по у глу места ±450, по азимуту ±600, полоса частот 9700 – 10300МГц.

Основные параметры разрабатываемого блока приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Основные параметры разрабатываемого блока БРЛС (АФАР).

 

Разработка АФАР БРЛС должна в себя включать разработку следующих составных частей:

— Разработка антенной решетки (излучатель, модуль антенного полотна);

— Разработка СВЧ тракта, а также определение основных технических характеристик цифровой части приемо-передающего модуля (ППМ);

— Разработка СВЧ распределительной системы (СВЧРС);

— Разработка алгоритма расчета коэффициентов амплитудного и фазового распределений для системы управления лучом (СУЛ).

 

2 ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ АФАР БОРТОВОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ

 

Преимуществами передающих АФАР является отсутствие общего

тракта, по которому передается суммарная мощность, и тот факт, что

сложение мощностей многих передатчиков осуществляется в

пространственном луче, что снимает проблемы, связанные с возможностью

электрического пробоя тракта. Для обеспечения когерентности колебаний во

всех передатчиках они должны быть синхронизированы с помощью единого

возбудителя. Управление фазой в передающих АФАР производится

фазовращателями, включенными на входе генератора или в предварительных

каскадах усиления, т.е. в местах с малым уровнем мощности, что снижает

потери, вносимые фазовращателями. Аналогично в приемных АФАР

фазовращатели могут быть помещены не на входе приемника, а на выходе

ВЧ-усилителя или, что удобнее,  в тракте промежуточной частоты.

Применение АФАР позволяет реализовать распределение амплитуд в

элементах антенны изменением мощности отдельных передатчиков или

регулированием усиления приемника.

Разработка АФАР для БРЛС обусловлена рядом сложностей:

— габаритные размеры;

— масса;

— относительно небольшой КПД.

К этому добавляются сложности разработки АФАР на отечественной

элементной базе, а именно:

— слабое развитие электронной промышленности;

— сравнительно небольшой выбор диэлектрических материалов.

Наилучшим решением является построение антенной решетки на основе множества одинаковых излучателей и приемо-передающих модулей с использованием микрополосковой технологии.

Антенные решетки делятся на линейные, поверхностные и объемные.

Наибольшее распространение получили линейные антенные решетки, ввиду

менее сложного математического описания. По методу управления лучом

решетки делятся на механические, электромеханические и электрические [1].

Принцип работы первых заключается в том, что для управления ДН

антенны необходимо поворачивать саму антенну.

Недостатки этого метода

были описаны выше. Вторые характеризуются поворотом отдельного

элемента (например, облучателя зеркальной антенны).

Принцип работы третьих заключается в изменении амплитудно-фазового распределения (АФР) в раскрыве решетки.

«Преимущества антенн с электрическим сканированием:

— в одном луче складывается мощность большого числа излучателей;

— извлечение большего количества полезной информации из сигналов, которые приняты каждым элементом в отдельности;

— надежность работы антенны выше, за счет того, что при выходе одного излучателя из строя, АР продолжит работу с минимальными потерями [2].

Недостатки антенн с электрическим сканированием:

— достаточно высокая сложность;

— высокая стоимость;

— высокие эксплуатационные расходы.»

Так как антенная решетка состоит из множества однотипных элементов, то в простейшем случае (линейка излучателей) закон распределения тока будет выглядеть следующим образом: Inexp(in).

Максимум диаграммы направленности может быть найден с помощью

следующего выражения (1):

θгл=arcsin(φ/κd)=arcsin(φλ/2πd)(1)

Изменение положения диаграммы направленности (ДН) антенной

решетки может быть достигнуто, исходя из формулы (1), двумя способами:

— изменением длины волны (изменение частоты);

— изменением фазы.

Соответственно, в первом варианте антенная решетка называется с частотным сканированием, а во втором варианте — с фазовым. Антенные решетки основанные на фазовом сканировании называются фазированными

антенными решетками (ФАР). С целью получения на выходе отдельного

излучателя требуемого уровня выходного сигнала необходимо включить в

антенную решетку управляемый активный элемент – управляемый

усилитель, управление которым может быть достигнуто за счет

использования перед обычным усилителем управляемого аттенюатора.

Данный вид антенных решеток получил название активных фазированных

антенных решеток (АФАР).

