Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств

Подождите немного. Документ загружается.

одно переключение, при обзоре полного сектора ±90°

равна:

2/V =~ШГ'

48)

где N— число излучателей.

Если излучатель с неуправляемой фазой находится

в середине антенны, то величина скачка вырастает

в 4 раза [Л. 20]

Частота переключений каждого излучателя зависит

от его положения и от периода обзора Т„^ С наиболь-

шей частотой должен переключаться крайний излуча-

тель.

Если излучатель с неуправляемой фазой находит-

ся в середине антенны, то наибольшая частота переклю-

чений

— = 4т\Ж-

49)

Если излучатель с неуправляемой фазой находится в на-

чале антенны, то г

акс оказывается в 2 раза больше

Практически переключение излучателей происходит

не мгновенно, а за некоторое время т, в течение которо-

го излучатель фактически не работает. Допустимое вре-

мя переключения может быть выражено через допусти-

мую расфазировку a = /

/Lcos§ [Л 20], где /

—

длина

расфазированной части антенны;

nkL •

(

°)

Величина

доп

имеет порядок 0,01.

Свойства коммутационных антенн во многом опреде-

ляются характеристиками применяемых в них коммута-

торов и коммутационных фазовращателей. Управление

коммутационными приборами, как и обычными фазо-

вращателями, может производится как механическим,

так и электрическим способом. Однако в коммутацион-

ных антеннах следует отдать предпочтение электрическо-

му управлению, так как здесь быстродействие переклю-

чателей должно бьиь как можно выше Примером элек-

[рически управляемых коммутаторов может служить

антенный переключатель импульсных радиолокацион-

ных станций, в котором используются свойства изотроп-

ной плазменной среды. Коммутаторы с электрическим

управлением могут быть сконструированы также на

26—2541 401

основе использования свойств высокочастотных ферри-

тов.

Например, управляемые с помощью ферритов щели,

рассмотренные в § 8-2, могут быть использованы как

коммутируемые излучатели с М = \; 2; 4 и т. д. в зави-

симости от способа переключения намагничивающих

полей.

Полупроводниковый коммутатор (выключатель) обыч-

но представляет собой небольшой отрезок длинной ли-

Рис 8-40. Эквивалентные схемы коммутируе-

мых излучателей

/ — питающий волновод с волновым сопротивле-

нием р; 2 — реактивный четырехполюсник, отобра-

жающий связь с питающим волноводом; 3 — реактив-

ный четырхполюсник, отображающий связь с излу-

чателем, 4— двухполюсник, отображающий точечный

коммутатор.

нии, соединяющей питающий волновод с излучателем.

Если размеры коммутаторов много меньше длины вол-

ны и переносом энергии волнами высших тиг<ов, возни-

кающими в области включения диода, можно пре-

небречь, то работа коммутатора с достаточной для прак-

тики точностью характеризуется одной из эквивалентных

схем, приведенных на рис. 8-40. Условия малости разме-

ров коммутатора в случае применения точечных диодов

выполняются вплоть до сантиметрового диапазона ра-

диоволн; пренебрежение же высшими типами волн дает

некоторую погрешность главным образом и определении

402

коэффициента коммутации (см. ниже). Одна из возмож-

ных конструкций коммутируемого излучателя представ-

лена на рис. 8-41; его эквивалентная схема имеет вид,

показанный на рис.

8-40,а.

Наиболее просто анализ ра-

боты любого коммутируемого излучателя можно прове-

сти,

если пересчитать все элементы его эквивалентной

схемы в сечении //—//, в которое включен управляющий

Рис.

8-41. Коммутируемый полуволпо-

вый вибратор.

/ — вибратор; 2 — коаксиал; 3 - точечный ди-

од;

4 — петля связи; 5—развязка; 6 — питаю-

щий волновод.

диод. Получающиеся при этом схемы показаны на

рис.

8-42, где индексом «п» отмечены пересчитанные ве-

личины. Последовательная (рис.

8-42,а)

и параллельная

(рис.

8-42,6)

схемы легко пересчитываются одна в дру-

гую;

поэтому ниже все формулы приводятся только для

последовательной схемы; они справедливы и для парал-

лельной схемы с заменой: е

—>i

;

; z

n -yg

.n.

Работа коммутируемого излучателя характеризуется:

Коэффициентом коммутации т, равным отношению

мощностей, излучаемых при включенном и выключенном

коммутаторах.

Коэффициентом излучения а, равным отношению

излучаемой мощности к мощности волны, подводимой по

питающему волноводу.

Коэффициентом полезного действия во включен-

ном состоянии и относительной величиной мощности по-

терь в выключенном состоянии. Все эти параметры опре-

деляются данными эквивалентной схемы, а также вели-

26*

403

чиной

изменения сопротивления диода

при

переходе

от выключенного положения

включенному

[Л 21]

где

от

Дг

+ X

4г

нп

z — 2

И п

-\- z

-\-z

— R-\- сХ;

Д2 = 2

К2

— z

— &r-\-tbx.

