Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности математического моделирования ВРС в широком диапазоне частот для фар с высокой энергетической эффективностью 22
1.1. Постановка задачи 22
1.2. Анализ известных методов математического моделирования ВРС и особенностей их использования в широком диапазоне частот 25
1.3. Анализ специальных алгоритмов математического моделирования ВРС для широкого диапазона частот 45
1.4. Выводы 49
Глава 2. Создание широкодиапазонной элементной базы ВРС и ее базовых функциональных устройств 50
2.1. Постановка задачи 50
2.2. Исследование способов совершенствования НО 50
2.3. Исследование способов увеличения диапазонности балансных восьмиполюсников 72
2.4. Исследование в широком диапазоне частот вспомогательной элементной базы 77
2.5. Выводы 79
Глава 3. Исследование широкодиапазонных ВРС с высоким КПД 81
3.1. Постановка задачи 81
3.2. Исследование способов увеличения диапазонности ВРС 82
3.3. Выводы 96
Глава 4. Исследование путей создания врс для моноимпульсной фар, обеспечивающей снижение убл суммарно-разностной дн в широком диапазоне частот 98
4.1. Постановка задачи 98
4.2. Особенности оптимизации ВРС для малоразмерных бортовых ФАР 101
4.3. Сохранение оптимизации ВРС в широком диапазоне частот 106
4.4. Выводы 114
Глава 5. Экспериментальное исследование диапазонных свойств ВРС 115
5.1. Постановка задачи 115
5.2. Экспериментальное исследование допустимости использования энергетического способа расчета при соединении функцианальных узлов (ГР и линеек ВРС) в составе ВРС в широком диапазоне частот 115
5.3. Экспериментальный анализ широкодиапазонных НО и созданного на их основе линейного распределителя 125
5.4. Выводы 129
Заключение и общие выводы 130
Список литературы 134
- Анализ известных методов математического моделирования ВРС и особенностей их использования в широком диапазоне частот
- Исследование способов совершенствования НО
- Исследование способов увеличения диапазонности ВРС
- Особенности оптимизации ВРС для малоразмерных бортовых ФАР
Введение к работе
Современный радиолокационный прицельный комплекс (РЛПК) должен обладать рядом отличительных боевых и функциональных возможностей, в значительной степени определяющих выбор основных принципов построения составных частей РЛПК, включая антенну. К числу этих качеств относятся:
- многоцелевая работа в режимах обзора и сопровождения целей в широком секторе сканирования (до ±60° и выше);
- излучение и прием зондирующих сигналов в Х-диапазоне волн в диапазоне частот 10% и более;
- большая дальность обнаружения воздушных и наземных целей в условиях естественных и искусственных помех.
Совокупности перечисленных требований в полной мере отвечают только радары с электронным управлением лучом. Именно поэтому в последние годы разработчики и производители радиолокационных комплексов (РЛК) и антенн так много внимания уделяют решению теоретических вопросов построения и технологии антенных систем с электронным управлением лучом (АС с ЭУЛ) [1-9].
Из всех возможных вариантов радаров наиболее сложным и противоречивым с точки зрения проектирования и реализации в производстве являются системы управления вооружением (СУВ) истребителей [10]. Это вызвано тем, что на борту истребителя в максимально ограниченном объеме и с жесткой регламентацией по массе и энергопотреблению требуется обеспечить электронное управление лучом с характеристиками излучения, превосходящими другие применения АС с ЭУЛ, в более широком рабочем диапазоне частот, с конструкторским выполнением, отвечающим требованиям технологии массового производства. Решение этой технически сложной, противоречивой и чрезвычайно актуальной с точки зрения обеспечения боевой эффективности и живучести авиационного комплекса задачи найдено в двух основных вариантах. Первый из них основан на технологии пассивных фазированных антенных решеток (ФАР) с волноводной распределительной системой (ВРС): СУВ «Заслон» истребителя МИГ-31, радиолокационная станция управления (РЛСУ) «Барс» истребителя СУ-30, РЛПК «Оса» для легких фронтовых истребителей, РЛСУ «Ирбис» истребителя СУ-35. Второй - на технологии активных ФАР, использующей в приемо-передающих модулях МИС СВЧ на основе GaAs или других структурах материалов группы АЗВ5. Антенны этого направления находятся на начальном этапе создания массовых экономически оправданных технологий и реализаций всех заданных боевых режимов. Тем не менее такие важные авиационные комплексы как F-22 и F-35 (США), перспективный авиационный комплекс фронтовой авиации (ПАК ФА) (Россия) выполняются на основе АФАР. Между обоими направлениями в технике АС с ЭУЛ нет принципиальных противоречий и для каждого из них есть наиболее благоприятные (оправданные применения) [И]. Важным обстоятельством является то, чтобы как пассивная так и активная фазированные антенные решетки соответствовали заданным техническим требованиям и формировали в радаре весь требуемый комплекс характеристик.
Известные разработки ОАО «НИИП» (СУВ «Заслон» с ФАР Б1.01М, РЛСУ «Барс» с ФАР Н11.01.01М и др.), где выполняется настоящая диссертационная работа, по параметру высокой энергетической эффективности превосходят все отечественные и зарубежные аналоги в (1.5... 1.7) раза. Однако это поколение бортовых ФАР, обладая таким качеством, работоспособно в сравнительно узком рабочем диапазоне частот f0±(2.5...3.5)%. В этой связи на современном этапе все более актуальным становится расширение функциональных задач бортовой радиолокационной станции (БРЛС): повышение помехозащищенности, обеспечение электромагнитной совместимости, интеграция различных составных частей комплекса бортового оборудования (КБО), например радиолокационная система (РЛС) и комплекс радиоэлектронной борьбы (КРЭБ) и др. - что ставят совершенно новую проблему достижения высокой энергетической эффективности ФАР в сочетании со значительным (до несколько десятков процентов) расширением диапазона рабочих частот [11-17].