 

3 РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ УЗЛОВ АФАР

3.1 Структурная схема БРЛС

 

БРЛС с АФАР содержит следующие основные составные части:

— Антенная решетка

— ППМ

— Система управления лучом

— СВЧ распределительная система

— Синтезатор частот

— СВЧ приемник

— Вычислитель

Рисунок 1 — Структурная схема БРЛС

 

3.2 Структурная схема и принцип работы активной фазированной антенной решетки

 

Антенная решетка, ППМ и СВЧ распределительная входят в состав активной фазированной антенной решетки (АФАР).

Структурная схема разрабатываемого блока представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Структурная схема АФАР

На 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.

 

3.3 Разработка антенной решетки

 

Антенная решетка представляет собой антенну, состоящую из множества излучателей, разнесенных на заранее рассчитанное расстояние друг от друга и расположенных в определенной конфигурации. Как было отмечено ранее, в данной ВКР используется плоская активная фазированная антенная решетка.

Найдем необходимое количество каналов антенной решетки. Для этого воспользуемся основным уравнением радиолокации (2).

Dмакс– максимальная дальность действия БРЛС;

Pизл – мощность излучаемого сигнала (4);

Gизл– коэффициент усиления антенной решетки на передачу (5);

Prmin– минимальная мощность на входе, приемника при которой возможно

обнаружить отраженный от цели сигнал;

Ar– эффективная площадь антенны (3);

– ЭПР цели

Gr – коэффициент усиления на прием (6);

– длина волны.

Зададимся следующими параметрами, приведенными в таблице 2.

Таблица 2 — Параметры для расчета количества каналов антенной решетки

Pизл = N ∗ Pизл1

Gизл = N ∗ Gизл1

Gr = N ∗ 0,5 ∗ Gизл1

Pизл1 – мощность, передаваемая одним излучателем;

Gизл1 – коэффициент усиления одного излучателя;

N – количество каналов.

Подставив (4 — 6) в 2 получим

Выразив из формулы (7) N, получим следующее выражение (8):

Мощность на выходе каждого канала ППМ примем равной 5 Вт, а коэффициент усиления одиночного излучателя примем равным не менее 3,5 раз или 5,5 дБ. Подставив значения параметров в формулу (4.2.7) и округлив результат, получим (9)

Следовательно, для обеспечения дальности 200 км необходимо, чтобы антенная решетка состояла не менее чем из 747 излучателей. Существует два основных способа размещения излучателей в антенной решетке: прямоугольный и треугольный (гексагональный), изображенные на рисунке 3 [3].

Рисунок 3 – Размещение излучателей.

При прямоугольном размещении излучателей максимальное расстояние между элементами антенной решетки по оси x и y рассчитывается из условий (10 — 11)

Подставив известные данные из ТЗ получим: = 15 мм;

= 16 мм; = 17,3 мм; = 16 мм.

При гексагональном размещении излучателей максимальное расстояние между излучателями по оси x больше 17,3 мм > 15 мм. Этот факт позволяет достичь большего коэффициента усиления при использовании такого же количества излучателей, и следовательно, удешевить разрабатываемую антенную решетку. Так как в антенной решетке будут использоваться четырехканальные приемо-передающие модули, необходимо обеспечить, чтобы в каждом ряду количество излучателей было кратно 4. К тому же целесообразно использовать симметричную антенную решетку в обеих плоскостях, так как это позволит при отклонении луча получать симметричную диаграмму направленности. С помощью алгоритма, написанного в среде МАТЛАБ, была получена антенная решетка, изображенная на рисунке (4) [4].

Рисунок 4 – Распределение излучателей в антенной решетке при прямоугольном размещении.

Максимальное количество излучателей по оси x составило = 32, по оси y – = 36. Общее количество излучателей можно пересчитать, сложив количество излучателей каждой линии по x (14):

= 8 ∗ 8 + 16 ∗ 8 + 24 ∗ 8 + 32 ∗ 12 = 768

С помощью формул (15) и (16) рассчитаем апертуру антенны по оси x и y.

Апертура антенны по оси x = 17,6 ∗ 32 = 563,2 мм, а по оси y

=16*36=576 мм. Также были рассчитаны координаты излучателей при гексагональном размещении. На рисунке (5) приведены результаты расчета.

Рисунок 5 – Размещение излучателей и их координаты при гексагональном размещении

После приведения формы антенной решетки к гексагональной необходимо учесть небольшое увеличение апертуры по x (17)

= ∗ +0,5*

В результате чего получим: = 17,6 ∗ 32 + 0,5 ∗ 17,6 = 572

=16*36=576 мм.

 

3.3.1 Разработка излучателя для антенной решетки

 

В данной ВКР было уделено отдельное внимание разработке

излучателя. Она включает в себя следующие этапы:

— выбор типа излучателя;

— выбор вида излучателя;

— создание модели в и оптимизация ее параметров;

— выбор разъема;

— разработка технологии монтажа;

— построение диаграммы направленности.

