|
| |
|
Слаботочка Книги 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 Потребляемая активной ФАР мощность Ро складывается из мощности, потребляемой возбудителем Ров и активными модулями: (15.4) где Рв, т1е - соответственно высокочастотная мощность и КПД возбудителя; тр, т)ф, Цн, tia - КПД распределительной системы, фазовращателя, активного модуля и излучателей соответственно. Мощность Р >о, потребляемая пассивной ФАР, р(п) рд -П- 5 где Рпрд, Т1прд - высокочастотная мощность и полный КПД передатчика пассивной ФАР. Используя условие (15.3) и полагая Кр 3>1, получаем Пм>т1 рдТ1рТ1ф. (15.6) Полагая т1прд~0,5 и т1рТ1ф~0,3... 0,4 для пассивной ФАР средних размеров получаем требование к КПД модуля АФАР tim>0,15... ... 0,2. Отсюда видно, что совершенствование элементной базы и, в частности, увеличение КПД транзисторных усилителей может обеспечить существенное преимущество АФАР. Использование приемной АФАР целесообразно только в случае, когда это приводит к уменьшению удельной спектральной плотности мощности шума Q. Из соотношения (15.2) можно шо-казать, что Q->-Qmin при удовлетворении неравенства Кр, > 10 (лрйф + h, + /1,р ,)/11фГ1р (/г, + К), (15.7) где т]а, т1ф, tjp-КПД излучателя, фазовращателя и сумматора; /гф= (1-fт1ф)/сГ; /Zp= (1-r]p)fer, /га, /Im, /гпрм - спектральные плотности мощности шума соответственно фазовращателя и сумматора на их выходах; излучателя, активного модуля, отнесенная ко входу модуля, и приемника относительно его входа; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура. Для получения энергетического выигрыша приемную АР целесообразно выполнять в активном варианте, если Qmin <Qnacc или когда спектральная плотность мощности шума модуля достаточно мала и удовлетворяет условию < [(1 - Г1ф) г1рГ) + (1 - Пр) fer -f /г рм]/г1фГ1р. (15.8) Например, для решетки с г]ф = 0,7, tip=0,5 получаем ft < 1,85 fer-b 2,86 ftp . Таким образом, приемные АФАР будут предпочтительнее пассивных ФАР по энергетике при использовании малошумящих усили- с достаточно высоким коэффициентом уси- 15.8) являются .хотя п приближенными, но достаточно универсальными для систем радиосвязи и РЛС обна- телей [условие (15.8) ления [условие (15.7) Усло:!ПЯ (15,6) - ружения, т. е. при тех режи.мах работы, когда основным критерием является энергетический потенциал. Следует отметить, что в ряде случаев, например для удовлетворения требованиям получения сверхвысоких мощностей и некоторых других, выбор схемы АФАР является однозначным и сравнительные оценки не требуются. Энергетические показатели не обязательно будут полными и единственными, так как могут играть важную роль другие факторы, такие как точность измерения положения цели, темп поступления данных, надежность, удобство в обслуживании, размеры, масса и стоимость. 15.2. СТОИМОСТНЫЕ ЛАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДАЮЩИХ АФАР При разработке АФАР, которые являются весьма сложными и дорогостоящими антенными системами, наравне с требованиями получения заданных технических характеристик весьма остро ставится условие уменьшения затрат на их создание и эксплуатацию. Таким образом, встает проблема оптимизации структуры АФАР, обеспечивающей минимизацию ее стоимости. Целевая функция при решении задачи оптимизации представляет собой стоимостную модель, описывающую поведение стоимости в зависимости от значений варьируемых параметров, например числа излучателей в АР. В качестве постоянных параметров стоимостной модели могут быть приняты различные радиотехнические показатели, для передающей АФАР это потенциал П [см. (15.1)], являющийся основной энергетической характеристикой. Представим стоимость всей АФАР С как сумму стоимостей ее функциональных узлов [2] и введем понятие удельной стоимости одного конструктивного (функционального) элемента Си выражаемой в руб./шт., руб./Вт или других условных единицах. В соответствии со структурной схемой передающей АФАР [см. рис. (15.1,а)] обозначим: Ci HSJi-ZV - стоимость антенного полотна, состоящего