|
| |
|
Слаботочка Книги ных задач в этой области является стандартизация существующей и разрабаты1ваемой элементных баз. Обеспечение электромаг11итной совместимости антенных систем. Под проблемой электромагнитной совместимости антенн (ЭМС) различных радиотехнических средств подразумевается обеспечение таких условий работы и антенных характеристик, при которых не возникают нежелательные электромагнитные связи, нарушающие работу этих и других радиосистем, обеспечивается функционирование радиосистем с требуемым качеством. Эта проблема подробно рассматривается в гл. 3 и 5, Минимизация стоимости проектирования производства и эксплуатации антенных систем. Высокая эффективность исследований, разработок и производства, как известно, является важнейшей задачей современности. С учетом высокой стоимости антенн в современных радиосистемах широкого применения эти проблемы приобретают важное народнохозяйственное значение. 1.5. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНТЕНН Расчет и конструирование современных антенн значительно усложнились в последние годы из-за увеличения числа параметров и характеристик, подлежащих определению, а также из-за стремления оптимизировать характеристики и более точно их рассчитать, избежав экспериментальных проверок. Так, проектирование электрически сканирующих антенн ведется при условии обеспечения заданных характеристик при всех положениях луча в пространственном секторе сканирования и заданного диапазона частот. При этом ширина луча, УБЛ, КНД и другие характеристики определяются не только параметрами решетки, но и устройствами управления лучом, фазовращателями, обтекателями (укрытиями), параметрами совмещаемой антенны и т. д. Нахождение оптимального варианта антенной системы для заданных требований и имеющихся возможностей значительно увеличивает объем всех проводимых расчетов. Существуют различные методы расчета антенн, которые отличаются точностью получаемых результатов и соответственно степенью сложности расчетов. На стадии предварительного проектирования новых типов антенн необходимы приближенные методы расчета антенн и их элементов, позволяющие специалистам, знакомым лишь с общей теорией антенн и практикой их исполь-зовайия, определить основные характеристики. Это привело к созданию так называемых инженерных методик расчета с введением ряда приближений и упрощений, что повлияло на точность расчета характеристик и ограничение пределов их применения. Наряду с упрощенными методами в ряде случаев развиты и интенсивно развиваются строгие методы расчета с использованием ЭВМ, позволяющие оптимизировать создаваемое устройство потому или иному критерию с помощью разработанных алгоритмов и программ. Характеристики антенн, найденные путем приближен- ,. НЫХ инженерных методик, могут быть уточнены с помощью этих строгих методов [5, 9-11, 20, 28]. При расчете и проектировании антенных систем решение общей задачи приходится искусственно разделять на отдельные частные задачи. Так, проектирование ФАР связано с решением ряда внешних и внутренних электродинамических задач теории ан-, теин. При использовании приближенных методов анализа можно допускать независимое решение таких внешних и внутренних задач. Решение этих задач с учетом их взаимосвязи позволяет рассчитывать характеристики сложных антенных систем и отыскивать вариант антенны, наиболее соответствующий поставленным требованиям. Такой подход позволил создать независимые методики инженерного расчета антенных решеток с электрическим сканированием, АФАР, решеток излучателей и их элементов [5] и т. п. В конструировании и производстве антенн в последние 10- 15 лет произошли существенные изменения. Разнообразие используемых на практике типов антенн, существенные их конструктивные различия в зависимости от рабочего диапазона волн и назначения привели к возникновению самостоятельных отраслей современного антенностроения с присущими им конструктивными решениями, используемыми материалами, технологией, видом производства и т. д. Такими уже сложившимися можно считать отрасли крупного антенностроения, фазированных антенных решеток, активных антенных решеток, космических антенных систем. Намечается возникновение и других отраслей [23-25], каждая из которых имеет свою специфику, особенности конструирования. Остановимся на особенности проектирования ФАР и АФАР, представляющих сложный комплекс излучателей, фазовращателей усилителей, трактов, систем управления, возбуждения, контроля и т. п. Сложность такой системы взаимосвязанных составляющих элементов, которые в целом должны обеспечить заданные технические .