 

3.3.1.1 Выбор типа излучателя

 

В бортовых радиолокационных станциях применяют следующие типы

излучателей:

— печатные;

— волноводные;

— плоские спиральные антенны.

Анализ современных БРЛС с АФАР показал, что широкое применение получили микро полосковые излучатели. На рисунке (6) представлена антенная решетка БРЛС «ЖУК-АЭ».

Их использование обусловлено в первую очередь компактностью, а также более низкой массой, что является одним из наиболее важных параметров при использовании РЛС на борту летательных аппаратов. К тому же они имеют более простую конструкцию [5]. Отмечается и ряд недостатков таких как, изменение параметров печатных плат от температуры и трудность конструирования. Так как преимущества использования микро полосковых антенн преобладают над недостатками и помимо этого в ходе проектирования будут найдены решения их преодоления, будем использовать данный тип излучателя.

 

3.3.1.2 Выбор вида излучателя

 

Существует множество видов микро полосковых излучателей, из которых можно выделить основные и наиболее часто применяемые в современном вооружении и оснащении летательных аппаратов. Это антенна «Вивальди», патч-антенна, а также печатный диполь. Виды микро полосковых излучателей приведены на рисунке (7).

У патч-антенны есть ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, она проста в разработке и моделировании, что уменьшает затрачиваемое время на получение необходимой геометрии. Во-вторых, более простая конструкция позволяет при необходимости оперативно подстраивать параметры излучателя. Ну и в-третьих, меньшие габариты позволяют использовать этот вид излучателя в антенных решетках в большом количестве, что позволяет получать на выходе антенной решетки большую мощность и более гибкую вариативность при выборе положения луча [6]. Самыми распространенными являются круглый, обычный прямоугольный, и множество разновидностей прямоугольного или круглого излучателей, полученных с помощью изменения или дополнения геометрии. При выборе типа излучателя была рассмотрена и зарубежная литература, а именно [23-25].

Чаще всего внесение коррективов в стандартную геометрию патча обусловлено недостаточной полосой частот [10]. Более широкая полоса выгодна при использовании диэлектрика с относительно большой неравномерностью диэлектрической проницаемости. Также при выборе вида излучателя необходимо учитывать тип поляризации. Для обеспечения линейной поляризации нужно использовать излучатели с симметричной геометрией.

Исходя из вышесказанного, было решено использовать прямоугольный излучатель. Касательно поляризации необходимо отметить, что горизонтальная поляризация предпочтительнее, так как аэродинамические цели и летательные аппараты имеют преимущественно горизонтальную ориентацию элементов конструкции [11]. На рисунке (8) изображена прямоугольная патч-антенна состоящий из питающего стержня -1, земли – 2, диэлектрика – 3 и самого патча – 4 .

«При приближенном подходе, основанном на теории длинных линий, в отрезке учитывается возбуждение лишь квази Т-волны» [1]. «Распределение поля вдоль торцевых и боковых щелей в резонансном режиме соответствует низшей резонансной частоте, когда длина отрезка полосковой линии близка к половине квази Т-волны. Энергия запасенная в поле квази Т-волны при резонансе, достаточно велика.» [1]. Распределение электрического поля вдоль торцевых и боковых щелей представлено на рисунке (9). Приняв во внимание условие, что длина патча должна быть равна нечетному числу полуволн, магнитные токи в торцевых щеляхявляются синфазными. В направлении нормали к поверхности патча будетнаблюдаться максимум излучения торцевых щелей. На рисунке (10) представлено направление эквивалентного магнитного тока. Если же предположить, что длина патча равна четному числу полуволн квази волны, то тогда излучения в плоскости ортогональной поверхности патча не будет. Силовые линии электрического поля изображены на рисунке (11).

 

3.3.1.3 Выбор диэлектрика и толщины подложки

 

При выборе диэлектрика я руководствовался, прежде всего, возможностями отечественного производства СВЧ-диэлектриков. Наиболее распространенными являются диэлектрики ФЛАН, ФАФ-4Д и ФФ.

После изучения линейки диэлектрических материалов марки ФЛАН, был сделан выбор в пользу материала ФЛАН-3,8 параметры которого приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Основные параметры ФЛАН 3,8

В таблице 4 представлены возможные варианты толщины медной фольги и толщины подложки компании «РОСИЗОЛИТ».

Таблица 4 – Толщины подложки и фольги

---

1  2  3  4