презентация1

1.

Фазовый способ качания луча.
Непрерывный и дискретный способы управления фазовым
распределением
При последовательной схеме на участках питающей линии между соседними
излучателями включены одинаковые фазовращатели (рис. а), поэтому для
управления ими нужен только один сигнал. Система управления решеткой
весьма проста, что является основным достоинством последова-тельной схемы.

2.

Параллельная схема может иметь фидерное (см. рис. б) или
пространственное питание. Ее основной недостаток – сложность системы
управления, так как каждый фазовращатель должен управляться по своему
закону.

3.

Влияние дискретности управления фазовым распределением на параметры
решетки
Отражательный полупроводниковый фазовращатель

4.

На рис. показано линейное фазовое распределение в линейной решетке
, где
- разность фаз между соседними излучателями, обеспечивающее
отклонение главного максимума диаграммы направленности решетки на угол
, n - номер излучателя. Точками на оси абсцисс показаны места расположения
излучателей решетки. Излучатели занумерованы цифрами 12,3,4,5...n...N. По
оси ординат отложено значение фазы
.
Горизонтальные сплошные линии проведены на уровнях, кратных дискрету
управления фазой . За счет дискретности управления фазой требуемая фаза в
каждом излучателе округляется до ближайшего значения, кратного величине
. Полученное таким образом фазовое распределение
получается
ступенчатым и показано жирной линией на рис.

5.

Линейное и дискретное фазовые распределения
с учетом сброса фазы на 2p

6.

При дискретном фазовом распределении решетка как бы
разбивается на синфазные подрешетки. В системе подрешеток
фазовое распределение линейное.
Чем больше дискрет, тем сильнее выражены эти нежелательные
эффекты. Вместе с тем, уменьшение дискрета приводит к
усложнению фазовращателей, их стоимости. Поэтому обычно
используются дискреты π/2, π/4, π/8 и редко π/16.

7.

Временной способ сканирования
Для
обеспечения
частотнонезависимого
сканирования
применяется временной способ, который можно рассматривать
как разновидность фазового способа сканирования.
Реализация временного способа сканирования на несущей
частоте связана с необходимостью выполнения требования
малых потерь и высокой точности регулировки УЛЗ. Данную
проблему можно решить, перенеся процесс управления фазовым
распределением (фазирование) на промежуточную частоту.

8.

Схема приемной ФАР

9.

Варианты размещения излучателей в раскрыве ФАР
С геометрической точки зрения, наиболее естественно размещать
элементы (точнее, их фазовые центры) в:
1)узлах прямоугольной (рис. а) сетки (
2)треугольной (гексагональной, рис. б) сетки (
)
)
Расстояние между элементами определим из условия обеспечения
единственности главного максимума θm:

10.

Варианты размещения излучателей в раскрыве ФАР

11.

Воспользуемся методом эквивалентной линейной решетки.
Согласно этому методу ДН двумерной ФАР в произвольной
плоскости
равна ДН эквивалентной линейной решетки,
представляющей собой отрезок прямой
в пределах
раскрыва
с
излучателями,
местоположение
которых
определяется путем проекции координат реальных излучателей
на эту прямую (см. рис. а) с сохранением амплитуд и фаз
возбуждения.

12.

Требование единственности главного лепестка примет вид:
где
плоскостях
– максимальные углы сканирования в
(XZ) и
(YZ) соответственно.

13.

При
следует использовать квадратную сетку
dx=dy=d, в которой на один элемент решетки приходится
площадь
На один элемент в решетке с треугольной структурой приходится
площадь:

14.

примерно на 15% превышающая площадь элемента в
квадратной сетке
Следовательно, размещение элементов ФАР в узлах
треугольной сетки более экономно.
С целью определения числа элементов в решетке можно
получить удобные для инженерной практики оценочные
формулы. Для прямоугольной решётки получим:

15.

после вычислений получаем:
Как уже отмечалось, помимо регулярного возможно и нерегулярное
размещение излучателей в решетке. Последнее позволяет добиться
практически полного подавления побочных главных максимумов при
относительно небольшом числе слабонаправленных излучателей, которое во
много раз меньше числа излучателей в ФАР с регулярной структурой. Этот
способ аналогичен использованию линейных неэквидистантных антенных
решеток.
Серьезными недостатками разреженных решеток с нерегулярным
расположением излучателей являются низкий коэффициент использования
площади, а также необходимость индивидуального управления фазой
каждого излучателя.

16.

Система фазирования в ФАР
Методы управления фазовым распределением.
Система фазирования состоит из электрически управляемых
фазовращателей, т.е. устройств изменяющих фазу проходящей
волны под воздействием управляющих электрических сигналов.
Фазовращатель представляет собой отрезок линии передачи
длиной L, в котором длина волны равна
. Фазовый сдвиг
,
вносимый фазовращателем, связан с длиной фазовращателя L и
длиной волны
известным соотношением:

17.

Для волноводных конструкций, в которых длина волны зависит
от длины волны в вакууме , критической длины волны и
относительных диэлектрической e и магнитной проницаемости m
среды, заполняющей полость волновода:

18.

Из приведенных выше формул следует, что величину
менять тремя способами:
а) изменением L;
б) изменением e;
в) изменением m.
можно

19.

