СИНТЕЗ АДАПТИВНЫХ СОГЛАСУЮЩИХ УСТРОЙСТВ СВЧ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

C.B. Куликов

майор, преподаватель

A.B. Зеленков

подполковник, старший преподаватель

Д.А.Скворцов

старший лейтенант, оперативный дежурный Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург

СИНТЕЗ АДАПТИВНЫХ СОГЛАСУЮЩИХ УСТРОЙСТВ СВЧ

Синтез адаптивных согласующих устройств СВЧ для РЛС с АФАР новая. Она построена на основе классического подхода к синтезу устройств СВЧ, основанного на методе Кона, суть которого заключается в переходе от низкочастотного прототипа к схеме с распределёнными параметрами. Методика разработана для комплексных нагрузок и позволяет осуществить выбор структуры и параметров согласующих устройств, обеспечивающих минимальный коэффициент стоячей волны по напряжению при изменении входного комплексного сопротивления излучателя при заданных ограничениях на массогабаритные характеристики согласующих устройств. В отличие от известных методик, в ней используется возможность управления параметрами реактивного четырехполюсника при изменении входного комплексного сопротивления излучателя при сканировании, возникающее из-за их взаимного влияния.

1. Задаются исходные данные для расчёта СУ, среди которых частоты, определяющие центральную и граничные частоты полосы пропускания (ПП) и уровни пульсаций в ПП.

Исходными данными являются: линейная центральная резонансная частота Г0 (или длина волны); ц>— относительная ширина основной полосы пропускания, где ю =Дю/ю0, Дю — абсолютная протяженность полосы пропускания на резонансной частоте, ю0=2яГ0 — круговая центральная частота полосы пропускания, Рс — мощность сигнала на входе

согласующего устройства, —сопротивление источника питания, М—диапазон перестройки рабочих частот, = г2 — — диапазон перемещения луча диаграммы направленности антенны по углу места, КН=КГ=1 — нормированные сопротивления нагрузки и генератора; уровень пульсаций в полосе пропускания Ьг.

2. Выбирается вид аппроксимации требуемой характеристики затухания и расчёт требуемого

Рис. 1. Общая схема методики синтеза АдСУ

МБЛН 01? СОММиШСЛТКЖ Б((ШРМБШ: Iss. 1 (141). 2018

числа элементов лестничной схемы фильтра прототипа. Выбор структуры СУ заключается в определении общего количества резонаторов N.

3. На основе метода низкочастотного прототипа, определяются g — параметры, по которым рассчитываем параметры отрезков линии СУ, определяем волновое сопротивление каждого отрезка и его электрическую длину. В зависимости от выбранного вида аппроксимации определяются значения §-параметров [6].

4. По соотношениям (1-2) определяются значения коэффициентов инверторов проводимости. От уровня пульсаций Ьг зависят значения §-параметров элементов НЧ прототипа (§0... ёп+1)' параметры инверторов зависят от относительной полосы пропускания м>.

I п

^=п-2^; С2 = ск

к = 3 - п -1

если, п = 3

при п > 3 = 2dg22; Сп

п>3 g0 gngn—l

п

А .

п

Сп

п

п>3 = gogngn-1-pг; С2= g2(1-d), С2= ^ п

С Г _Г7 ГГ Г7 п _ Г7 Г7 Г

к | к=3-п~Ск-1, Ск - Ск ~Ск

Г 1 . Г 1 ССЗ.

ГА = —; Г 23 =-

(1)

п

g0 V g2 gз

( Г Л Г23 2 + Г С'&е 1 ]

1 ГА ) 1 go )

N23 =,

01 = ^[1-; "=(./2 ^./1)/;

Параметры инверторов, нормированные относительно волновой проводимости нагрузки, равны

J^2 Са Цг = g0<

Г

к ,к+1 Га

g0Са

к=2,...п-2

'к ' ^+1

' п 1,п _ \Cagn +1

ГТ=^

(2)

^0 • gn-1

где Са = 2А%Ъ ё = 1, §0 , значения

элементов фильтра-прототипа нижних частот.

Волновые проводимости параллельных шлейфов определяются формулами [6];

Гц = goГflй1(1 -d)gltg01 + Га (N12 - /12 / Га ) ;

Гп \ = Га N-1,к + Nk,к+1 "

к=2,...п~1 ; (3)

— ¿к=1.к / Га ~ ¿к ,к+1 / Га ) Гп = ГаЮ1(8п§п+1 " ^001 + Га (Nn-1,п ~ Гп-1,п / Га ) 5

01 = =п а _ *);

2га

(4)

N

к,к+1

к=1,...п-1

(/к,к+1) + (goо>1 С^01 )2 (5)

Г

л

4

где ю^ — частота среза фильтра нижних частот; w= ( ю2 — ш^/ ю0 — относительная ширина полосы пропускания; ю2,— верхняя и нижняя граничные частоты полосы пропускания на уровне пульсаций характеристики затухания; ю0 — центральная частота. Волновые проводимости соединительных линий (инверторов) равны

Гкк+11 = Га (¿кк+1/ Га ) • (6)

к=1,...п-1

2вх.Ом

70

-1 ........1........ - - - -

! ........}..,„,., — ........