характеристики, приводит, как правило, к высокой стоимости. Поэтому процесс проектирования в значительной мере сво-литгя к изысканию таких конструктивных решений для Ф.Р и .А.Ф.4Р, которые с учетом класса РЛС, требований разрешения, мобильности, серийности производства, изменения от внешних воздействий лозволяют найти приемлемый компромисс между характеристиками антенной системы и ее стоимостью. При проектировании ФАР на первый план выдвигается вопрос о создании, еще в процессе разработки опытного образца РЛС, крупной серии массовых элементов с требуемыми параметрами и достаточно невысокой стоимостью. Поэтому уже из этом этапе проектирования ФАР доллны быть рассмотрены технологические возможности отраслей промышленности, создающих массовую элементную базу ФАР или АФАР, определены возможные варианты элементной базы для данного типа систем и выработаны технические и экономические обоснования и требования для каждого элемента с учетом его серийного производства [26]. Особенно важно на этом этапе определить возможность получения в процессе промышленного выпуска элементов ФАР повторяемости их параметров от экземпляра к экземпляру и сохранение этой повторяемости во всем диапазоне изменения внешних воздействий. Располагая элементной базой, следует приступить к следующему этапу проектирования - разработке вариантов функциональных схем ФАР или АФАР, отвечающих заданным техническим требованиям, а также учитывающих конструктивно-технологические особенности построения антенны, возможности отвода тепла от ее ограниченного объема, обеспечения функционального контроля и т. п. На этом этапе целесообразно рассмотреть варианты построения, имеющие существенные различия: например, пассивная ФАР и АФАР (на передачу или прием), приемная ФАР с обработкой сигнала и управлением лучом на СВЧ или на промежуточной частоте и т. п. Это позволяет более тщательно и детально оценить возможности существующей технологии и выбрать в дальнейшем наиболее оптимальный для данного типа РСЛ вариант такой сложной системы. Для каждого варианта выбирают тип излучателя, а также выбирают и рассчитывают по общепринятым методикам системы распределения (суммирования) мощности, системы управления лучом и системы усиления сигнала на передачу и на прием. Существенным моментом проектирования на этом этапе является расчет потерь потенциала, вызванных применением в РЛС той или иной схемы ФАР. Должны быть учтены как прямые потери энергии, например, в системе распределения мощности или управления лучом, так и потери коэффициента усиления антенны, вызванные, например, дискретностью фазирования и ступенчатой аппроксимацией линейного фазового фронта, отклонения луча от нормали или ошибками амплитудно-фазового распределения. Все эти потери влияют на энергетические характеристики станции и должны учитываться при ее расчете. Прямые потери могут быть пересчитаны в потери коэффициента усиления, и все потери потенциала в РЛС с ФАР выражены через эту величину. Важной задачей является минимизация потерь. В качестве примера можно указать выбор числа разрядов дискретного фазовращателя системы управления лучом. Увеличение числа разрядов приводит к росту прямых потерь в тракте сигнала, но уменьшает потери усиления антенны в главном луче. Поэтому возможна оптимизация числа разрядов [3], минимизирующая суммарные потери потенциала. Этот пример характерен для проектирования ФАР. Он показывает, что выбор схемы построения и элементов решетки является сложной и многоплановой системной задачей. На потери потенциала в РЛС с ФАР большое влияние могут оказывать ошибки амплитудно-фазового