В работе [18] проблема расширения диапазона излучения выделена как одна из важнейших для настоящего времени. Здесь также обозначена потребность в широкополосных, диапазонных и сверхширокополосных ФАР, обеспечивающих работу в диапазоне, составляющем несколько октав и более. Для обозначения отличия таких ФАР между собой приводятся определения каждой из них. Под широкополосными ФАР понимают решетки с мгновенной полосой пропускания, а под диапазонными - решетки с настройкой фазовых характеристик при изменении рабочей частоты. При этом в широкополосной системе основным источником искажений являются фазовые характеристики ВРС, а в широкодиапазонной - амплитудные. Данная диссертационная работа посвящена диапазонным ФАР, энергетическая эффективность и диапазон частот которой в значительной степени определяется системой распределения СВЧ-сигнала.
Объектом настоящей диссертационной работы является строчно-столбцовая волноводная распределительная система ФАР Х-диапазона, включающая в себя горизонтальные линейки и запитывающий их вертикальный Главный распределитель (ГР), которые в совокупности формируют заданное амплитудное распределение в апертуре бортовой ФАР и требуемое фазовое распределение для моноимпульсной пеленгации.
Предмет исследования - свойства ВРС и основные ее параметры, определяющие высокую энергетическую эффективность ФАР в широком диапазоне частот 40%.
Целью работы является разработка теоретических и инженерных основ увеличения рабочего диапазона частот ВРС до 40%fo и более в сочетании с обеспечением высокой энергетической эффективности в составе бортовой ФАР. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе определены следующие задачи исследования:
1. Исследование ВРС и входящей в нее элементной базы в широком диапазоне частот.
2. Разработка метода математического моделирования ВРС в широком диапазоне частот.
3. Создание усовершенствованной элементной базы для ВРС, работающей в широком диапазоне частот.
4. Исследование особенностей создания ВРС на основе традиционной и усовершенствованной элементной базы в широком диапазоне частот.
5. Создание ВРС для моноимпульсной ФАР, обеспечивающей снижение УБЛ диаграммы направленности по разностному каналу при сохранении характеристик суммарного канала в расширенном диапазоне частот.
6. Экспериментальное подтверждение проведенных в диссертации теоретических исследований.
Решение поставленных задач усложняется, когда требуется создать широкодиапазонную ВРС с высоким коэффициентом полезного действия (КПД) для малоразмерных ФАР с диаметром апертуры 10А,...12А, (ФАР «Скат-р для РЛПК «Оса»). Такая проблема связана с невозможностью порой в линейных распределителях с малым количеством ответвленных каналов (N=6... 10) реализовать направленные ответвители (НО) с большими связями (3дБ...5.5дБ), необходимые для достижения высокого КПД. К тому же такие НО обладают узким диапазоном частот. Что касается реализации широкодиапазонной ВРС с высоким КПД для ФАР с диаметром апертуры 30А, (ФАР «СуперСкат» для РЛСУ «Ирбис»), то в таких ФАР количество ответвленных каналов в линейных распределителях более 14, а уровень переходных затуханий НО в них составляет 6дБ...14дБ. В связи с этим исследования, проведенные в настоящей диссертационной работе, в основном посвящены решению наиболее сложной задачи - особенностям построения широкодиапазонной ВРС для малоразмерных ( 10А,...12Л.) ФАР бортовых РЛС с высокой энергетической эффективностью.
Энергетическая эффективность является важным параметром антенны, так как от него напрямую зависит дальность обнаружения локатором цели в частности за счет обеспечения в составе антенны максимального
коэффициента усиления (КУ) КУ=КЭ , где Кэ - коэффициент,
Я2
характеризующий энергетическую эффективность антенны; S — площадь апертуры; X - рабочая длина волны. Кэ в значительной степени определяется способом разведения СВЧ-сигнала в апертуре антенны и равен КЭ=КПД«КИП. Поэтому для решения проблемы обеспечения высокой энергетической эффективности ВРС в таком широком диапазоне ( 40%f0) в диссертационной работе определены основные критерии оценки этого понятия:
1. Получение высокого КПД.
КПД может снижаться за счет ухудшения КСВ и параметров элементной базы в широком диапазоне частот при работе на основном типе волны через прямое увеличение потерь, возникновение резонансных пиков .за счет характеристик и взаимодействия элементной базы в составе ВРС, а также приближения к запредельности волноводных сечений для волны Н10 либо возникновения высших типов волн, которые отбирают часть энергии у волны Ню.
Поэтому для получения высокого КПД и исключения параметров, снижающих его, в широком диапазоне частот необходимо, чтобы все элементы, входящие в состав ВРС, имели малые потери и малый КСВ. Такими элементами являются НО, тройники, мосты, уголки, трансформаторы и другие соединительные волноводные устройства, включая их совмещенные конструкции. 2. Получение высокого КИП (в составе ФАР).
Коэффициент использования поверхности (КИП) ФАР определяется формой амплитудного распределения (АР) линейных распределителей и линеек ВРС, являющихся основными функциональными узлами ВРС. Искажение АР происходит в первую очередь за счет изменения переходных затуханий НО в широком диапазоне частот, а также взаимодействия элементной базы в составе ВРС.
Поэтому в диссертационной работе исследуется с этой точки зрения такая элементная база, которая в широком диапазоне частот обеспечивает заданные амплитудные характеристики в составе ФАР. Таковыми, как уже было отмечено выше, являются ответвители, мосты и тройники, а также выполненные на их основе функциональные устройства в виде линейных распределителей или диаграмме образующего устройства.
