Проектирование антенны для организации связи в Ка диапазоне частот на линии «Спутник-Земля» (Разработка структурной схемы антенно-фидерного устройства)

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ АНТЕННО-ФИДЕРНОГО

  УСТРОЙСТВА              

2.1 Разработка схемы питания

В главе 2.1 требуется разработать схему питания ФАР. Сама схема питания образуется с помощью определенного соединения между собой фазовращателей (ФВ) и делителей мощности. В настоящее время известно большое число схем МА на решетках.        Но наиболее распространены МАР на основе параллельной (матрица Батлера) и последовательной (матрица Бласса) ДОС. Отличительным признаком МА на основе матрицы Бласса (рисунок 2.1), является возможность формирования веера оптимальных в каком-либо смысле ДН при произвольном числе излучателей и входных каналов антенны. Наличие диссипативных (тепловых) потерь позволяет развязать входные каналы МА за счет уменьшения КПД. Если число излучателей в МА, построенной по матрице Бласса, совпадает с числом ее входов, то можно исключить поглощающие нагрузки (рисунок 2.2). В этом случае получается модифицированная матрица Бласса. Преимуществом последовательной ДОС является возможность ее реализации при любом числе элементов решетки и такого подбора длин линий, на входах излучателей и между направленными ответвителями при, котором направления лучей оказываются не зависящими от частоты. Недостатком  последовательной ДОС является слишком большое число направленных ответвителей (НО). Различные фазовые распределения в МА с последовательной ДОС реализуется изменением углов наклона горизонтальных линий передачи (рисунок 2.1) или применением фиксированных фазовращателей (рисунок 2.2).

Особенностью матрицы Батлера и ее достоинством (рисунок 2.3) является возможность составления ДОС из одинаковых восьмиполюсных делителей мощности, например мостов, и набора фиксированных ФВ. Это же предопределяет и ряд недостатков такой антенны, к числу которых относятся: невозможность реализации с ее помощью амплитудных распределений специальной формы, обеспечивающих ДН с низким уровнем боковых лепестков, необходимость использования только бинарного числа излучающих элементов, то есть количество излучателей должно определятся целой степенью числа 2    (но в нашем случае это не играет ни какой роли так, как число лучей по заданию N=2³=8); частотно-зависимое положение лучей в пространстве. Пересечения ЛС в параллельнойсхеме можно исключить, но только путем ее усложнения. Дополнительно в нее вносятся элементы, ( рисунке 2.4.) НО с полной связью и ФВ на π.

Тем не менее параллельная ДОС выгодно отличается от последовательной, во-первых, принципиальным отсутствием поглощающих элементов, во-вторых идеальным равноамплитудным  и линейным фазовым распределениями возбуждения, в-третьих, гораздо меньшим числом направленных ответвителей.

 Общим недостатком МА на основе матричных ДОС является наличие большего числа направленных ответвителей и фиксированных ФВ, а также сложной разветвленной фидерной схемы. Число НО зависит от числа формируемых лучей (каналов) N. Для полной и модифицированной матрицы Бласса (для нашего случая N=8):

                                                      ,                                                  (2.1)

где М_М – число НО;

       N – число формируемых лучей

                                                                                            (2.2)

Для матрицы Батлера:

                                                                                (2.3)

Число ФВ для матрицы Батлера:

                                                                                                   (2.4)

Из графиков приведенных на рисунке 2.5, видно, что при одинаковом числе лучей N  матрица Батлера (кривая 3) содержит меньше элементов, чем матрица Бласса (кривая 1) и модифицированная матрица (кривая 2).

Рассматривая достоинства и недостатки приведенных выше модификаций схем питания ФАР можно сделать следующие выводы: наличие у последовательной  матрицы таких недостатков, как наличие большего числа НО, что ухудшает ее стоимостные и масс габаритные показатели, и сниженного КПД из-за потерь мощности в нагрузках отодвигают данную схему при рассмотрении на второй план. Применение матрицы Батлера позволяет устранить данные недостатки последовательной схемы, при этом параллельная схема является более широкополосной. Вышеперечисленные особенности позволяют рассматривать в качестве основной, для проектируемой системы, параллельную ДОС.

Принципиальная схема МА на основе ДОС Батлера для восьмилучевой антенны изображена на рисунке 2.6. Основными элементами ДОС (рисунок 2.6) являются квадратурные 3 дБ направленные ответвители. В каждом ответвителе мощность с любого нижнего входа распределяется между верхними входами с дополнительной задержкой по фазе π/2 при прохождении мощности «по диагонали» ответвителя (рисунок 2.7). Наряду с ответвителями, в параллельной ДОС, также используются фиксированные фазовращатели (линии задержки (ЛЗ)), показанные квадратиками, с вписанной в них величиной фазовой задержки в радианах. За