|
| |
|
Слаботочка Книги с, усед.  С, усед.  О 200 т 600 800 Н Рис. 15.2 О 200 Ш 600 800 !Q00 Рис. 15.3 функциональных узлов. Выразим удельные стоимости элементов пассивной ФАР (обозначены индексами (п) сверху) через аналогичные величины АФАР: С( )1.изл = С, зл, С , фв= (1,2 ... 1,4) Ci фв - увеличение стоимости на 20... 40% мощных фазовращателей в ФАР объясняется необходимостью более производительных устройств охлаждения, а также использованием более мощных переключающих диодов; дел= (1,1 ... 1,2) С, дел - увеличение стоимости на 10... 20% делителей в каналах с высоким уровнем мощности объясняется высокими требованиями к технологии их изготовления для повы-щения их электрической прочности. В соответствии с соотнощением (15.13) и с учетом двух- или трехкратного резервирования стоимость передатчика прд ~ (2 3) С, вт ( , £о1.¥т)фт)р где .г-0,6. Тогда для стоимостной модели типовой пассивной ФАР на основе приведенных выше выражений получае.м ,yv-f (1,2... l,4)Ci43yV-f (1,1 ... 1,2)с1двл(1 ...2)yV-f + (2 ... 3)С,в. (15.21) На рис. 15.3 построены зависимости стоимости в условных единицах от числа излучателей в антенне для потенциала П = = 10 Вт, /Ср=10, Z)oi = 3, т)фг)р = 0,5, дг = 0,6 (кривая / - стоимость ФАР без учета резервирования; кривая 2 - АФАР с пассивным распределителем с учетом снижения стоимости за счет серийности изготовления модулей; кривая 5 - ФАР с двухкратным резервированием). Из сравнения кривых видно, что при принятых условиях стоимости ФАР и АФАР оказываются достаточно близкими. В ходе  сравнения стоимостей ФАР и АФАР большое значение имеет срок службы активных модулей и передатчика пассивной ФАР. В 1[3] отмечается, что стоимость замены активных блоков в среднем только вдвое меньше их начальной стоимости. Если сравнить стоимости твердотельной АФАР и ФАР с передатчиком на электровакуумных приборах с учетом их жизненного цикла [4], то, например, за 5 лет эксплуатации преимущества АФАР оказываются весьма существенными. Необходимо отметить, что значения удельных стоимостных коэффициентов могут значительно различаться и будут зависеть от уровня технологической оснащенности производства, использования узлов и элементов, выпускаемых массовым тиражом, или налаживания производства новых деталей и полупроводниковых приборов, от требований к точности изготовления, стабильности и ряда других факторов. Независимо от конкретных стоимостных коэффициентов расчетные соотношения и характер приведенных кривых сохраняются. Таким образом, рассмотренные стоимостные модели позволяют решать ряд задач, связанных с минимизацией стоимости передающих АФАР: 1) определять оптимальное число излучателей передающей АФАР, обеспечивающее минимизацию ее стоимости при заданном энергетическом потенциале; 2) разрабатывать оптимальную по стоимости пассивную или активную схему распределительной системы (в том числе варианты работы одного усилителя на несколько излучателей или наоборот, нескольких усилителей на один излучатель) при заданном энергетическом потенциале; 3) прогнозировать стоимость АФАР, если кроме энергетического потенциала задается также ширина ДН (т. е. число излучателей в АР). В заключение отметим, что принятая зависимость стоимости усилителя от значения высокочастотной мощности на его выходе является хотя и наиболее универсальной, но не единственно возможной. Например, в [5] используются иные законы изменения этой зависимости - экспоненциальный, параболический, смешанный. К сожалению, результаты расчетов при использовании перечисленных моделей не совпадают. Для конкретного производства и условий применения следует уточнять указанные зависимости. 15.3. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АКТИВНЫХ ФАР Для многочисленных применений АР существенное значение имеет спектр излучаемых частот. Как указывается в [6, 7], он является одним из основных критериев при выборе схемы построения и необходимой элементной базы активных ФАР в радиолокационных системах с непрерывным излучением, импульсно-допле-ровских РЛС малой скважности и др. 11-178 321 При прохождении сигналов через активные элементы АФАР (или передатчик ФАР) в спектре выходного колебания наряду с гармониками входного сигнала имеют место дополнительные составляющие, обусловленные нелинейными преобразованиями колебаний в различных каскадах усилителей активных модулей (АМ) (или усилителей передатчика), автогенерацией за счет обратных связей, внешними электрическими и механическими воздействиями и внутренними шумами активных приборов. Колебания, лежащие вне занимаемой полосы передаваемого сигнала, ослабляются до требуемого уровня соответствующими фильтрами и применением схемных решений, устраняющих паразитную генерацию. Однако наличие паразитной модуляции по цепям питания усилителей и технологических разбросов их параметров, а также собственных шумов приводит к появлению побочных излучений с частотами, расположенными весьма близко к несущей [8]. Таким образом, спектр поля излучения искажается, уменьшается отношение сигнал-шум в заданном направлении пространства. Следовательно, ухудшаются дальнометрические и точностные характеристики радиосистем с ФАР или АФАР. Рассмотрим специфические для АФАР вопросы, связанные с искажением спектра сигнала возбудителя из-за действия различных временных дестабилизирующих факторов. К таким факторам при анализе устройств формирования, передачи и усиления колебаний относят мультипликативную и аддитивную помехи [9]. Функциональная схема исследуемой передающей АФАР с АМ в каждом канале [1] и пассивной распределительной системой показана на рис. 15.4, где а - нормированная амплитуда волны на выходе возбудителя; {An} - нормированные амплитуды волн, падающпх на входы согласованных невзаимодействующих излучателей; -число излучателей. Обозначим .мощность, излучаемую п-м элементом решетки, как P,j = / / , где / = Л - нормированная амплитуда тока. Полагая распределительную систему АФАР согласованной, имеем An=aKWH = aKn, (15.22) где AfPn, Нп - комплексные коэффициенты передачи соот- ветственно распределителя, фазовращателя и активной части модуля (усилителя) п-го канала АФАР. Пусть на усиливаемый АМ сигнал накладывается аддитивно помеха, обусловленная собственными шумами усилителей. Тогда сигнал на входе п-го излучателя может быть представлен в виде (15.23) где Пп(0 - нормированная комплексная огибающая тока излучателя п-го канала, обусловленная собственными шумами усилителей [Пп (О считаем узкополосным стационарным случайным процессом]. V.. V Y
 Рис. 15.4 Рис. 15.5 Шумы усилителей каналов АФАР принимаем независимыми [6] С учетом (15.23) комплексная огибающая (ДН) одномерной АФАР E(G, ф, 0 = ni(9. ф) 2 (0 = = 01 (9. Ф) Fn (е, ф) а (О + S Пп (О ехр (/ ) где f.v(e, ф) = S К°пехр (/Чп) - множитель линейной решетки при единичной амплитуде волны возбудителя. Автокорреляционная функция процесса Е(е, ф, t) (т. е. поля излучения) R{Q, ф, т) = Е(е, ф, о.Е;(е, ф, +х) = \FoF,FN\Ra{)+\FoEi\i:Rn{-). где/? (т)=- Y(0 ( + t) -автокорреляционная функция сигнала на выходе возбудителя; Г) -период колеоании; Kn(t)-= lini -L п (/)Пп(Нт)( -автокорреляционная функция шу- MOB [9] на выходе АМ я-го канала. Тогда усредненный энергетический спектр поля излучения S(e, ф, /) = (е, Ф, T)=\FoF,FN\SAf)+\FoFi\I.SAf), (15.24) где Sa(i)= j?o(х)e-Jrfx - энергетический спектр сигнала на выходе возбудителя; 5 (f)= /? (x)e-i2nAdx - энергетический спектр шума на выходе АМ. п-го канала АФАР. Для пассивной ФАР энергетический спектр поля излучения Sn (6. Р. f) = \PoFiFN\ is. (/) -f 5 if)], (15.25) где 5ш(/) - энергетический спектр шума передатчика. Если АФАР представляет собой решетку равноамплитудных (/Ci = /C2= - =Kn=K) невзаимодействующих излучателей и усилители АМ имеют идентичные статистические характеристики, выражение (15.24) для усредненного энергетического спектра принимает вид s(e, ф. f)-\PoFimaKl\Fj?