Анализ литературы, касающийся проблемы создания диапазонных ВРС для бортовой ФАР, показывает, что в основном разработчики бортовых ФАР свои усилия направляют на реализацию предельно возможных характеристик в диапазоне частот 5-7%fo [19, 20]. Так как до недавнего времени диапазон, составляющий 10% от средней частоты fo было принято .считать широким [26]. Сегодня же антенны с рабочим диапазоном 10%f0 относят к узкодиапазонным, a 10...50%f0 к широкодиапазонным [22].
Анализ отечественной и зарубежной литературы с глубиной поиска несколько десятков лет показал, что систематического и глубокого исследования проблем диапазонности ФАР и входящих в нее систем, в том числе ВРС, более 10%fo практически не проводилось. В связи с этим в диссертационной работе само исследование ВРС и входящих в нее устройств в широком диапазоне частот ( 40%f0) является новым.
Такое разделение широкого диапазона частот связано еще и с тем, что каждый из указанных диапазонов обладает своими индивидуальными особенностями, которые определяют выбор способов проектирования и настройки ВРС для каждого из них. Например, в диапазоне Af(0) основной задачей является обеспечение настройки элементной базы в диапазоне Аґзл(н), превосходящем на (1...2)% Af 0); в диапазоне Af допускаются некоторые ухудшения электрических характеристик, но необходимо исключить резонансы на элементах конструкции для волны Нш; в диапазоне Af(2) ,как показали исследования, выполненные в работе [23], возбуждение высших типов волн в различных элементах ВРС практически разрушает функциональные характеристики этих элементов и ВРС в целом, поэтому единственным способом обеспечить работу ВРС в диапазоне является создание такой системы распределения, в которой бы отсутствовали условия возбуждения и существования высших типов волн. Однако, многообразие номенклатуры элементов, входящих в строчно-столбцовую ВРС, не позволяет исключить в широком диапазоне Af 2) возникновение высших типов волн во всех элементах сразу. Это обстоятельство исключает возможность работы ВРС в диапазонеДг 2) в моноимпульсном варианте.
Как уже отмечалось выше, решение проблем диапазонности и энергетической эффективности ФАР определяется ее базовыми устройствами и в первую очередь системой распределения СВЧ-сигнала. В качестве одного из способов решения этой задачи в литературе рассматривается применение полосковых распределителей [24-27], которые принципиально позволяют расширить диапазон частот до 20%f0, однако, на их основе не удается создавать ФАР с высокой энергетической эффективностью из-за наличия в них больших потерь. Поэтому среди различных типов систем распределения СВЧ-сигнала [28-32] при создании широкодиапазонной ФАР с высокой энергетической эффективностью несомненным преимуществом обладают волноводные распределительные системы [23, 33-37]. В связи с этим в диссертационной работе исследуется волноводная распределительная система в широком диапазоне частот, который значительно превышает диапазон частот исследований, проведенных ранее - Af 0) [19, 33-34].
Известно, что способ разведения СВЧ-сигнала по излучающим элементам бортовой ФАР также во многом определяет электрические характеристики и облик антенны в целом [38] .Уже в 60-е, 70-е годы появились работы с результатами практической реализации конкретных схем ВРС [33, 35, 36, 39-41]. При систематических исследованиях по совершенствованию известных и созданию новых схем ВРС для современных ФАР, в ОАО «НИИП», когда комплекс требований охватывает как высокие электрические характеристики так и сложные конструкторско-технические и компоновочные проблемы, предпочтение традиционно отдается строчно-столбцовым ВРС [33, 38, 42, 43], так как они обладают наибольшей компактностью, малой массой, высокотехнологичны и удобны для герметизации узлов, работающих в условиях высокого уровня мощности (ВУМ). Одновременно такие ВРС могут формировать в апертуре ФАР амплитудное распределение любой заданной формы при высоком КПД. В то же время рабочий диапазон, а также способы построения строчно-столбцовых ВРС для широкого диапазона частот изучены недостаточно, хотя известно, что именно эти ВРС по принципу их построения наиболее чувствительны к изменению частоты. В частности, их широкодиапазонность ограничена нестабильностью амплитудных характеристик в диапазоне частот. Учитывая, отмеченные выше достоинства строчно-столбцовых распределителей, многолетний опыт их проектирования, изготовления и эксплуатации в составе ФАР, в диссертационной работе основное внимание уделяется диапазонности именно этой схеме, широко используемой в практике [19, 35, 37, 43, 44] и имеющей большой технический задел в серийном производстве. Важность и в тоже время сложность этих исследований обусловлены тем, что создание реальных ВРС для широкодиапазонных ФАР с высокой энергетической эффективностью является на сегодня не просто актуальной, но и, как отмечалось выше, в значительной степени новой задачей, поскольку имеющиеся в литературе сведения и опыт проектирования ВРС, накопленный в ОАО «НИИП» и других предприятиях [19, 23, 33, 35, 36, 37] касались в основном лишь ограниченного диапазона частот (5-7)%f0 , а самые большие достижения в этом плане вплоть до 2000 года не превзошли барьера Af0(10%f0)[19].
ВРС строчно-столбцового типа состоят из горизонтально и вертикально ориентированных линейных распределителей, выполненных на основе последовательно соединенных направленных ответвителей с различными переходными затуханиями и нескольких модификаций соединительных и вспомогательных элементов (уголков, трансформаторов, скруток...). Для формирования фазовых распределений, свойственных суммарно-разностным диаграммам направленности, в состав ВРС входит СВЧ-сумматор, состоящий из четырех балансных восьмиполюсников (тройников или мостов).
