РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 58, № 11, с. 1077-1089
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ^^^^^^^^
И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 621.396
МОДЕЛИРОВАНИЕ ^-ПЛОСКОСТНЫХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОГО ТИПА ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ МНОГОЛУЧЕВЫХ АКТИВНЫХ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК © 2013 г. К. Н. Климов1, Д. О. Фирсов-Шибаев2, В. В. Перфильев1
Научно-производственное объединение "Лианозовский электромеханический завод" Российская Федерация, 127411, Москва, Дмитровское шоссе, 110 2Закрытое акционерное общество "Голлард" Российская Федерация, 113405, Москва, Варшавское шоссе, 125, стр. 1 E-mail: dyosfs@gmail.com Поступила в редакцию 03.12.2012 г.
Предложена и исследована планарная (двумерная) ^-плоскостная распределительная система оптического типа для формирования пятилучевой диаграммы направленности активных фазированных антенных решеток. Исследование распределительной системы проведено во временной области, что позволило дополнительно получить результаты для переходных процессов исследуемой системы.
DOI: 10.7868/S0033849413110089
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время достаточно широко распространены системы распределения оптического типа, позволяющие формировать многолучевые диаграммы как для передающих, так и для приемных активных фазированных антенных решеток (АФАР) [1—3]. Достоинствами данных систем по сравнению с другими схемами построения распределительных систем (таких например, как схема Батлера [4] или Блааса [5]) являются простота и, как следствие, небольшая стоимость. Недостатком распределительных систем оптического типа являются большие потери [6], что существенно для пассивных фазированных решеток. Однако в случае АФАР потери в распределительной системе являются менее критичным фактором, поскольку основная энергетика АФАР сосредоточена в оконечных каскадах [1—3].
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Будем рассматривать распределительную систему оптического типа, изображенную на рис. 1. Данная система позволяет формировать пятилу-чевую диаграмму направленности (ДН).
Каждому лучу ДН соответствует свой вход (Вход 1—Вход 5). Все выходы распределительной системы (а их 64) соединены с 64 излучателями АФАР коаксиальными кабелями. Длины кабелей,
соединяющих излучатели АФАР и выходы распределительной системы, подобраны таким образом, чтобы при возбуждении входа 3 распределительной системы излучатели АФАР имели равные фазы. Выходы распределительной системы расположены по диаметру круга, а входы — на радиусе круга Я = 3.1Х (X — длина волны в свободном пространстве на частоте/0). Вход 3 расположен на оси симметрии распределительной системы. Входы 2, 4 и входы 1, 5 расположены с отклонением на углы а и 2а относительно оси симметрии распределительной системы. При соблюдении указанных выше условий при возбуждении входа 3 будет формироваться луч ДН АФАР перпендикулярно линии расположения ее излучателей. При возбуждении входов 1, 2, 4 и 5 угол отклонения луча в отличие от случая возбуждения входа 3 будет составлять 2а, а, —а и —2а соответственно, если расстояние между выходами распределительной системы будет равно расстоянию между излучателями. При необходимости уменьшения размеров распределительной системы расстояние между её выходами уменьшают в п раз по сравнению с расстоянием между излучателями АФАР. В таком случае угол отклонения луча в ДН АФАР будет меньше угла отклонения в распределительной системе также в п раз. Для рассматриваемой системы коэффициент уменьшения геометрических размеров п составил 7. В соответствующее
Рис. 1. Геометрия Д-плоскостной распределительной системы оптического типа для пятилучевой АФАР.
число раз и был увеличен угол отклонения луча а в распределительной системе.
Рассматриваемая геометрия распределительной системы (рис. 1), представляет собой ^-плоскостную систему. Данная система может быть проанализирована во временной области при помощи программы Planar Rt-H Analyzer [7—9]. Входы распределительной системы представляют собой волноводы шириной 1.8А,. Выходы распределительной системы, представляющие собой коаксиальные зонды, моделировали #-плоскост-ными волноводами с магнитными стенками (так называемое условие холостого хода).
Пространственный шаг дискретизации при электродинамическом анализе был выбран 1 мм; соответственно временной шаг дискретизации составил 0.00236 нс. При выбранном пространственном шаге дискретизации для частоты анализа f0 отношение длины волны в свободном пространстве к пространственному шагу дискретизации равно 76.87. При моделировании размер анализируемой области составил 4.3 х 6.78 длин волн. Область анализа составила 173304 узла сет-
ки, что для одинарной модели точности потребовало 12.82 Мбайт оперативной памяти.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ
Результаты моделирования распределения электрического поля рассматриваемой распределительной системы оптического типа в различные моменты времени при возбуждении входа 3 приведены на рис. 2.
