3.3.1.4 Расчет размеров излучателя
Размеры излучателя определяются исходя из заданной длины волны и межэлементного расстояния между излучателями. Также необходимо помнить, что геометрия излучателя влияет на поляризацию электромагнитной волны. Ширина патча W находится с помощью формулы (18):
= 0.48 ∗
– длина волны в диэлектрике (19);
0 — длина волны в свободном пространстве [12].
Исходя из максимально возможного расстояния между излучателями, рассчитаем линейные размеры геометрии излучателя: = , b =.Толщина подложки определяется исходя из соотношений (20 – 22).
Подставив 0 = 50 Ом и = 3,8, получим ℎ ≥ 0.92 мм.
Современные технологии позволяют производить большое количество расчетов за малое время. Это позволило определить точку запитки патча с помощью более грубого параметрического анализа и наиболее точной оптимизации.В результате деления всего антенного полотна на модули возникает сложность объединения земли всех излучателей. Эта задача решается следующим образом. Так как и приемо-передающие модули (ППМ) и модули антенного полотна (МАП) необходимо жестко на чем-то закрепить, то можно создать каркас (раму), перегородки которого будут обеспечивать слияние земель всех излучателей посредством крепления их на винты (12).
3.3.1.5 Моделирование прямоугольного патча
Моделирование и оптимизация параметров патч-антенны будет производиться в ANSYS HFSS [13]. Выберем начальные размеры патча исходя из формул, приведенных в п.п.3.3.1.4. В итоге получим: толщина диэлектрической подложки ℎ = 2…3 мм; ширина стороны патча =6.5 мм; размеры подложки, а именно, длина и ширина – соответственно 17,6 мм и 16 мм. Модель прямоугольного патча представлена на рисунке (13).
После оптимизации размеров были получены характеристики,изображенные на рисунках (14-16).
Ширина полосы данного излучателя по уровню -10 дБ (рисунок 15) составляет всего 10% (1 ГГц). Этого результата может быть недостаточно при нестабильности диэлектрической проницаемости ±0,15. Модель, изображенная на рисунке (13) была изменена с целью расширить полосу частот. В результате были сделаны спилы углов и диагональные прорези [7]. Полученная модель изображена на рисунке 17.
На рисунке (18) приведен эскиз патча. Его размеры приведены в таблице (5).
На рисунке 19 представлено распределение напряженности электрического поля на поверхности патча.
Графики основных параметров излучателя представлены на рисунках
(20 – 21). Так как у ФЛАН-3.8 сильная нестабильность диэлектрической проницаемости по сравнению с зарубежными аналогами, выбор излучателя с широкой полосой частот оказался оправданным. На рисунке 20 представлен график зависимости КСВ от возможной нестабильности диэлектрической проницаемости.
Выбор толщины подложки осуществлялся в диапазоне от 2 до 3 мм. На рисунке (21) представлены зависимости КСВ излучателя от толщины подложки.
Проведя оптимизацию геометрии с целью получить наилучшее согласование в заданной полосе частот, а также максимально достижимый коэффициент усиления, толщина подложки была выбрана равной 2,5 мм.
3.3.1.6 Выбор разъема для излучателя
После проведения анализа отечественного рынка СВЧ-разъемов выбор был сделан в пользу разъема СРГ-50-972В (22) ПАО «Иркутский релейный завод».
Основные параметры СРГ-50-972В приведены в таблице 6
Таблица 6 – Технические характеристики СРГ-50-972В
Выбор данного разъема обусловлен лишь тем фактом, что в открытых источниках невозможно найти какого-либо аналога данного разъема отечественного производства.
Так как монтаж разъемов к микро полосковым излучателям достаточно сложен, необходимо разработать технологию данного процесса.
Существует ряд сложностей. Во-первых, при креплении разъема к экрану необходимо обеспечить прочное сочленение, что осложняется слабой адгезией выбранного диэлектрика с жилой контакта разъема. Во-вторых, необходимо обеспечить замыкание жилы разъема на патч. В-третьих,
недопустимо замыкание жилы разъема на экран, что может быть вызвано некачественной пайкой данного разъема. В результате была выбрана технология, тщательно описанная в следующем подпункте.
3.3.1.7 Выбор технологии монтажа разъема
Исходный материал (заготовка) представлен на рисунке 23.
После этого необходимо очистить отверстие от наноса смолы на медные торцы слоев. Это реализуется путем травления в серной кислоте, в растворе перманганата, с помощью плазмохимической очистки или гидрообразивной обработки.
Результат представлен на рисунке 25.
После этого вытравливается весь нижний слой металлизации. Далее вытравливается необходимая геометрия излучателя. На нижнюю часть диэлектрической платы наносится клеящий состав. После этого печатная плата присоединяется к листу металла толщиной 2 мм с заранее просверленными отверстиями под разъем. Далее припаиваем разъем. Со стороны излучающей поверхности вводим достаточное количество припоя в отверстие. Таким образом, получено хорошее сочленение жилы разъема и патча, а также повышена адгезия между разъемом и платой.