Так как ВРС охватывает большой перечень волноводных узлов, для решения проблемы диапазонности необходимо иметь набор элементной базы, особенно базовых элементов, которые сохраняют свои характеристики излучения в широком диапазоне частот (Ді ). На сегодня, как показал анализ литературы [45-48] рабочий диапазон вышеперечисленных входящих в ВРС элементов составляет Af 0) (10%f0). Попытка расширения диапазона частот, например, НО - базового элемента линейных распределителей, до 23%f0 [45] сопровождалась увеличением их габаритов и снижением связи до ЗОдБ. Такие ответвители не могут быть использованы в бортовых ФАР из-за громоздкости, а также из-за малых связей, что не дает возможность достичь высокого КПД волноводной распределительной системы и, следовательно, высокой энергетической эффективности.
Попытка эффективно улучшить диапазонные свойства НО за счет использования щелей сложной формы (гантельных, крестообразных...) и заполнения щелей диэлектриком в зоне малых переходных затуханий положительных результатов также не дали [33-34]. Анализ других известных способов стабилизации характеристик НО в диапазоне частот, позволил также оценить их как недостаточные, а в ряде случаев и неприемлемые для ФАР из-за увеличения габаритов и массы ВРС и сужения рабочего диапазона частот.
Аналогичное положение имеет место и в других базовых элементах, например, таких как тройники, мосты — базовых элементов СВЧ-сумматора и др.[49-51]. Задача об их исследовании и усовершенствовании в направлении увеличения диапазонности является также новой.
Особое место при исследовании ВРС и входящих в нее элементов в широком диапазоне частот занимает математическое моделирование. Поскольку только правильно выбранная математическая модель позволит достоверно оценить электрические характеристики большого числа входящих в ВРС элементов, а также их взаимодействия в составе ее функциональных узлов особенно в широком диапазоне частот. Известный в литературе [39, 52, 53] и используемый ранее в ОАО «НИИП» энергетический метод порой даже в узком диапазоне частот ( 10%f0) не позволяет получать достоверные расчетные результаты. Это связано с тем, что энергетический алгоритм не учитывает взаимодействия элементов по отраженным волнам и направленности (т.е предполагаются следующие ограничения: КСВ=1, N- оо), которые в диапазоне частот 10%fo приобретают все более выраженную зависимость. Применение же других математических алгоритмов для моделирования ВРС известно только в узком диапазоне частот [54, 55]. В связи с этим в диссертационной работе проводится исследование абсолютно новой и одной из важной задачи выбора метода математического моделирования ВРС и входящих в нее элементов в широком диапазоне частот.
Еще одной из важнейших проблем, возникающих при создании ВРС для широкодиапазонных бортовых ФАР с высокой энергетической эффективностью является оптимизация характеристик излучения моноимпульсных ФАР, заключающаяся в обеспечении оптимальных характеристик по суммарному каналу и снижение УБЛ ДН по разностному каналу в расширенном диапазоне частот [56-64]. Актуальность этой проблемы обусловлена повышением требований к помехозащищенности и необходимостью уменьшения влияния отражений от земли.
Учитывая, что сегодня основные принципы построения ФАР в каждом разрабатывающем предприятии, в том числе и в ОАО «НИИП», уже сформировались и существует большой задел изготовленных антенных решеток, в этих условиях оптимизация суммарно-разностных характеристик излучения не должна была привести к полному изменению конструкции ФАР. Поиск именно таких способов оптимизации, для созданных ранее строчно-столбцовых схем, проводился в ОАО «НИИП» с конца 80- годов. А в 90-е годы был проведен анализ проблем создания строчно-столбцовых ВРС с оптимизированными характеристиками излучения [65], в процессе которого был отмечен ряд задач, новых, ранее не исследованных, связанных с расширением рабочего диапазона частот таких систем. Эти новые задачи являются предметом исследования настоящей диссертационной работы. Интерес к аналогичным работам был неизменно высоким как у нас в стране, так и за рубежом. Еще в 70е годы прошлого столетия появились работы [66], в которых формулировались теоретические предложения по оптимизации линейных распределителей, а таюке рассматривались схемы (матрицы Бласса), на основе которых решались проблемы оптимизации [67]. Но, несмотря на актуальность и практическую востребованность этих предложений, до реализации их в конкретных разработках дело не дошло. Основной причиной, приведшей к этому, стало отсутствие конкретных технологий проектирования реальных систем.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что определены основные принципы создания широкодиапазонной ВРС для ФАР Х-диапазона с высокой энергетической эффективностью, которые могут быть применены при проектировании аналогичных систем распределения различного назначения, а также разработан метод математического моделирования широкодиапазонных ВРС.
Практическая значимость подтверждена внедрением полученных результатов в разработки ОАО «НИИП»: ФАР «СуперСкат» для РЛСУ «Ирбис» истребителя СУ-35 и ФАР «Скат-д.» для РЛПК «Оса» легких фронтовых истребителей класса МИГ-21, МИГ-29 УБТ, ЯК-130.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. В диссертации приведен подробный список литературы по исследуемой теме.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дается краткое содержание глав работы. Кроме того, во вводной части диссертации сформулированы основные качества волноводной распределительной системы с большими связями НО, определяющие высокую энергетическую эффективность и широкую диапазонность ФАР. Указаны параметры ВРС, ответственные за энергетическую эффективность в составе ФАР: амплитудное распределение, характеризующее КИП антенны, и КПДВРС, определяющий совместно с КИП коэффициент усиления. Определена основная особенность ВРС, проявляющаяся при ее работе в широком диапазоне частот и заключающаяся в появлении в этом диапазоне резонансных пиков.
В первой главе теоретически исследованы особенности расчета (синтеза и анализа) ВРС в широком диапазоне частот для ФАР с высокой энергетической эффективностью. Проведен анализ различных методов математического моделирования ВРС. Приведены алгоритмы расчета функцианальных узлов ВРС (линейного распределителя и СВЧ-сумматора) для каждого из методов, а также определены критерии их использования в расширенном диапазоне частот. В процессе исследования разработан метод математического моделирования ВРС в широком диапазоне частот при сохранении высокой энергетической эффективности ФАР. Материалы, вошедшие в главу опубликованы в работах [68, 69 ].