из N излучателей, где Ci изл - стоимость одного излучателя, в которую помимо стоимости материалов, изготовления, настройки и монтажа самого излучателя (вибратора, спирали, излучающего волновода и др.) с согласующим устройством входят так же отнесенные к одному излучателю стоимости опорной рамы крепления, других конструктивных узлов, стоимость монтажа и регулировки антенного полотна; С\ фвМ - стоимость фазовращателей, число которых в АФАР можно приближенно принять равным числу излучателей N, где Ci фв - стоимость одного настроенного фазовращателя, включая стоимость управляющего устройства, отнесенную к одному фазовращателю. Оценим стоимость распределительиой системы. Известно [1], что в АФАР могут использоваться распределительные системы, состоящие только нз пассив-ны.х цепей (делителей мощности), или активные распределители, когда в раз- ветвление системы включены активные усилительные элементы. Рассмотрим активную распределительную систему, состоящую из идентичных элементов: делителей с коэффициентом деления Шо и числом ступеней д, КПД т1д, а также усилителей мощности с коэффициентом усиления Кр, равным коэффициенту усиления активных модулей Кр. Мощность на выходе возбудителя Рв принимаем равной мощности одного модуля Р {Pв = P), т. е. все активные элементы выполнены с использованием одинаковых активных приборов. Тогда, как показано в [1], (15.9) Учитывая (15.9), общее число усилителей, включая активные модул.ч {Nv,=N) и возбудитель. ml- (Щ - I) (15.10) В случае неравномерного амплитудного распределения по раскрыву АР или при частичном ее секционировании число усилителей в АФАР будет меньше, чем вычисленные по (15.10). Число выходных плеч делителей мощности по всей распределительной системе Лдел совпадает с числом Nyo, определяемых по (15.10), т. е. в случае активной распределительной системы и Уттйл Л - (15.11) (15.12) при пассивном распределителе. Из формул (15.1!) п (15.12) видно, что при любом распределителе Лдел может принимать значения в пределах N...2N, т. е. Лдел ~ (1 ... 2)iV. В дальнейших выводах примем Лдел = 1,5Л/. Стоимость пассивных элементов распределительной системы АФ.\Р (как при пассивном, так и при активном распределителях) равна С, дел Л. Под удельной стоимостью одного делителя мощности С, дел понимается стоимость одного выходного плеча делителя (моста, направленного ответвителя, гибридного кольца и т. п.). Иначе говоря, принимается, что делитель, имеющий три выходных плеча, будет стоить в 1,5 раза, д с пятью выходами в 2,5 раза дороже двухканального делителя. В стоимость делителя включается также отнесенная к одному выходу стоимость корпусов, разъемных контактных соедине-лий и соединительных линий в схеме распределителя. Перейдем к вычислению стоимости активных элементов АФАР Сдэ . Стоимость активных элементов в АФАР с пассивной распределительной системой складывается из суммарной стоимости активных модулей Cj; м и стоимости возбудителя Св. В связи с тем, что стоимость активного модуля, состоящего из усилителей и в некоторых случаях еще преобразователя частоты, существенно зависит от выходной мощности модуля Ри мол<но в качестве :3!б удельной принять стоимость активной части одноваттного модуля Ci Вт, включая сюда помимо стоимости активных приборов, корпуса и других элементов конструкции, органов контроля и регулировки еще стоимости монтажа и настройки усилителей в целом, а также стоимости источника питания и модулятора, отнесенные к 1 Вт высокочастотной мощности. Считают [3], что стоимость активного модуля С возрастает с ростом его номинальной мощности Р, пропорционально степени Хи т. е. C /C,bt=(Pi/1Bt).. (15.13) При этом рекомендуется брать параметр Xi в пределах 0,5... 