Диаграммообразующая схема моноимпульсной частотно-сканирующей антенной решетки

Введение

В связи с ростом требований, предъявляемых к современным наземным радиолокационным системам (РЛС) обнаружения в части точно­сти измерения высоты, исключается возмож­ность применения в их составе ранее разра­ботанных и серийно освоенных волноводно­щелевых антенных решеток (АР) с частотным управлением положения луча в вертикальной плоскости [1, 2]. Причина состоит в том, что одноканальное построение таких антенн, обе­спечивающее при частотном сканировании формирование многолучевой диаграммы на­правленности (ДН) в вертикальной плоско­сти, позволяет измерять высоту методом ин­терполяции углов места при одновременном сравнении амплитуд эхо-сигналов, принятых независимыми каналами смежных лучей. Из­вестный недостаток данного метода в РЛС с частотным сканированием - ограничение воз­можности увеличения точности измерения высоты из-за декорреляции сравниваемых эхо-сигналов в смежных лучах, формируемых на разнесенных частотах. Наряду с этим уро­вень боковых лепестков ДН в плоскости ча­стотного сканирования (порядка 20 дБ), обе­спечиваемый неразвязанной распределитель­ной системой, на практике не соответствует требованиям по защите от пассивных помех.

Устранить недочеты, сохранив при этом все основные достоинства предыдущих на­работанных технических решений для одно­канальных антенн в части волноводно-ще­левых линейных излучателей и технологии производства волноводных замедляющих си­стем, можно за счет кардинальной переработки структуры вертикального делителя мощности, позволяющей реализовать в нем суммарно-раз­ностную диаграммообразующую схему (ДОС) и соответственно моноимпульсный метод из­мерения высоты в пределах каждого луча на фиксированной частоте эхо-сигнала [3, 4].

Вариант построения ДОС

На основе анализа требований к характери­стикам разрабатываемой АР, имеющихся на­работок по техническим, конструктивным и технологическим решениям, а также известных вариантов построения ДОС (последова­тельного [1, 3] или параллельного [3]) к ре­ализации в ^-диапазоне частот предложена усовершенствованная последовательная сум­марно-разностная ДОС (рис. 1).

Предлагаемая ДОС представляет собой 54-канальную волноводную распределитель­ную систему, спроектированную так, чтобы обеспечить при работе в составе антенны:

1. формирование в раскрыве АР фазо­вого распределения (ФР), необходимого для управления положением луча ДН рабочем сек­торе 45° в вертикальной плоскости методом частотного сканирования;
2. возможность синфазной и противо­фазной запитки половин раскрыва АР (по 27 элементов каждая) для формирования в вер­тикальной плоскости требуемых суммарной и разностной ДН;
3. формирование в вертикальной плоско­сти оптимизированного амплитудного распре­деления Тейлора при заданном максимальном уровне боковых лепестков, теоретически обе­спечивающего по сравнению с другими требу­емую ширину ДН при наименьшем вертикаль­ном размере раскрыва;
4. минимизацию искажений амплитудно­фазового распределения (АФР) в рабочем диа­пазоне частот в излучающем раскрыве АР;
5. минимизацию потерь мощности в схе­ме деления;
6. необходимый уровень развязки между суммарным и разностным каналами;
7. необходимый уровень согласования между составными элементами схемы.

Структурно суммарно-разностная ДОС состоит из двух 27-канальных волноводных делителей мощности (ДМ-27-1 и ДМ-27-2). Каждый из них построен на базе 26 направ­ленных ответвителей (НО), включенных с регулярным интервалом между изогнутыми волноводными участками специальной кон­фигурации (петлями). Петли соединены последовательно и образуют свернутую в Е- плоскости линию задержки, формирующую необходимый фазовый фронт (рис. 2, б, тон­кие линии,) на входах излучателей антенны. Переходные ослабления НО (рис. 3, S₁₃, дБ, сплошные линии) рассчитаны таким образом, чтобы обеспечить формирование требуемого амплитудного распределения на выходах ДОС (рис. 2, а, сплошная линия). К баланс­ным плечам НО подключены волноводные поглощающие нагрузки (ВПН). Перед вто­рым делителем мощности (ДМ-27-2) вклю­чена волноводная линия задержки (ЛЗ), соз­дающая дополнительный фазовый набег на выходах с 28 по 54 для обеспечения равно­мерного нарастания фазового фронта на вы­ходах ДОС с 1 по 54. Волноводное мосто­вое устройство (ВМУ) запитывает с выходов фазовращателя (ФВ) делители ДМ-27-1 и ДМ-27-2 синфазно при подаче сигнала на сум­марный вход (Σ) или в противофазе при подаче сигнала на разностный вход (Δ). В составе ДОС также имеются двухканальные волноводные фазовращатели (ФВ, ФВ26, ФВ52) и секции ам­плитудной и фазовой регулировки (САР и СФР).