Во второй главе проведено детальное исследование входящих в ВРС базовых элементов в широком диапазоне частот: НО, составляющих основу линейных распределителей, и балансных восьмиполюсников, составляющих основу СВЧ-сумматоров, - предложен способ смещения резонансных пиков этих устройств за пределы расширенного диапазона частот. В НО определены пути стабилизации переходного затухания (минимизация частотного декремента затухания) в расширенном диапазоне частот; рекомендованы методы уменьшения переходного затухания без существенного увеличения частотного декремента затухания и сформулирован порядок проектирования широкодиапазонных многощелевых НО с большими связями. В балансных восьмиполюсниках для СВЧ-сумматора обосновано преимущественное использование двойных тройников и предложены способы их оптимального построения в широком диапазоне частот. В данной главе также исследована в широком диапазоне частот вспомогательная элементная база: простейшие соединительные волноводные элементы (уголки, изгибы, трансформаторы и т.д.) и сложные вспомогательные резонансные волноводные узлы (гермопереходы, ступенчатые скрутки и т.д.). Материалы, вошедшие в главу опубликованы в работах [70-72].
Третья глава посвящена исследованию широкодиапазонных ВРС для ФАР с высокой энергетической эффективностью. Проведена комплексная оценка всех факторов, определяющих эти качества ВРС. Сформулированы и исследованы основные признаки, определяющие работоспособность ВРС в широком диапазоне частот. Показаны главные признаки, ограничивающие широкодиапазонность ВРС при высоком КПД - резонансные явления 3-х типов. Сформулированы предложения по борьбе с резонансными пиками всех видов. Исследованы особенности синтеза широкодиапазонной ВРС, обусловленные количеством входящих в нее НО и формой реализуемого амплитудного распределения. Предложен метод самокомпенсации изменения АР в широком диапазоне частот за счет правильной расстановки традиционных (узкодиапазонных) и усовершенствованных (широкодиапазонных) НО в линейном распределителе. На основе проведенного комплекса исследований сформулированы основные принципы построения линейных распределителей в рабочем диапазоне частот, вдвое превышающем современные аналоги, а также даны рекомендации по их реализации. На базе предложенных рекомендаций разработан широкодиапазонный шестиканальный линейный распределитель с большими связями. Материалы, вошедшие в раздел опубликованы в работах [73, 86].
В четвертой главе проведено исследование путей создания ВРС для моноимпульсной ФАР, обеспечивающей снижение УБЛ диаграммы направленности по разностному каналу при сохранении характеристик суммарного канала в расширенном диапазоне частот. Исследованы особенности такой оптимизации ВРС по разностным каналам (А) для малоразмерных ФАР, основной из которых является дефицит энергии, обусловленный высоким КПД и большими связями НО в первом линейном распределителе. Предложен способ реализации малоразмерных ВРС с высоким КПД за счет использования второго укороченного линейного распределителя, что является возможным из-за слабого влияния заднего спадающего фронта АРд на УБЛ ДНд. При исследовании возможностей сохранения признаков оптимизации ВРС в широком диапазоне частот для моноимпульсной ФАР рассмотрены основные источники искажений амплитудных и фазовых характеристик ВРС. Проведено исследование влияния базовых элементов этого устройства (фазирующих секций и НО) на его параметры. В результате исследования предложен способ обеспечения работоспособности ВРС в широком диапазоне частот ( 40%f0), который позволяет при высоком КУ уменьшить боковое излучение антенны по каналу (А) в среднем на 10дБ...15дБ. Материалы, вошедшие в раздел опубликованы в работах [74].
В пятой главе на реальных образцах широкодиапазонных ВРС для ФАР «Скат-ц» (РЛПК «Оса») и «СуперСкат» (РЛСУ «Ирбис») с высокой энергетической эффективностью проведено экспериментальное исследование предложенных в главе 1 методов математического моделирования ВРС в широком диапазоне частот, а также экспериментальное исследование реализуемости предложенных в главах 2 и 3 способов стабилизации параметров НО и ВРС в широком диапазоне частот. Экспериментальное исследование полностью подтвердило, полученные с помощью теоретического анализа, результаты. Материалы, вошедшие в главу, опубликованы в работах [75, 76].
В заключении в развернутом виде сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы. На защиту выносятся:
1. Метод математического моделирования, позволяющий анализировать широкодиапазонную ВРС с высоким КПД.
2. Усовершенствованная элементная база, созданная для ВРС с высоким КПД и работающая в расширенном диапазоне частот.
3. Широкодиапазонная ВРС для ФАР с высокой энергетической эффективностью.
4. Широкодиапазонная ВРС для моноимпульсной ФАР, обеспечивающая снижение УБЛ диаграммы направленности по разностному каналу при сохранении характеристик суммарного канала в расширенном диапазоне частот.
5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований широкодиапазонной системы распределения СВЧ-сигнала для ФАР с высокой энергетической эффективностью.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на конференциях:
1. 17-я научно-техническая конференция ГП НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова, Жуковский, 2002г. (С участием научно-исследовательских институтов и ведущих предприятий оборонно-промышленного комплекса РФ).
2. 18-я научно-техническая конференция. ОАО «НИИП», Жуковский, 16-18 февраля 2005г. (С участием научно-исследовательских институтов и ведущих предприятий оборонно-промышленного комплекса РФ).
3. 3-я научно-техническая конференция «Радиооптические технологии в приборостроении. РТП-2005» Сочи, 12-16 сентября 2005г. (С участием стран СНГ).
4. 12-я Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь. RLNC-2006», Воронеж, 18-20 апреля 2006г. 5. 4-я научно-техническая конференция «Радиооптические технологии в приборостроении. РТП-2006» Туапсе 11-15 сентября 2006г. (С участием стран СНГ).