0,7 [3], что справедливо при возрастании мощности Pi на один или несколько порядков. Анализ опубликованных данных показывает, что при малых мощностях (Pil Вт) стоимость модулей слабо зависит от мощности Pj. Для ориентировочных расчетов можно принять изменения Xi, приведенные в табл. 15.1. Принятые в табл. 15.1 градации ai соответствуют работе твердотельных усилителей на частотах в несколько гигагерц и учитывают необходимость принудительного охлаждения выходных каскадов модулей при Pil Вт и усложнение схемы выходных каскадов при Pi 10 Вт. Скачки стоимости в зависимости от Pi намечены ориентировочно; с изменением элементной базы, технологии изготовления, а также на других частотах указанные границы и значения Xi будут меняться. Выразим стоимость одного активного модуля С с выходной мощностью Pi через стоимость одноваттного модуля Ci вт с учетом формулы (15.1). При оценке стоимости активных модулей учтем также влияние серийности выпуска. В случае изготовления уникальных АФАР серийность изготовления модулей зависит от числа излучателей, а их розничная цена примерно обратно пропорциональна корню четвертой степени из серийности выпуска, что соответствует уменьшению стоимости пропорционально Л-° Тогда С - Ci ДГ-0,23 , (15.14) Стоимость возбудителя Сд при пассивной распределительной системе определяется по соотношению, аналогичному (15.13). Так как мощность возбудителя Рв зависит от коэффициента усиления Таблица 15.1
 модулей Кр, а также КПД фазовращателей 1]ф и распределительной системы Tjp, Р, = P,N/Kp,r] = иЮ.МцфЦКр, 1 Вт (15.15) где .2-0,6. Для обеспечения надежной работы АФАР возбудитель должен резервироваться; при этом стоимость Св возрастает в 2... 3 раза. В результате приходим к следующей стоимостной модели АФАР при пассивном распределителе: 01 / + (2...3)С, в. Й0111фТ)р/Ср (15.16) При активной распределительной системе стоимость АФАР складывается из стоимости пассивных элементов, которая остается такой же, как в предыдущем варианте и стоимости активных элементов, которая при использовании однотипных усилителей в выходных модулях, в распределительной системе и в возбудителе равна произведению стоимости одного модуля (15.14) на число усилителей (15.10). Кроме того, необходимо учесть, что для обеспечения надежности в этом варианте АФАР должны резервироваться примерно 30... 40% усилителей. Таким образом, стоимостная модель АФАР при активном распределителе С = Q 3, yV + Ci ф. Л -Ь Q 1,5.V + (1,3 ... 1,4) Сшт 01 / /СрТ)д-I 0,:7-2л-1 (15.17) Проанализируем выражения (15.16) и (15.17), которые могут быть использованы для прогнозирования стоимости твердотельных передающих АФАР. Для упрощения анализа положим Xi = 0,63; л:2 = 0,5, тогда (15.16) принимает вид (15.18) 1 = Q Вт 1 - Q изл + 1фв+Q лел U5, П nO.cs / П \°- Соответственно для (15.17) имеем где = Ci изл + фв -f 1,5 Ci дел = 1, (15.19) л:рТ)д-1 Из выражений (15.18) и (15.19) видим, что с увеличением N растут первые слагаемые и уменьшаются вторые. Это означает., что существует оптимальное число излучателей, при котором стоимость АФАР минимальна. Найдем yVopt из условия Ш =0, тогда 0,5 В, 2 --га (15.20) Для численного анализа стоимостной модели твердотельной передающей АФАР введем относительные стоимостные коэффициенты. Стоимость одноваттного активного модуля {С\ вт) условно примем за единицу и зададимся ориентировочно значениями других удельных коэффициентов (табл. 15.2). На рис. 15.2 приведены зависимости относительной стоимости (15.16) передающей АФАР с пассивной распределительной системой из числа излучателей в антенной решетке при различных значениях потенциала П для случая Z)oi = 3, Кр=\0, Т1фГр = 0,5. Из приведенных кривых видно, что оптимальное число излучателей iVopt увеличивается с ростом потенциала П и становится при этом менее критичным (минимум стоимости более расплывчатый). Штриховая кривая на рис. 15.2 показывает относительный рост ст0и.м0сти АФАР с увеличением требуемого потенциала П. Стоимость растет примерно пропорционально П. Представляет интерес сравнить стоимости АФАР и пассивной ФАР. Используя для пассивной ФАР ту же методику, что и для активной, определим стоимость ФАР как сумму стоимостей ее Таблица 15.2 Значения удельных коэффициентов
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 |