3.3.1.8 Построение диаграммы направленности одиночного излучателя
Диаграмму направленности всей антенной решетки с помощью ANSYS HFSS вычислять довольно трудоемкая задача, поэтому воспользуемся возможностью экспортировать ДН одиночного излучателя в MATLAB [4].
Постоим в ANSYS HFSS графики ДН RGain(, φ =0) и RGain(,φ=90), что будет являться диаграммой направленности соответственно по азимуту (27) и углу места (28). На рисунке (29) представлен график трехмерной диаграммы направленности одиночного излучателя, а на рисунке (30) представлен график полученной нормированной диаграммы направленности. Импортируем данные графиков в формат xls. Полученные значения вставим в алгоритм, написанный в среде MATLAB. Построим графики одиночного излучателя.
3.3.2 Построение диаграммы направленности и выбор амплитудного распределения антенной решетки
Так как количество излучателей достаточно велико, то согласно [1] данную антенную решетку можно представить в виде бесконечно длинной решетки. Тогда диаграмму направленности антенной решетки можно
представить в виде (20).
(, ) = 0 (,) ∗(,) (20)
0(, ) – диаграмма направленности одиночного излучателя,
(,) – множитель антенной решетки.
Диаграмма направленности одиночного излучателя получена при его моделировании и последующем расчете в ANSYS HFSS [13]. Таким образом, расчет диаграммы направленности антенной решетки сводится к нахождению множителя антенной решетки.
Множитель антенной решетки с произвольным расположением излучателей можно рассчитать с помощью формулы (21)
В нашем случае антенная решетка представляет собой квадрат 32х36 с нулевыми амплитудами отсутствующих излучателей. Если каждый ряд излучателей характеризуется одним и тем же амплитудным распределением, то множитель можно представить в виде произведения двух множителей (22) и (23).
− прогрессивный линейный набег фазы вдоль оси ;
− прогрессивный линейный набег фазы вдоль оси ;
− азимут; − угол места.
В итоге были получены графики зависимости множителя антенной решетки по мощности от угла поворота в азимутальной и угломестной плоскостях рисунок (31). Нормированный множитель антенной решетки в трехмерном виде представлен на рисунке (32).
При расчете амплитудного распределения необходимо помнить, что антенная решетка имеет круглую форму. Это обстоятельство легко учесть перейдя к цилиндрической системе координат [14]. Используя полученные в ANSYS HFSS ДН одиночного излучателя по азимуту и углу места, а также формулы для расчета множителя антенной решетки, рассчитаем ДН антенной решетки в азимутальной и угломестной плоскостях. Полученные графики при равномерном амплитудном распределении приведены на рисунке (33).
Для построения диаграмм был использован алгоритм, описанный в подразделе 3.5. По графику (33) видно, что первый боковой лепесток по азимуту расположен на 230 и его уровень составляет -26 дБ. Боковой лепесток по углу места расположен на 13,50 и составляет -24 дБ. Полученные значения не удовлетворяют требованию предъявляемому к уровню боковых лепестков, а именно, уровень первого бокового лепестка (УБЛ1) не должен превышать -35 дБ.
С целью подавления боковых лепестков необходимо изменить амплитудное распределение. Рассмотрим несколько основных амплитудных распределений. В таблице (7) приведены функции распределения и основные характеристики ДН АР [2]. Уменьшение уровня первого бокового лепестка влечет за собой снижение эффективной изотропно излучаемой мощности (PG), где P – мощность, подводимая к антенной решетке, а G – полный коэффициент усиления антенной решетки.
Таблица 7 – Виды амплитудных распределений и их характеристики
В таблице (8) приведены значения соответствующие проектируемой антенной решетке.
Таблица 8 – Расчетные значения при разных амплитудных распределениях
Исходя из данных, полученных при моделировании рассмотрим амплитудное распределение
(1 − 2), где n=2,3,4. Полученные графики приведены на рисунках (34 – 36).
Использование амплитудного распределения при n=4 (36) приведет к падению эффективной изотропно излучаемой мощности примерно на 6 дБ, но при этом первый боковой лепесток по азимуту не превосходит -40 дБ, а по углу места -39 дБ. Следовательно, улучшается помехозащищенность и скрытность. К тому же улучшается электромагнитная совместимость с другими радиоэлектронными устройствами. В виду конструктивных особенностей проектирования антенной решетки невозможно добиться того, чтобы сектором сканирования АФАР являлся прямоугольник со сторонами 600*2 и 450*2. Эмпирически было доказано, что полученная антенная решетка способна сканировать пространство в диапазоне эллипса, радиусы которого составляют 450 и 600.
На рисунке (37) представлены отклонения луча в обеих плоскостях.
3.3.3 Разработка модуля антенного полотна
При проектировании антенной решетки необходимо учитывать размеры отпускаемого с производства листа диэлектрика, а также его массу. С целью обеспечения лучшей ремонтопригодности, а также более легкой сборки конструкции антенной решетки, было решено комплектовать излучатели по количеству каналов приемо-передающих модулей в так называемые модули антенного полотна (МАП). Следовательно, МАП должен состоять из 4 излучателей. Рассчитаем количество модулей антенного полотна МАП по формуле (24).