6. 19-я научно-техническая конференция. ОАО «НИИП», Жуковский, 21-22 ноября 2007г. (С участием научно-исследовательских институтов и ведущих предприятий оборонно-промышленного комплекса РФ).
7. Юбилейная научно-техническая конференция «Морские комплексы и системы», ОАО «МНИИРЭ «АЛЬТАИР» 15-16 октября 2008г. (С участием научно-исследовательских институтов и ведущих предприятий оборонно-промышленного комплекса РФ).
Основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы при написании 2 отчетов о НИР, отражены в 8 научных статьях (из них 3 - по перечню, рекомендованных ВАК), изложены в 7 докладах на 7 научно-технических конференциях, защищены 3 патентами на изобретения, опубликована 1 заявка на изобретение.
Анализ известных методов математического моделирования ВРС и особенностей их использования в широком диапазоне частот
Математическая модель 1 (энергетический метод) основана на энергетическом алгоритме, не учитывающем взаимодействие элементов по отраженным волнам, направленности и развязкам (т.е. предполагается следующее ограничение: КСВ=1; N—»оо; R—»оо).
Наиболее широко энергетический метод используется при расчете линейных распределителей и СВЧ-сумматоров. Линейные распределители. Расчет линейного распределителя и его базового устройства - НО предусматривает: 1. Решение задачи синтеза (определение переходных затуханий НО Ln;) по заданным амплитудным распределениям на выходах линейного распределителя ГР и линеек ВРС. 2. Анализ амплитудного распределения на выходах линейного распределителя ГР и линеек ВРС по реализуемым в широком диапазоне частот переходным затуханиям НО (Lnij(f)).
Приведенные алгебраические формулы могут с успехом применяться для предварительного анализа амплитудных характеристик в диапазоне частот «±5%fo и технологических допусков, при которых выполняется условие: КСВ не превышает 1.2, направленность - не хуже 20дБ.
В диапазоне более ±5%f0 переходное затухание НО приобретает выраженную частотную зависимость при одновременном увеличении КСВ, которые нет возможности учитывать в энергетическом алгоритме, и это не позволяет получить достоверные расчетные результаты даже в ограниченном диапазоне частот.
Математическая модель 2 создана для линейных распределителей, но с успехом может быть распространена и на другие устройства. Она позволяет преодолеть недостатки энергетической модели 1 и основана на использовании одномодовых матриц НО с последующим их каскадным соединением матричным методом.
Основная сущность расчета по модели 2 аналогична модели 1 и заключается в решении сначала задачи синтеза, а затем задачи анализа линейного распределителя исходя из матриц рассеяния входящих в него НО. Общая последовательность расчета состоит в следующем: 1. По энергетической модели 1 на средней частоте проводится синтез линейных распределителей (определение переходных затуханий (Lni)) НО по заданному АР на выходах линейного распределителя по формулам (1.1, 1.2). Из таблицы видно, что количество концов, подлежащих соединению в каждом цикле счета, в этом случае равно 2, и операция расчета (F-Spp)" производится с матрицами второго порядка.
В результате, модель 2 позволяет анализировать общие закономерности влияния КСВ и N входящих элементов на амплитудные характеристики в диапазоне частот ±(5... 10)%fo (Afo), но при ограниченной точности оценки абсолютных значений этих характеристик. Основным слабым местом этого метода является одномодовый метод расчета элементной базы, когда во всех волноводных каналах распространяется только основной тип волны (Ню), а также допускается независимость щелей и отсутствие реактивных полей в области связи многощелевых НО, кроме того, алгоритм не учитывает реальных потерь.
Недостаток низкой точности расчета НО удается исправить в узком диапазоне частот ( 5%fo) за счет введения поправочных коэффициентов, которые определяются в результате экспериментального исследования. Однако, эти коэффициенты меняются при изменении частоты в больших пределах, что практически исключает возможность использования модели 2 при математическом моделировании в широком диапазоне частот ( 40%fo).
Как и в модели 1 задача матричного анализа может выполняться с учетом шаговых потерь в ВРС, если коэффициент потерь вводить в программу математического моделирования. Такая возможность предусмотрена в программе «ВРС+», разработанной в ОАО «НИИП» [78].
Исследование способов совершенствования НО
Проблема создания широкодиапазонных НО является наиболее сложной и, в тоже время, наиболее важной для линейных и строчно-столбцовых распределителей, поскольку их электрические характеристики определяют как стабильность амплитудного распределения и, следовательно, КИП, так и величину КПД ВРС, а, следовательно, и энергетическую эффективность в широком диапазоне частот в составе ФАР.
Известно, что при создании ВРС с высоким КПД для ФАР бортовых РЛС, имеющих относительно небольшие размеры, или линейных распределителей с малым количеством НО, приходится использовать многощелевые ответвители с большими связями через общую широкую стенку (рис.2.1) [33, 42]. Такие НО обладают малыми размерами, высокой технологичностью и хорошей компануемостью в составе ФАР, обеспечивают самые минимальные значения переходных затуханий (Lnj) вплоть до ЗдБ...0дБ, необходимые для реализации высокого КПД в малоразмерных ВРС для ФАР с диаметром 12Л.. .ЗОА,. Учитывая, что создание малоэлементных линейных распределителей для широкого диапазона частот является наиболее сложной задачей, все дальнейшие исследования будут проводиться применительно к таким устройствам с большими связями.