(Q, fp)\8{f)+S,{f)/NaK\ (15.26) где FWjv(e, ф) -нормированный множитель решетки прн единичных амплитудах возбуждения излучателей; si (/)/а7(2 - энергетический спектр шума на выходе AlMv отнесенный к несущему колебанию; /С=/СР/С<*Я°; sa(/)=6(/)a2 в случае монохроматического сигнала возбудителя. Соответственно для пассивной ФАР s (e. ф. f)= \Р,РуЩ>аЮ [Р]? (е, )\l6{f) + Sif)/aK% (15.27) где sm(/)/a/C - энергетический спектр шума передатчика на входе излучателя, отнесенный к несущему колебанию. Следует отметить, что энергетический спектр поля излучения АФАР и ФАР состоит из дискретной спектральной линии, соответствующей монохроматической составляющей выходного сигнала, и непрерывного спектра, обязанного шуму усилителей. Поскольку шумы усилителей каналов АФАР не коррелированы между собой, непрерывная часть энергетического спектра поля излучения решетки повторяет в пространстве ДН единичного излучателя (рис. 15.5, кривая 2). Таким образом, в главном лепестке ДН уровень побочных излучений, обязанный шуму усилителей модулей АФАР, заметно ослаблен по сравнению с пассивной ФАР, кривая 3. Распределение по координате 9 монохроматической составляющей выходного сигнала АР соответствует кривой /. На рис. 15.5 зависимости составляющих энергетического спектра от угла 0, относящиеся к непрерывной части спектра, выполнены на частоте удаления от несущей на 1 кГц, а огибающая энергетического спектра шума усилителей СВЧ передатчика ФАР и AIM АФАР аппроксимирована функцией 5ш if) = s (/) = 2С/[А + (2я ff] = 36.10-2 /[3.6.10 -f- (2л /) ] со значением 10- относительно уровня несущей при отстройке на 1 кГц и полосе на уровне -3 дБ, равной 6-10 Гц. Кроме того, принималось N=21, А(афар) = а(фар) 324 При передаче сигнала rto каналам излучателей афар помимо аддитивной помехи имеют место паразитные изменения во времени параметров АМ (коэффициента передачи), вызванные случайными возмущающими воздействиями, приводящие к искажению самого сигнала (случайная мультипликативная помеха). В общем случае АМ являются нелинейными элементами. При малых уровнях возмущающих воздействий (флуктуации напряжения источников питания, механических вибраций и др.) для определения энергетического спектра поля излучения воспользуемся методом статистической линеаризации, представив коэффициент передачи усилителя Я , входящий в уравнение (15.22), в виде Нп Я° -f- (at ) -f у рсо)) V. (0. (15.28) где Н°п - номинальный коэффициент передачи усилителя; а(°) , р<°> - абсолютные коэффициенты чувствительности действительной и мнимой частей коэффициента передачи усилителя п-го канала к изменению возмущающего воздействия; Vs (О - флуктуации возмущающего воздействТ1я. Учитывая (15.28), коэффициент передачи тракта п-го канала представим в виде n = °vn(0. (15.29) где K°n = /(Pn/C*>n ° - номинальный коэффициент передачи п-го канала АФАР; v (0 = 1+(a-b/pvo; а = а< ) /Я° , p°n = p°n /°n - относительные коэффициенты чувствительности. Зависимость коэффициента передачи (15.29) канала АФАР от времени приводит к случайной модуляции сигнала возбудителя [9] Пусть различия в чувствительности отдельных усилителей невелики и сама эта чувствительность мала, т. е. \{К + }К)ЛЩ<и aO-ia(l-fa ); р° р(1 + рп). (15.30) где а, Р - номинальные значения относительных коэффициентов чувствительности, одинаковые для всех усилителей; а , р - случайные величины, распределенные по нормальному закону со следующими статистическими характеристиками. <а )-<р >=0, (а Р >=гб , 1 при n=m, О при пфт. (15.31) Здесь г - коэффициент корреляции случайных величин Оп и рт, принимаемый в дальнейшем-равным нулю. Обозначим усреднение по ансамблю АФАР как < ... >; усреднение по времени-чертой сверху;---преобразование Фурье. 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 |
|||||||||||||||||