Расчет параметров конструкции и электрических характеристик ДОС

Расчет основных параметров замедляющей волноводной системы (линии задержки) произ­водился исходя из требуемых ширины луча ДН в вертикальной плоскости, рабочего диапазона частот и сектора сканирования в соответствии с известным уравнением, связывающим угло­вое положение луча и частоту [3]:

где θ = -19,1°.. .+26,1° - угловое положение луча ДН в вертикальной плоскости, соответ­ствующее изменению частоты f в интервале от f_н до f_в S-диапазона, при относительной ширине полосы около 4,4 %;

S = 719,5 мм - длина волноводной петли линии задержки между двумя соседними НО;

a = 64,7 мм - размер широкой стенки вол­новода линии задержки;

d = 70 мм - интервал между выходами НО (шаг между излучателями антенны);

n = 4,5 - количество длин волн на частоте нормали f_норм, образующих длину S витка за­медляющей системы.

Применение направленных ответвителей при построении ДОС обусловлено необходимо­стью минимизации искажений АФР, возникаю­щих из-за конечного согласования излучателей АР и изгибов волновода линии задержки. Окна связи НО также имеют конечный уровень согла­сования, что может привести к так называемому «эффекту нормали» (синфазному сложению ам­плитуд, отраженных от неоднородностей волн, на входах системы деления вблизи рабочей ча­стоты луча, расположенного по нормали к раскрыву АР). Для компенсации переотражений окна связи четных направленных ответвителей смещены на четверть длины волны на частоте нормали f_норм к входам излучателей АР. Набор недостающей фазовой длины происходит на прямолинейных волноводных участках вторич­ных линий нечетных НО. Таким образом, про­изводится компенсация отражений от четной и нечетной групп НО, что позволяет существенно снизить вероятность возникновения «эффек­та нормали» и обеспечить требуемый уровень коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) суммарного и разностного входов ДОС во всей полосе частот рабочего диапазона.

Исходя из соображений обеспечения приемлемой конструктивной реализации вол­новодной замедляющей системы, а также для снижения потерь мощности в ДОС при фор­мировании требуемого спадающего ампли­тудного распределения (АмР) в качес-тве ти­пового распределительного элемента схемы предлагается использовать волноводный НО с Т-образным элементом связи [6]. Конструк­ция данного НО представляет собой два парал­лельных прямоугольных волновода, связанных с помощью двух щелей, одна из них располо­жена параллельно, а другая - перпендикулярно продольной оси волноводов. Щели прореза­ются в общей широкой стенке волноводов [7].

По рассчитанным значениям переходных ослаблений НО и графиков [7] произведено определение размеров поперечной и продоль­ной щелей L₁ и L₂, в соответствии с которыми вычислены амплитудные и фазовые характе­ристики проходящей (S₁₂) и ответвленной (S₁₃) волн в каждом НО ДОС (см. рис. 3).

На основании результатов электродина­мического расчета характеристик НО в про­граммной среде MathCAD составлен алгоритм, позволяющий по известным амплитудным и фазовым характеристикам каждого НО восста­новить электрические характеристики ДОС в рабочем диапазоне частот (см. рис. 2).

Анализ характеристик и методы компенсации ошибок

Одним из факторов, влияющих на качество ди­аграммных характеристик антенного устрой­ства, является фазовая поправка, которая воз­никает в окнах связи направленных ответвите­лей ДОС, имеющих различные коэффициенты связи с питающей линией (см. рис. 2). Для фор­мирования в вертикальной плоскости спадаю­щего амплитудного распределения выбранно­го типа необходимо реализовать переходные ослабления направленных ответвителей в диапазоне -27... -3 дБ. Соответственно фазо­вая поправка, возникающая в окнах связи при реализации необходимых переходных ослабле­ний, ориентировочно составит от 0° до 45° как для проходящей, так и для ответвленной волн. Это в свою очередь при последовательной схеме включения НО приведет к нелинейно­му нарастанию фазовой ошибки на половинах диаграммообразующей схемы до нескольких сотен градусов (рис. 2, в). Поэтому для полу­чения требуемого уровня боковых лепестков ДН в вертикальной плоскости итерационным способом производилась коррекция длин ре­гулярных участков волноводных петель замед­ляющей системы, которая позволила скомпен­сировать фазовые ошибки на половинах ДОС в диапазоне рабочих частот до приемлемого уровня. Коррекция выполнена в соответствии с формулой:

где Δφ_n = φ_n - φl_n - разность фаз между вос­становленным фазовым распределением (ФР) φ_n и теоретическим линейным ФР φl_n на ча­стоте нормали (рис. 2, б); λ - длина волны на частоте нормали; n = 1, 2 ... 53.