Обычно большие связи, особенно при использовании волноводов стандартного сечения, реализуются с помощью многощелевых НО вблизи резонанса щелей, возникающего достаточно близко к рабочему диапазону волн при длинах щелей 1 0.4Х Основные характеристики такого ответвителя (переходное затухание Ln(f), частотный декремент затухания —— , KCB(f), направленность N(f) и fpe3) показаны на рис.2.2. Из рисунка видно, что близость резонанса fpe3 к рабочему диапазону приводит к сильному изменению всех характеристик НО (Ln(f), — , KCB(f), N(f)), которое приводит в широком диапазоне частот к сильному искажению амплитудного распределения ВРС и соответственно изменению КПД (рис. 2.3).
Исследование положения {р является особенно важным, так как позволяет определить граничную частоту, дальше которой анализ характеристик элементов ВРС по математической модели оказывается менее достоверным.
При этом должны выполняться приемлемые требования к направленности и КСВ, например (Ы 10дБ...15дБ и КСВ 1.5). Одним из наиболее эффективных способов решения такой задачи является несимметричное расширение частотного диапазона в сторону высоких частот (низкочастотная граница диапазона ограничена запредельностью волноводных каналов). Задача решается путем максимального смещения fpra относительно f0 (середины диапазона Лі 01). Обычно такое смещение сопровождается уменьшением частотного декремента затухания на основной части рабочего диапазона Af 1 и, что самое главное, исключением из этой части резонансных пиков, способных исказить характеристики ВРС [71].
Основными конструктивными параметрами многощелевых НО, определяющими их электрические характеристики, являются: - сечения и взаимная ориентация волноводных каналов (a bi — магистрального, а2хЪ2 — ответвленного, р); - размеры щелей связи (форма, длина 1, ширина d, наклон к осям волноводов а, толщина стенки в области связи t) и - топология области связи (количество щелей N и их координаты хп, у„). Основными электрическими характеристиками одиночной щели можно назвать амплитуды (Ап) и фазы (фп) полей, формируемых ею в прямом (+) направлении (в канал переходного затухания Ln, где A jS I, ф+=фы) и в обратном (-) (в канал направленности N, где A"=j5,13j, ф =фіз): А+ и ф+; А" и ф" в одномодовом варианте рассмотрены в главе 1, (см. формула (1.8)). Знание этих характеристик необходимо, чтобы синтезировать НО, обеспечивающий выполнение перечисленных выше задач: определить координаты и размеры щелей, формирующих стабильные характеристики ВРС в широком диапазоне частот при высоком КПД.
Другим примером использования амплитудно-фазовых характеристик одиночных щелей является решение на их основе задачи частичной стабилизации переходного затухания НО в диапазоне частот. Обоснование такой возможности следует из того факта, что, если средняя частота fo диапазона Af(0) совпадает с f c), а ф+ на частотах, близких к f c) меняется мало, характеристики НО оказываются более стабильными вне зависимости от того, каким путем достигнуто совпадение і с) и f 0).
Например, эта задача решается за счет уменьшения длины щелей (рис.2.6) (сравнить с рис.2.4) или подбора оптимальных длин 1 для различных координат по критерию выравнивания амплитуд на одной из частот диапазона (рис.2.7). Эффективность такого метода очень велика, поскольку позволяет перемещать точку f c) практически в любую точку диапазона При этом реализуется эффект стабилизации переходного затухания НО, если он выполнен из щелей, имеющих в точке f c) одинаковые амплитуды. На рис.2.8 приведены графики переходных затуханий двух НО, один из которых (1) состоит из щелей с различными размерами (1=0.28А,...0.3А,) с одинаковыми на 1 =+11%... 16.5%f0 амплитудами, а другой (2) - из щелей одинаковой длины (1=0.3А,).
Исследование способов увеличения диапазонности ВРС
Предварительные результаты математического моделирования в диапазоне Ді показали, что упомянутые интерференционные лепестки [23] могут быть устранены путем изменения конструкции ВРС: замены двухрядных линеек ВРС (рис.3.1а) на однорядные (рис.3.1 в) и однорядных распределителей ГР (рис.3.16) на двухрядные (рис.3 Л г). Влияние такого изменения конструкции непосредственно на параметры ВРС в широком диапазоне частот будет исследовано ниже. Прежде, чем приступить к детальному исследованию ВРС в широком диапазоне частот для ФАР с высокой энергетической эффективностью определим основные электрические параметры, которые достаточно полно ее характеризуют с учетом того факта, что, как уже упоминалось во введении, фазовое распределение в апертуре ФАР устанавливается системой фазирования на любой из частот сколь угодно широкого диапазона.
В диапазоне Дг 0) исследование обычно выполняется в составе следующих базовых функциональных устройств (распределителей PI - Р4, линеек ВРС (JIj) и СВЧ-сумматора), распространяя полученные результаты на ВРС в целом.
Для оценки ВРС в более широком диапазоне частот эти параметры могут быть приняты за основу, но дополнительно следует: - ввести требования на отсутствие резонансных пиков на графиках зависимости электрических характеристик ВРС от частоты (или требование вывода частоты fpe3, на которой существует резонанс, за пределы рабочего диапазона); - допустить некоторое ослабление требований к КПД и АР линейных распределителей (линеек ВРС и ГР) при условии обеспечения минимального снижения КИП в составе ФАР и минимального отличия четвертей апертуры между собой. Последнее необходимо с точки зрения формирования приемлемых разностных ДН. А это возможно лишь при условии выполнения жестких требований к технологическим допускам ВРС.
Допустимая совокупность изменений по всем перечисленным параметрам должна контролироваться на основе математического моделирования, исходя из реализуемости требуемых характеристик излучения ФАР. Проведем анализ параметров, перечисленных выше, в широком диапазоне частот.