распределения, возникающие на ее раскрыве и достигающие в ФАР и особенно в АФАР значительной величины. Статистическая теория антенн позволяет оценить ухудшение коэффициента усиления в главном луче и других пространственных характеристик ФАР в зависимости от статистики амплитудно-фазового распределения на ее раскрыве. Но для получения такой оценки при проектировании конкретной РЛС необходимо знание этой статистики. В многоканальных и многокаскадных системах, какими являются ФАР и АФАР, эта задача является достаточно сложной. Дело в том, что среднеквадратическое отклонение от номинального значения какого-либо параметра многоканального каскада ФАР передается к ее раскрыву через коэффициенты передачи последующих многоканальных каскадов, имеющих, в свою очередь, статистический характер. В зависимости от среднего значения крутизны коэффициента передачи по этому параметру указанных каскадов его среднеквадратическое отклонение может стать на раскрыве антенны больше или меньше первоначального. Так, в активной ФАР на лампах бегущей волны, имеющих достаточно большую крутизну зависимости фазы выходного сигнала от напряжения на ускоряющем электроде, незначительное среднеквадратическое отклонение этого напряжения на входе многоканального каскада ЛБВ может привести к значительному средне-квадратическому отклонению фазы на выходе этого каскада и соответственно на раскрыве АФАР. Но в каждом многоканальном каскаде может быть не одна, а несколько причин, вызывающих отклонение его выходного параметра от номинала. Так, в том же многоканальном усилителе активной ФАР на ЛБВ на статистику фазы выходного сигнала может оказывать влияние и разброс КСВ нагрузки, нендентичность входной мощности, уход температуры и т. п. В этом случае среднеквадратическое отклонение выходного параметра многоканального каскада должно быть найдено для каждой причины, а результирующая статистика определена по правилам сложения случайных величин с учетом в необходимых случаях корреляции между ними. Такая операция требуется для каждого многоканального каскада ФАР и завершается сложением по известным правилам, всех средне-квадратических отклонений искомого параметра. Это и дает необходимую статистику, позволяющую оценить уменьшение коэффициента усиления в главном луче ФАР и изменение других характеристик антенн. Результаты расчета характеристик нескольких функциональных схем ФАР, каждая из которых отвечает заданным техническим требованиям, позволяют на завершающем этапе проектирования сопоставить эти схемы и выбрать наилучшую. Опыт проектирования ФАР показывает, что такое сопоставление наиболее целесообразно производить по энергопотреблению (КПД, если речь идет о передающей ФАР, или величине суммарных потерь, если рассматривается приемная ФАР), надежности, стоимости, массогабаритным характеристикам и т. д. В зависимости от клас-са РЛС каждой из этих характеристик должен быть придан со- ответствующий вес. Интегральная оценка дает окончательное решение о выборе наиболее опти.мального варианта ФАР. В последующих главах монографии сделана попытка изложить ряд сформировавшихся проблем в теории и технике антенн. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛ. 1 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. Велихов Е. П.. Сагдеев Р. 3., Кокошкин А. А. Космическое оружие: дилемма безопасности. - М.: Мир, 1986. - 182 с. Современные проблемы антеино-волиоводнон техники: Сб. статей/Под ред. А. А. Пистолькорса. - М.: Наука, 1967. - 217 с. Антенны: (Современное состояние и проблемы)/Под ред. чл.-корр. АН СССР Л. Д. Бахраха, проф. Д. И. Воскресенского. - М.: Сов. радио, 1979 - 208 с. ГОСТ 23282-78. Решетки антенные: Термины и определения. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток); Учебн. пос. для вузов/Д. И. Воскресенский, Р. А. Грановская, Н. С. Давыдова и др.; Под ред. Д. И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1981.-432 с. Воскресенский Д. И., Пономарев Л. И., Филиппов В. С. Выпуклые сканн-)ую1дие антенны. - М.: Сов. радио, 1978. - 301 с. Цыбаев Б. Г., Романов Б. С. Антенны-усилители. - М.: Сов. радно, 1980.