Отклонение восстановленного ФР от те­оретического линейного после коррекции длин петель линии задержки показано на рис. 2, г. По результатам восстановления ДН в вертикаль­ной плоскости по АФР (рис. 2) и известным ДН излучателей АР установлено, что «пило­образный» характер фазовой ошибки (рис. 2, г), а также выбросы на элементах 27 и 54 в ра­бочем диапазоне частот приводят к искаже­нию формы разностной ДН (перепаду между максимумами главных лепестков до 1-2 дБ и ухудшению «глубины нуля» ДН разностного канала) и увеличению до 2-3 дБ ближних бо­ковых лепестков суммарной ДН. Рассмотрим методы компенсации фазовых ошибок.

Из-за проблем, связанных с реализацией больших переходных ослаблений направлен­ных ответвителей (от -3 дБ и более), для умень­шения потерь мощности в ДОС последние элементы делителей, выполненные на НО 26 и НО 52, построены по схеме с полным вы­водом мощности на два излучателя каждый. Добор фазовой поправки для выходов 27 и 54 ДОС, которая обусловлена изменением фазы ответвляемой волны в НО и составляет при­мерно +90°, происходит на последнем витке замедляющей системы каждого из делителей мощности. Для устранения частотной неравно­мерности фазы в схеме ДОС применен двух­канальный волноводный фазовращатель ФВ26 (ФВ52), обеспечивающий постоянство раз­ности фаз проходящей и ответвленной волн в НО между выходами 26 и 27 (53 и 54) в ра­бочем диапазоне частот, без применения в со­ставе его конструкции диэлектрических фазо­сдвигающих клиньев. Принцип работы такого фазовращателя основан на предположении, что два прямоугольных волновода с сечения­ми каналов a₁×b и a₂×b и длинами L₁ и L₂ со­ответственно могут обеспечить постоянство разности фаз Δφ в диапазоне длин волн от f_н до f_в. Тогда, принимая известными значения a₁, a₂, b, f_в, f_н и Δφ, величины L₁ и L₂ могут быть определены исходя из следующих соотношений:

где Λ_н1, Λ_в1, Λ_н2, Λ_в2 - длина волны в волново­де с соответствующим поперечным сечением a₁×b (a₂×b) для нижней (f_н) и верхней (f_в) ча­стот рабочего диапазона.

Очевидно, что в соответствии с выраже­ниями (3) и (4) длину фазовращателя можно определить соотношением размеров широких стенок волноводных каналов a₁ и a₂. При этом для упрощения реализации топологии ДОС значение a_l лучше всего выбрать равным ве­личине широкой стенки волноводной замед­ляющей системы. Для согласования канала фазовращателя, имеющего сечение a₂×b, с под­водящими волноводными линиями с сечени­ем a₁×b (при a₂ - a₁ > 4...5 мм) в конструкции могут быть предусмотрены четвертьволновые трансформаторы.

Волноводная линия задержки, создающая дополнительный фазовый набег на элементах с 28 по 54, из-за частотной зависимости фазовой поправки, вносимой НО (см. рис. 2, 3), не мо­жет обеспечить равномерность нарастания фа­зового фронта на выходах ДОС во всей полосе частот рабочего диапазона. Для устранения это­го недостатка, приводящего к росту уровня бо­ковых лепестков суммарной ДН и искажению формы разностной ДН при сканировании в за­данном секторе на выходах мостового устрой­ства, применен двухканальный волноводный фазовращатель, рассчитанный в соответствии с формулами (3) и (4). Его исполнение аналогич­но фазовращателям ФВ26 и ФВ52, установлен­ным на выходах НО26 и НО52. После фазиров- ки ДОС с помощью фазовращателей ФВ, ФВ26 и ФВ52 нелинейность фазового фронта на вы­ходах с 1 по 54 не превысила в рабочем диа­пазоне частот значения ±2° (рис. 4).

Для устранения скачка фазового фрон­та между половинами излучающего раскрыва антенны, который связан с неидентичностью фазовых характеристик ДМ-27-1, ДМ-27-2 и волноводной линии задержки и обусловлен влиянием допусков изготовления на размер широкой стенки волновода, на входе второй половины ДОС включена волноводная секция фазовой регулировки (СФР), обеспечиваю­щая необходимую регулировку при изменении электрической длины.