Основными признаками, характеризующими работоспособность ВРС в широком диапазоне частот (при условии фазирования антенной решетки на каждой рабочей частоте этого диапазона) являются: 1. Отсутствие резонансных пиков. 2. Минимальное изменение АР и КПД в диапазоне частот. Математический анализ диапазонных свойств ВРС по этим признакам может, как и в варианте Аг , выполняться в составе СВЧ-сумматора и отдельных линейных распределителей (Р1 - Р4 и JTj), которые практически полностью отражают ожидаемые характеристики ВРС в целом. Как показали исследования, проведенные в главе 2, требования к параметрам СВЧ-сумматора в широком диапазоне частот ( 40%fo) полностью выполняются, если в качестве его базового устройства использовать оптимально настроенные балансные тройники (рис.2.18 глава 2).
Таким образом, резонансы 2-го и 3-го типа в совокупности делают двухрядные линейки ВРС существенно более диапазонными, чем однорядные распределители ГР. Исследование, выполненное на основе математического моделирования, показало, что исправить положение в традиционной схеме простыми способами не удается. Из рис.3.2(a) видно, что изменение, например, сечений волноводных каналов для этой цели малоэффективно. Более радикальным оказалось упомянутое выше предложение, направленное на снижение боковых лепестков по разностным каналам. Переход на двухрядные распределители ГР позволяет вдвое уменьшить шаг НО и тем самым исключить из рабочего диапазона ГР одну из резонансных частот (/Д), а другую сместить на край диапазона с последующим выведением ее из диапазона путем, например, незначительного уменьшения шага НО. При этом, однако, несколько ухудшается положение дел с резонансом /Д, в линейках ВРС из-за увеличения шага НО почти вдвое (рис.3.2 (в)). В этом случае /Д, вползает в рабочий диапазон, хотя еще и не достигает опасной зоны больших КСВ (рис.3.2 г).
Особенности оптимизации ВРС для малоразмерных бортовых ФАР
Вопрос оптимизации ВРС для малоразмерных ФАР, аналогично как и диапазонные свойства ОВРС, в указанных выше работах и в другой отечественной и зарубежной литературе исследован недостаточно, а по ряду проблем практически не исследован. Для решения этих задач в первую очередь потребовался специальный аппарат исследования и проектирования ОВРС.
Несмотря на такую успешную оптимизацию малоэлементного ГР (і=6) на fo, в процессе его разработки выявились особенности, которые не были известны. Эти особенности в первую очередь связаны с малым числом ответвленных каналов в линейных распределителях Pf=t А и P . В рассматриваемом варианте количество НО равно шести, что вдвое отличается от известных ранее Главных распределителей, имеющих i 12... 15. При і=6 сама возможность оптимизации на первый взгляд выглядела неочевидной. Дело в том, что уменьшение числа НО (і) сопровождается при высоком КПД увеличением их связей (снижением Lni). На рисунке 4.5 показаны необходимые для формирования заданных АРт и АРуМ (рис.4.3) переходные затухания НО первого (/ ) и второго (i) линейных распределителей при различных КПД первого. Пунктиром отмечено минимальное реализуемое на fo значение Ln [дБ] НО, используемых в ОГР. Из рисунка видно, что при КПД 0.95 линейные распределители Р и Р1 не могут быть сформированы полностью из-за невозможности обеспечить необходимые связи в последних НО (Ьп 3.5дБ). При КПД=0.94...0.9 первый линейный распределитель формируется полностью, а во второй СВЧ-сигнал практически не достигает шестого канала. В результате ОГР с числом НО в обоих линейных распределителях i=6 удается реализовать только при КПД суммарного канала не более 0.9, а при других формах АР и того ниже.
Однако, проведенное исследование показало, что КПД Р" ОГР может быть увеличено, если исключить из второго линейного распределителя несколько последних каналов. Дело в том, что невозможность точного синтеза второй половины линейного распределителя PJ относительно мало влияет на снижение УБЛ разностной ДН. Для практических же целей оказалось удобным удалить нереализуемые последние каналы из второго линейного распределителя. На рис.4.6 приведены формируемые при этом амплитудные распределения APJT и АР . Поскольку второй линейный распределитель не влияет на первый [64], то АР"" для всех реализаций второго линейного распределителя остается неизменным, а АР относительно плавно снижается на участке изъятых каналов. При этом в центре ОГР форма АР полностью совпадает с эталонной, что в составе ФАР позволяет с успехом уменьшать УБЛ ДН по каналу ДУМ при высоком КУ по каналу на средней частоте диапазона f0.
Для выявления основных причин разрушения оптимизации Главного распределителя ФАР «Скат-д.» в диапазоне частот проведено исследование влияния базовых элементов этого устройства (фазирующих секций (АФ но(/)) и НО (Ln(f)) на его параметры. Обычно, в качестве фазирующих секций в ОВРС, работающих в диапазоне частот 5%fo , используются отрезки волноводов различной длины, фазы которых в такой небольшой полосе меняются несущественно. Поэтому именно волноводные секции были применены в ОГР ФАР «Скат-д», исследуемом в настоящей диссертационной работе, рабочий диапазон которого первоначально не превышал 4.5%fo . Из рис.4.8 видно, что основные признаки оптимизации АРдумпт и Ф в распределителе с реальными волноводными фазирующими секциями и направленными ответвителями (приведенными на рис.4.7) сохраняются лишь в диапазоне частот ±10%f0 (Af=20%f0). На частоте же f=fo+22%fo оптимизация характеристик по каналу АУМ практически полностью разрушается, так как максимум АРдум0ПТ оказывается на первом канале, а величина Ф возрастает до 80. При этом оптимальные APS и КПДЕ также сильно искажаются. Для обеспечения работоспособности ФАР «Скат-д» в расширенном (до (40-50)%f0 ) диапазоне частот, было проведено исследование волноводных секций в этом диапазоне. Исследование показало, что при отстройке частоты на 20%fo электрическая длина волноводной секции 1=А,В может меняться до 180 и больше, что даже при абсолютно стабильных НО (см.рис.4.9) приводит к сильному искажению амплитудно-фазовых характеристик ГР.