- 240 с. Автоматизироваииое проектирование устройств СВЧ (проектирование РЭА на интегральных микросхемах)/В. В. Никольский, В. П. Орлов, В. Г. Феоктистов н др.; Под ред. В. В. Никольского. - М: Радио н связь, 1982. - 272 с. Гостюхин В. Л., Грииева К. И., Трусов В. И. Вопросы проектирования активных ФАР с использованием ЭВМ/Под ред. В. Л. Гостюхниа. - М.: Радио и связь. 1983. - 248 с. Вычислительные методы в электродииамике/Под ред. Р, Митры. - Л\.: Мир, 1977. - 485 с. Ильинский А. С, Свешников А. Г. Численные методы в задачах дифракции на периодических структурах; Сб. научно-методических статей по прикладной электродинамике. - М,: Высшая школа. 1Э77. - Вып I. - С. 51-65. Мозииго Р. А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки. - М.: Радио и связь, 1986.-446 с. Воскресенский Д. И., Гринев А. Ю., Воронин Е. Н. Раднооптическне антенные решетки, - М.; Радио и связь, 1986. - 240 с. Самойлеико В. И., Шитов Ю. А. Управление фазированными антенными решетками/Под ред. Г. Г. Бубнова. - М.: Радио и связь, 1983. - 238 с. ТИИЭР: (Тем. вып. Радиолокация). - 1985. - Ki 2. - С. 1-244. Методы измерения параметров излучающих систем в ближней зоне,/ Л. Д. Бахрах, С. Д. Кременецкий, А. П. Курочкин и др. - Л.: Наука, 1985. -272 с. Методы измерения характеристик антенн СВЧ/Под ред. Н. М. Цейтлина. - М.: Радно и связь, 1985.- 368 с. Ямпольский В. Г., Фролов О. П. Антенны и ЭМС. - М.: Радио и связь, 1983. - 272 с. Зслкин Е. Г., Соколов В. Г. Методы синтеза антенн: Фазированные ая-тенкые решетки с непрерывным раскрывом. - М.: Сов. радно, 1980. - 296 с. Антениы/Под ред. Д. И. Воскресенского. - М.: Радио н связь, 1985, вып. 32.- 160 с. Вуд П. Дж. Анализ н проектирование зеркальных антсни/Пер. с англ. Г. Б. Звороно; Под рсд, О. П. Фролова, - М,: Радио н связь, 1984. - 207 с. 22. Бахрах Л. Д., Курочкии А. П. Голография в микроволновой технике. - М.: Сов. радио, 1979. -310 с. 23. Пригода Б. А., Кокунько В. С. Аитениы летательных аппаратов. - М.: Воеииздат, 1979. - 160 с. 24. Шатранов Ю. Г., Рывкин М. И., Цыбаев Г. Г. Самолетные антенные системы. - М.: Машиностроение, 19?Э. - 184 с. 25. Вершков М. В. Судовые антенны. - М.: Судостроение, 1979. - 272 с. 26. Phased array antennas/Ed. by A. A. Oliner Q. N. Knittel. - Dedham Artech house, 1972. 27. Авдеев С. М., Бей П. А., Морозов А. П. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности. - М.: Радио н связь, 1987.- 182 с. 28. Чаплин А. Ф. Анализ и синтез антенных решеток. - Львов: Вища школа, 1987.- 180 с. ГЛАВА 2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЭМС ИЗЛУЧАЮЩИХ И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ АНТЕННЫХ СИСТЕМ С. д. КРЕМЕНЕЦКИЙ, В. Ф. ЛОСЬ Процесс развития радиоэлектроники, радиолокации, радионавигации, радиосвязи во всех странах за последнее десятилетие характеризовался следующими основны)ми тенденциями: реализацией в аппаратуре более тонких физических эффектов и технических решений; стремлением вести передачу и обработку даже больших объемов информации в реальном масштабе времени с широким ис-лользованием ЭВМ; расширением круга решаемых аппаратурой задач и, как следствие, увеличением, несмотря на микроминиатюризацию радиоэлектронных средств (РЭС), занимаемого аппаратурой объема на подвижных и неподвижных объектах. Учет этих современных тенденций, а он жизненно необходим, усугубляет и без того серьезную проблему обеспечения в радиотехнических комплексах (РТК) электромагнитной совместимости (ЭМС), под которой понимается способность РЭС РТК совместно функционировать при допустимой деградации своих номинальных параметров и характеристик. 2.1. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ ЭМС Проблема обеспечения ЭМС включает: во-первых, научно обоснованное прогнозирование непреднамеренных потенциально опасных электромагнитных связей между различными частями РЭС и РТК и, вонвторых, разработку на основе прогноза и экспериментальных данных технических или организационных мероприятий, снижающих уровни этих опасных связей до приемлемых 1 2 3 4 [5] 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 |