Способ "а" реализуется в фазовращателях, построенных с
использованием полупроводниковых коммутационных p-i-n диодов.
Эти диоды работают в ключевом режиме и производят коммутацию
отрезков волновода разной длины L. Способ "б" используется в
фазовращателях, построенных с применением сегнетоэлектриков.
Способ "в" - в фазовращателях на основе намагниченных ферритов.
В антенных решетках, в основном, используются фазовращатели на
p-i-n диодах и на ферритах.

20.

Дискретные фазовращателя состоят из нескольких последовательно
соединенных звеньев (каскадов). Каждое звено в зависимости от
управляющего сигнала (например, в цифровой форме сигналов 0 и
1) дает два значения фазы и поэтому называется бинарными.
Первое значение фазы условно принимается за 0, второе — j.
На рис. каждый прямоугольник обозначает одно бинарное звено
фазовращателя. Через точку с запятой показаны каждое из двух
значений фазы, которые дает одно звено. Внизу показаны цифровые
управляющие сигналы в виде 0 и 1, подаваемые на каждое звено со
специальной схемы. Левые сигналы (0) соответствуют первому
значению фазы (0), правые сигналы (1) соответствуют второму
значению фазы, разному в каждом звене.

21.

Дискретный четырехзвенный фазовращатель

22.

Фазовращатель с дискретом изменения фазы

23.

Значения цифровых сигналов.

24.

Фазовращатель с дискретом изменения фазы

25.

Конструкции полупроводниковых и ферритовых
фазовращателей.
Для
примера
рассмотрим
два
типа
полупроводниковых
фазовращателей. На рис. показана схема построения бинарного
фазовращателя на переключаемых отрезках линий передачи.
Отражательный полупроводниковый фазовращатель

26.

Принцип работы фазовращателя заключается в следующем. В
соответствии со свойствами p-i-n диодов при положительном
смещении на диодах Д1, Д2 и отрицательном на диодах Д3, Д4
сопротивление диодов Д1, Д2 близко к нулю, а диодов Д3, Д4 более
10 кОм. Поэтому вход фазовращателя соединен с выходом через
отрезок линии длиной L1, и фаза волны на выходе по сравнению со
входом будет равна
, где l - длина волны в полосковой
линии.
Если поменять полярность напряжения смещения на диодах на
противоположную, вход фазовращателя будет соединен с выходом
через отрезок L2. В этом случае фаза волны на выходе по
сравнению со входом будет равна
.

27.

Разность фаз на выходе фазовращателя для этих двух состояний
диодов получается равной
Первое значение фазы принимается за 0, второе будет равно
Выбором величины L2-L1 можно принципиально обеспечить любое
значение дискрета изменения фазы.

28.

Вторая схема полупроводникового фазовращателя показана на рис.
Реализуется такой фазовращатель на различных типах линий
передачи - прямоугольных волноводах, коаксиальных, полосковых
линиях
и
называется
отражательным.
Используется
в
отражательных антенных решетках.
Отражательный полупроводниковый фазовращатель

29.

В ферритовых фазовращателях используется зависимость
магнитной
проницаемости
феррита
от
постоянного
управляющего магнитного поля. Рис. поясняет одну из
возможных
конструкций
фазовращателя
на
феррите.
Фазавращатель состоит из отрезка прямоугольного волновода,
ферритовой пластины, расположенной вдоль оси волновода, и
электромагнита, создающего управляющее магнитное поле Ho. В
волноводе используется основная волна H10. Изменение тока,
текущего через обмотку электромагнита, приводит к изменению
магнитного поля Ho, магнитной проницаемости феррита и длины
волны в волноводе
. В результате меняется фаза волны на
выходе фазовращателя по отношению ко входу.

30.

В дискретных ферритовых фазовращателях используются
ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса, и два
значения фазы на выходе фазовращателя соответствуют
двум состояниям намагниченности феррита до насыщения.
Переход от одного состояния к другому производится
изменением направления постоянного магнитного поля Ho
на противоположное.

31.

Ферритовый фазовращатель

32.

В дискретных ферритовых фазовращателях используются
ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса, и два значения
фазы на выходе фазовращателя соответствуют двум состояниям
намагниченности феррита до насыщения. Переход от одного
состояния к другому производится изменением направления
постоянного магнитного поля
на противоположное. Для
достижения каждого состояния через обмотку электромагнита
пропускаются
короткие
прямоугольные
импульсы
тока
противоположной полярности. Фаза волны на выходе
фазовращателя,
соответствующая
одному
состоянию,
принимается за нуль. В другом состоянии фаза волны на выходе
равна заданному значению.

33.

Скорость изменения фазы в ферритовом фазовращателе зависит от
постоянной времени электромагнита. Для уменьшения постоянной
времени
применяются
специальные
сплавы
для
сердечника
электромагнита или электромагнит делается без сердечника. На рис.
схематически показан ферритовый фазовращатель с поперечным
подмагничиванием без сердечника. Продольный проводник, по которому
пропускается импульс тока, создает азимутальное магнитное поле.
Феррит выполняется в виде цилиндра прямоугольной или круглой формы
с отверстием по оси для продольного проводника и вставляется в
волновод с волной H10 (на рис. внутреннее пространство волновода
показано
штриховой
линией).
Азимутальное
магнитное
поле
намагничивает левую и правую половины ферритового цилиндра полем
противоположного направления, что усиливает эффект влияние феррита
на фазовую скорость электромагнитной волны.

34.

Ферритовый фазовращатель