N – количество каналов всей решетки.
В результате получим: МАП = 192
Рассчитаем линейные размеры МАП по формулам (25-27). Учтем, что = 15 мм; = 16 мм; = 17,3 мм; = 16 мм.
МАП = ∗излМАП (25)
МАП = (26)
МАП = (27)
МАП – длина МАП;
МАП – ширина МАП;
излМАП – количество излучателей в одном МАП; Модуль антенного полотна состоит непосредственно из платы диэлектрика с вытравленной с одной стороны топологией излучателя, а также металлического основания, слоя «земли». В программе «КОМПАС-3D» был построен эскиз модуля антенного полотна, изображенный на рисунке 38, а также эскиз слоя «земли», изображенный на рисунке 39.
3.4 Разработка СВЧ тракта приемо-передающего модуля (ППМ)
3.4.1 Принцип работы приемо-передающего модуля и основные технические характеристики
Приемо-передающий модуль предназначен для приема и передачи СВЧ сигналов. Он должен позволять управлять фазовым и амплитудным распределением излучателей антенны, так как АФАР требует электронного управления лучом. Это необходимо для того, чтобы сигналы от разных излучателей синфазно сложились в нужной точке пространства. Управление амплитудным распределением, прежде всего, необходимо для подавления боковых лепестков диаграммы направленности антенной решетки, а также для правильного приема отраженного сигнала. В таблице 9 приведены основные технические характеристики разрабатываемого СВЧ тракта ППМ.
Таблица 9 – Основные технические характеристики
3.4.2 Структурная схема и принцип действия
ППМ — приемо-передающий модуль – это устройство, предназначенное для приема и передачи СВЧ – сигнала с требуемым АФР (амплитудно-фазовым распределением). Необходимость ППМ для АФАР заключается в том, что для использования электронного изменения положения луча необходимо задавать определенную начальную фазу в каждом излучателе. Также в случаях радиоэлектронной борьбы необходимо изменять форму луча, создавать провалы в ДН антенной системы. Структурная схема ППМ содержит непосредственно переключатели работы ППМ на передачу или прием, перестраиваемый фазовращатель, перестраиваемый аттенюатор, МШУ, выходной усилитель, компенсирующий усилитель, ограничительное устройство, а также схему управления ППМ. На рисунке (40) представлена стандартная схема построения ППМ.
S1, S2 – переключатели;
А1 – ограничительное устройство;
А2 – схема управления устройствами ППМ;
А3 – малошумящий усилитель (МШУ);
А4 – выходной усилитель;
А5 – фазовращатель;
А6 – аттенюатор;
А7 – компенсирующий усилитель;
А8 – компенсирующий усилитель;
А9 – аттенюатор;
А10 – фазовращатель
Рассмотрим принцип работы ППМ на передачу. Сигнал пришедший из СВЧ распределительной системы поступает на ключ S2, который предварительно выставлен в положение на передачу с помощью сигнала управления, поступившего со схемы управления. После этого сигнал попадает на фазовращатель A10, где он сдвигается на заранее рассчитанное значение по фазе, переданное со схемы управления. Потери в фазовращателе могут достигать 10 дБ, поэтому необходимо усилить сигнал. С этой целью в схеме присутствует компенсирующий усилитель, увеличивающий уровень сигнала, на уровень потерь в ФВ. Далее сигнал поступает на управляемый аттенюатор, в котором сигнал ослабляется на заранее рассчитанное и установленное значение, соответствующие нужному амплитудному распределению. После чего сигнал приходит на выходной усилитель, где происходит его окончательное усиление. Далее через ключ S1, заранее выставленный в положение на передачу, сигнал поступает на излучатель. Принцип работы ППМ на прием во многом похож на передачу. На ключ S1, заранее выставленный в положение на прием, поступает принятый излучателем сигнал. Далее он идет на ограничитель, в котором проверяется, не превышает ли принятый сигнал предельного допустимого значения входной мощности малошумящего усилителя. Если превышает, то он ограничивается до требуемого уровня, и далее соответственно, поступает на МШУ. После усиления сигнал поступает на фазовращатель A5. При прохождении ФВ сигнал может быть ослаблен, вследствие чего, его необходимо восстановить до прежнего уровня мощности с помощью усилителя A7. Далее в управляемом аттенюаторе сигнал ослабляется для установки требуемого амплитудного распределения на заранее переданное значение со схемы управления. После чего сигнал поступает на ключ S2,выставленный в положение на прием, и далее попадает в СВЧ распределительную систему. Схема, изображенная на рисунке (40), имеет недостаток. Так как фазовращатели и аттенюаторы в разных каналах не предполагается использовать и на прием и на передачу одновременно, можно сделать вывод об избыточности схемы. На рисунке (41) приведена оптимизированная схема ППМ. Так как в авиационной технике малые габариты являются одним из главных параметров, будем использовать микро полосковые технологии.
Основные характеристики ППМ приведены в таблице 10.
Таблица 10 – Основные характеристики ППМ