Как видно из рисунка, для получения равной фазы на излучателях АФАР при возбуждении входа 3 разница длин кабелей, соединяющих выходы распределительной системы и излучателей АФАР, должна компенсировать ошибки в геометрическом пути от фазового центра до различных выходов распределительной системы. Поэтому оптимально размещать выходы распределительной системы не вдоль одной прямой, а вдоль линии фазового фронта для волны, выходящей из входа 3 распределительной системы. Тогда длины кабе-
(а) (б) (в)
Рис. 2. Распределение электрического поля Д-плоскостной распределительной системы оптического типа для пяти-лучевой АФАР при возбуждении входа 3 в моменты времени 0.5 (а), 1 (б), 1.5 (в), 2 (г), 2.5 (д) и 3 (е) нс.
лей для всех выходов распределительной системы будут одинаковы. Линии эквифазных поверхностей для данного случая являются окружностями, центры которых расположены в фазовом центре излучателя входа 3.
Результаты моделирования распределения электрического поля рассматриваемой распределительной системы оптического типа в различные моменты времени при возбуждении входа 2 приведены на рис. 3.
По сравнению со случаем возбуждения входа 3 (см. рис. 2) при возбуждении входа 2 распределительной системы картины распределения электрического поля повернуты на угол а относительно центра окружности, на которой расположены входы распределительной системы. Поэтому при
выбранном расположении выходов распределительной системы и одинаковых расстояниях между ее выходами и излучателями АФАР луч ДН АФАР отклонится также на угол а относительно положения при возбуждении входа 3.
Результаты моделирования распределения электрического поля рассматриваемой распределительной системы оптического типа в различные моменты времени при возбуждении входа 1 приведены на рис. 4.
Как видно из рисунка, картины распределения электрического поля повёрнуты уже на угол 2а по сравнению со случаем, изображенным на рис. 2, поэтому и ДН АФАР также отклонится на угол 2а относительно положения при возбуждении входа 3.
Рис. 3. Распределение электрического поля Д-плоскостной распределительной системы оптического типа для пяти-лучевой АФАР при возбуждении входа 2 в моменты времени 0.5 (а), 1 (б), 1.5 (в), 2 (г), 2.5 (д) и 3 (е) нс.
В силу симметрии геометрии распределительной системы при возбуждении входов 4 и 5 повороты картин полей и отклонения ДН АФАР будут соответствовать углам —а и —2а.
Для уменьшения геометрических размеров распределительной системы в семь раз расстояние между ее выходами было также уменьшено в соответствующее число раз. Поэтому для получения отклонения лучей ДН АФАР на —3.6°, —1.8°, 1.8° и 3.6 ° входы 1, 2, 4 и 5 распределительной системы оптического типа расположены под углами —25.2°, —12.6°, 12.6° и 25.2° соответственно к входу 3 относительно центра окружности, на которой расположены входы распределительной системы.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ, ОТРАЖЕННЫХ ОТ ВХОДОВ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Моделирование рассеяния электромагнитных волн во временной области позволило получить переходные характеристики для отраженных сигналов для рассматриваемой системы.
На рис. 5 приведены переходные характеристики в распределительной системе оптического типа, показанной на рис. 1 для сигналов, отраженных от входов 1, 2 и 3 (кривые 1, 2 и 3 соответственно). Сигналы, отраженные от входов 4 и 5, в силу симметрии геометрии распределительной системы (см. рис. 1) будут идентичны отраженным сигналам для входов 2 и 1 соответственно.
(а)
:
I
: : :::::
Ш Ц1!1|Ц||! 5;::::
■ "г V г:
■
(в)
......................
нтш: "Шл г = ::: : : :;;:.: :::::: : : :::::: : :::::::: : :::::: : ::::::::
: : I : : I : ! :
:......вввоп.....■
....... ; ■::■;.............= ........ ;;ч;;
Г::::::!":::::::"::::::: Г::::::::: :::::::Г:
....
(г)
(д)
(е)
Рис. 4. Распределение электрического поля Д-плоскостной распределительной системы оптического типа для пяти-лучевой АФАР при возбуждении входа 1 в моменты времени 0.5 (а), 1 (б), 1.5 (в), 2 (г), 2.5 (д) и 3 (е) нс.
Различия по фазам отраженных сигналов связаны с различной длиной волноводов, запитыва-ющих входы 1, 2 и 3 распределительной системы. Различия же амплитуд отраженных сигналов между разными входами характеризуются различием геометрий поворотов волноводных каналов.
Удобно провести усреднение отраженных сигналов по периоду колебания для рассматриваемой частоты возбуждающего сигнала и рассматривать уже не временной сигнал, а амплитуды и фазы отраженных сигналов. Результаты такого усреднения отраженных сигналов для временного интервала от 0 до 10 нс приведены на рис. 6 и 7.
На рис. 6 показаны амплитуды А, а на рис. 7 — фазы ф отраженных сигналов для входов 1, 2 и 3 (кривые 1, 2 и 3 соответственно).
Как видно из рис. 6 и 7, время установления стационарных режимов (стационарных значений амплитуд и фаз) для отраженных сигналов составляет порядка 7 нс.
На рис. 8 представлены переходные характеристики для КСВ сигналов, отраженных от входов 1, 2 и 3 (кривые 1, 2 и 3 соответственно). Как видно из рис. 8, все входы распределительной системы имеют К
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.