........|........ ........ ........

........! ! ^ ........ ........ .......

у ........ :::

21........ ........ ........

; 1 - -

01 01 06

2вх.Ом

ом

004

е. рад

шлейфа

шле йф 1 ■

ед.л

со ян.

!

0} 01 ОБ 0«

11 е.рад

Рис. 2. Изменение параметров шлейфов при различном положении луча в пространстве а) изменение входного сопротивления б) изменение параметров шлейфа

А«тв»им с«стм

Рис. 3 Зависимость изменения входного сопротивления шлейфа от количества элементов коммутации

.............г г .V*

1 гл / \ а! ,= 1

^ г1 ...............................

> с

Стя« атспим чктэтл

5. По рассчитанным значениям коэффициентов инверторов осуществляется расчёт значений длин участков соединительных линий, выступающих в качестве элементов связи.

На рисунке (2а,б) приведены результаты моделирования параметров отрезков линий согласующего устройства при изменении положения луча в пространстве.

Из рисунка 3 видно, что при увеличении числа диодов точность подстройки увеличивается, за счет изменения входного сопротивления и уменьшения его к требуемому значению, что в свою очередь приводит к снижению коэффициенту стоячей волны и к улучшению качества согласования.

Таким образом, подключение коммутирующих элементов в отрезок линии позволяет обеспечить, достаточный уровень коэффициента стоячей волны.

6. Приступаем к этапу моделирования и получения характеристик синтезированного АдСУ.

Определение входного сопротивления СУ осуществляется путем пересчёта сопротивления нагрузки Ъ через соответствующий отрезок передающей линии по известной формуле

Zвx=W

w+jztgë

где W — волновое сопротивление линии, 0 — электрическая длина отрезка передающей линии.

Из рисунка 4видно,чтопри отклонении луча диаграммы направленности от нормали, входное сопротивление СУ изменяется, что приводит к изменению выходных характеристик СУ и приводит к потерям мощности сигнала.

Построение выходных характеристик СУ заключается в вычислении зависимостей коэффициента отражения Г, коэффициента стоячей

1

ШТШ 1 лЛ* 'А ■Л КЛ

£ ; -г .......

Отккятелкши част«та

6)

Рис. 4. Определение активной а) и реактивной б) составляющей при отклонении положения луча от нормали

волны КСВН, затухания в полосе пропускания и фазовой характеристики Ф от частоты. Расчёт этих характеристик проводится по известным формулам.

Г =

^ ~ ^вх

^ + ^вх

, КСВН = (1 + Г)/(1 - Г),

L = 101ё[ 1/( 1-|Г|2)] ,Ф = (JmГ)/^еГ).

7. Результаты моделирования показали, что при увеличении нагрузки растет влияние входных сопротивлений СУ и следствие ведет к ухудшению характеристикАР.

Применение АдСУ позволило улучшить характеристики АР за счет применения коммутирующих элементов.

8. Проверка условия удовлетворяет ли СУ предъявляемым требованиям, при положительном решении можно переходить к этапу практической реализации и проведении эксперимента (п. 10). При отрицательном исходе нужно вернуться к 4 и 5 этапам и провести анализ характеристик с откорректированными размерами (п.9). Особенности этапа реализации будутрас-смотрены в разделе 3.

MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 1 (141). 2018

Рис. 5. Зависимости коэффициента отражения Г а), коэффициента стоячей волны КСВН б), затухания в полосе пропускания в) и фазовой характеристики Ф от частоты г)

Новизна данной методики, заключается в увеличении функциональных возможностей согласующего устройства СВЧ за счет использо-

вания в устройстве коммутирующих элементов и устройства управления ими. Это позволит использовать его в многоканальных антенных си-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

стемах, где используют электронное управление положением луча в пространстве, для согласования изменяющегося входного сопротивления антенн.

1. Бердышев В.П., Синицын A.B. Развитие методов синтеза и построения фильтрующих устройств СВЧ на неоднородных линиях. Часть 1. - Тверь: ВУ ПВО, 2001, - 184 с.

2. Бердышев В.П., Синицын A.B. Развитие методов синтеза и построения фильтрующих устройств СВЧ на неоднородных линиях. Часть 2. - Тверь: ВУ ПВО, 2002, - 218 с.

3. Фильтры и цепи СВЧ. Пер. с англ. Л.ВАлексеева, АЕ.Знаменскош, В.С.Полякова.- М.: Связь, 1976.-248 с.

4. Вай Кайчень. Теория и проектирование широкополосных согласующих цепей.- М.: Связь, 1979.-287 с.

5. Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.И., Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р Справочник по элементам полосковой техники / под редакцией Фелвдштейна. — М.: Связь, 1979г.-33б с.

6. Д.И.Воскресенский, и др., Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток).- М.: Радио и связь, 1981. - 431 с.

7. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - СПб.: Лань, 2003, - 832 с.