В волноводном мостовом устройстве, предназначенном для синфазно-противофаз­ной запитки 27-канальных делителей ДОС, существует возможность перестройки коэффи­циента деления [8]. Для получения требуемой «глубины нуля» разностной ДН необходима балансировка амплитуд СВЧ-сигналов, пода­ваемых на ДМ-27-1 и ДМ-27-2 с точностью порядка ±0,1 дБ. Для этого в составе ВМУ предусмотрена волноводная секция амплитуд­ной регулировки (САР), которая при измене­нии электрической длины позволяет получить нужное соотношение амплитуд сигналов на выходах устройства с заданной точностью во всем рабочем диапазоне частот.

На основании проведенных расчетов, а также рассмотренных методов компенсации фазовых ошибок и балансировки амплитуд сигналов, подаваемых на ДМ-27-1 и ДМ-27-2, определены основные геометрические разме­ры ДОС (рис. 5, сплошные линии).

Электродинамическое моделирование

В соответствии с рассчитанной конфигураци­ей основных элементов (петель ЛЗ, НО, ФВ, ВМУ, САР, СФР и типовых волноводных уз­лов) для анализа и оптимизации характеристик схемы методом конечных элементов в специализированном программном пакете [9] разработана трехмерная электродинамиче­ская модель ДОС (рис. 6).

Структура электродинамической модели полностью соответствует предложенной схеме (см. рис. 1) и представляет собой воздушную полость волноводной топологии ДОС с задан­ными граничными условиями для имитации материала волноводных стенок (алюминие­вый сплав ВД-95 с шероховатостью 0,8 мкм), а также волноводных входов и выходов, воз­буждаемых основным типом колебаний H₁₀).

Для нахождения оптимального положе­ния сектора сканирования относительно рас­четного положения луча, ориентированного по нормали к раскрыву, а также компенса­ции случайных фазовых ошибок, связанных с конечным уровнем согласования отдельных элементов схемы, итерационным способом произведена дополнительная коррекция длин регулярных участков волноводных петель за­медляющей системы в соответствии с форму­лой (2). Геометрические размеры поперечных и продольных щелей НО также подвергались корректировке при каждом повторном пере­счете длин петель для устранения искажений амплитудного распределения, связанных с взаимным влиянием НО по основной волне.

Критерием сходимости процесса явля­лось приближение с заданной точностью рас­считываемого при моделировании АФР на вы­ходах ДОС к теоретическому амплитудному распределению, выбранному для реализации. Это позволило минимизировать значения ам­плитудных и фазовых ошибок в излучающем раскрыве антенны до величин, обеспечиваю­щих требуемые характеристики ДН. Результа­ты расчета размеров поперечной и продольной щелей НО и приращений длин (dS) регулярных участков волноводных петель замедляющей системы, полученные при оптимизации элек­тродинамической модели на последней итера­ции, показаны на рис. 5 точками.

Характеристики ДОС, достигнутые при оптимизации электродинамической модели, а также восстановленные по ним ДН представ­лены на рис. 7 и 8 соответственно. Расчетный уровень КСВН суммарного и разностного вхо­дов в рабочем диапазоне частот при анализе электродинамической модели ДОС не превы­сил величины 1,27.

Данные, полученные по результатам электродинамического анализа суммарно-раз­ностной ДОС, и практический опыт создания антенны 125АС01 [1] позволяют сделать вывод о том, что характеристики ДН разрабатывае­мого антенного устройства в главном сечении в вертикальной плоскости будут практически идентичны характеристикам, восстановленным на основании АФР ДОС, полученного при элек­тродинамическом моделировании (см. рис. 8).

Конструктивно-технологическое исполнение

Конструктивно 54-канальная ДОС состоит из двух последовательно соединенных 27-ка­нальных секций, максимальные размеры ко­торых зависят от возможностей технологиче­ского оборудования. Каждая секция состоит из двух зеркально-симметричных алюминие­вых плит, в которых на станках с ЧПУ профрезерована волноводная топология устройства: профиль волновода, окна связи НО и прочие составные элементы схемы (рис. 9).

Стыковка плит производится вдоль по­верхности, являющейся плоскостью симметрии внутренних волноводных каналов и перпен­дикулярной их широкой стенке. После сборки двух плит образуется свернутый синусоидаль­ный волновод, состыкованный по линии нуле­вых токов. Внутри секций расположены вол­новодное мостовое устройство, волноводная линия задержки змейкового типа (магистраль­ная линия), которая связана через щелевые Т-образные окна связи с вторичными волно­водными линиями и образует 52 направленных ответвителя мощности (рис. 10), а также допол­нительная волноводная линия задержки, равно­мерно распределенная по двум секциям ДОС.

В балансных плечах направленных ответ­вителей установлены 52 клина, выполненные из поглощающего состава на основе карбонильного железа и разрезанных для удобства сборки блока по линии стыковки алюминиевых плит.

ДОС имеет два волноводных входа на тор­цевой стороне (суммарный Σ и разностный Δ), 54 волноводных выхода, расположенных на фронтальной стороне с шагом 70 мм, межсекционную волноводную перемычку (СФР), предназначенную для соединения 27-каналь­ных секций и подстройки фазового фронта, а также регулировочную перемычку (САР), обе­спечивающую балансировку амплитуд СВЧ- сигналов, подаваемых на 27-канальные секции.

Волноводная топология ДОС создана на базе волновода с сечением 64,7×17 мм. Входы и выходы устройства выполнены на основе волновода стандартного сечения 72×34 мм. На узкой стенке волноводных каналов маги­стральной и дополнительной линий задерж­ки блока имеются отверстия диаметром 3 мм, через которые производится отвод конденса­та в систему слива. Система слива конденса­та располагается на тыльной стороне ДОС и представляет собой шесть продольных трубок, распределенных по поверхности блока и соб­ранных в нижних частях каждой из 27-каналь­ных секций в единый канал. На выходе систе­мы установлен сливной клапан. Секции ДОС соединены изогнутым волноводом, который отсоединяется перед транспортировкой антен­ны. Стыки плит после сборки герметизируют­ся анаэробным герметиком, а стыки секций - контактными и резиновыми прокладками.

Фрезеровка волноводной топологии и поперечных щелей Т-образных окон связи НО производится с помощью стандартных торце­вых фрез. Продольные щели Т-образных окон связи в процессе фрезеровки плит блока проре­заются отработанной специальной оснасткой - грибковой фрезой диаметром 16 мм и толщиной 5 мм. Заход фрезы осуществляется с каждой стороны общей стенки магистрального и вто­ричного волноводов на глубину 3,5 мм (рис. 11).

Изготовление деталей ДОС на станках с ЧПУ [1] обеспечивает высокую точность и повторяемость расчетных размеров и выход­ных параметров антенн, что подтверждается многократным изготовлением и измерениями электрических характеристик АР 125АС01 ТРЛК «Сопка-2». Фотографии изготовленных на станках с ЧПУ фрезерованных плит, входя­щих в состав ДМ-27-1 опытного образца ДОС, представлены на рис. 12.

Заключение

Анализ полученных результатов показал, что предложенные усовершенствования известной суммарно-разностной схемы с последователь­ным питанием излучателей [1] (организация полного вывода мощности на крайние элементы ДМ-27-1 и ДМ-27-2, применение двухканаль­ных фазовращателей и волноводного мостово­го устройства с регулируемым коэффициентом деления) позволили реализовать на практике плоскую конструкцию волноводной суммарно­разностной ДОС на базе двух фрезерованых по­ловин и устранить необходимость использова­ния в ней оконечных нагрузок. При этом сохра- наняется эффективный коэффициент усиления антенны (за счет снижения потерь в схеме) и обеспечивается требуемое качество ДН в секто­ре сканирования.

Рекомендации по устранению недостатков моноимпульсной ДОС последовательного типа, рассмотренные в [3] и [5], носят теоретический характер и не затрагивают проблемы изготовле­ния конструкции антенны, оценку ее габарит­ных размеров, а также особенности устранения фазовых ошибок и амплитудной балансировки половин ДОС с точки зрения технологических процессов. Однако именно эти вопросы необхо­димо учитывать при применении любых извест­ных типов ответвителей мощности в подобных схемах для обеспечения требуемых выходных характеристик.

На основании проведенных исследова­ний разработана конструкторская докумен­тация волноводной суммарно-разностной диаграммообразующей схемы 124АС01, из­готовлен работающий в дециметровом диапа­зоне длин волн опытный образец, испытания которого подтвердили корректность проведенных расчетов и показали хорошее совпадение экспериментально измеренных характеристик с данными, полученными при электродинами­ческом моделировании.

Измеренное с помощью векторного ана­лизатора цепей Agilent E5071B АФР на выхо­дах ДОС (при запитке суммарного и разност­ного входов) соответствует АФР, полученному при моделировании (см. рис. 7), с точностью порядка ± 0,3 дБ и ± 5°. Восстановленные по измеренному АФР характеристики ДН (форма, уровни бокового излучения, ширина и угловые положения) не имеют принципиальных отли­чий от характеристик ДН (см. рис. 8).