(8-51)

Рис 8 42 Эквивалентные схемы коммутируемых иглу

чателей

и (

—

э д с и ток

генераторов (источников),

и п

и £

и п

—

их внутренние сопротивление

проводимость,

]tl

, г

к2

и g

I(1

—

сопротивление

проводимость коммутатора

во

включен

ном

выключенном состоянии,

н п

н g

—

сопротивление

проводимость излучателя (нагрузки) Индекс

«п»

означает

что

соответствующая вели шна пересчитана

сечение коммутатора

Имеется определенное значение

0ПТ

при

кото-

ром коэффициент коммутации достигает максимального

для данной схемы значения Если

коммутатора изме-

няется только активное сопротивление (Ах

0),

юХ

опт

т е

коэффициент коммутации максимален

при

условии,

что все

реактивности схемы

сечении,

кото-

ром находится диод, взаимно компенсируются Если

из-

меняется только реактивное сопротивление коммутатора

(Аг=0),

то

опт

0,5(—Ax

YAx

+AR

) Максималь-

ные значения коэффициента коммутации

обоих слу-

чаях почти совпадают

[Л 21]

Поэтому

общем случае

"?макс может быть подсчитан

по

формуле

•о+Цг

(8-52)

404

Вычисленное по этой формуле значение т

накс

меньше

истинного не более чем на 3 дб. Точность формулы

(8-52) возрастает при отходе \AzfR\ от единицы в обе

стороны. Если &z и

отличаются на порядок, то погреш-

ность формулы (8-52) не превышает 0,8 дб.

Коэффициент излучения а' тоже имеет максимум при

Х=0; кроме того, для достижения максимального зна-

чения а' надо соответствующим образом выбрать коэффи-

циенты трансформации реактивных четырехполюсников

Рис.

8-43 Зависимости коэффициента коммутации

от коэффициента излучения.

2 и 3 (рис. 8-40). Настройку на оптимальный режим

можно вести двумя способами: 1) при постоянном г

изменять коэффициент трансформации четырехполюс-

ника 2, находя

г°'"

= г

-|-г

п".

2) при постоянном г

нЛ1

из-

менять коэффициент трансформации четырехполюсника 3,

находя

г°"

= г

-f-fn п- Величины

MahC

и т

макс

связаны

между собой соотношениями [Л. 21]:

макс

+ V (0,5

—

ыакс

)]

;"|

,\лг\ (8-53)

Здесь V—коммутационный параметр, который являет-

ся основной характеристикой полупроводникового диода

при его работе в коммутационных устройствах. Зависи-

мости т

акг от а при определенных значениях V

(рис.

8-43) показывают, что увеличение коэффициента

405

коммутации при заданном V ведет к уменьшению излу-

чаемой мощности. При уменьшении последней до нуля

коэффициент коммутации стремится к определенному

пределу, зависящему только от величины V:

Шг,

= i +

(8-54)

Следует иметь в виду, что на рис. 8-43 величина т да-

на в децибелах, а в формулы (8-51) и далее следует под-

ставлять ее абсолютные значения. Коэффициент полез-

ного действия излучателя г| при настройке схемы на мак-

симальный коэффициент излучения первым способом

(что более выгодно, так как потери при этом получаются

несколько меньшими, чем при настройке вторым спосо-

бом) определяется только а'манс [Л. 21]:

2(1 — а

М1

«с)

(8-55)

Мощность потерь в выключенном (закрытом) коммута-

торе,

отнесенная к мощности падающей волны, при лю-

бом способе настройки равна:

* (пот.з —

«(1-1) (1+V)

1П(\

(8-56)

Приведенные соотношения позволяют по известному

коммутационному параметру определить максимальные

возможные значения коэффициентов излучения и ком-

мутации, а также к. п. д. и потери в выключенном комму-

таторе.

При проектировании антенн чаще требуется опреде-

лить V с тем, чтобы обеспечить требуемые значения т,

а и г]. Вычисление минимального значения коммутацион-

ного параметра V, обеспечивающего получение заданных

параметров коммутируемого излучателя, может быть

проведено по соотношениям [Л. 21]:

-У^Щ-

]

-О'

(8-57)

где Й

406

вспомогательная величина.

3ia же задача может быть решена с помощью гра-

фиков, приведенных на рис. 8-44: сначала по левым гра-

фикам находится вспомогательная величина с\, а затем

по этой величине и значению т по правым графикам

определяется искомый параметр V.

Практически важна также и абсолютная величина со-

противления диода /"ш, так как она определяет, какие

0,1 0,3 0,3 0,4 0,5 О V 8 1? 16 dS

а)

(?)

Рис 8-44 Графики для определения мнкимального V

по заданным параметрам коммутируемого излуча-

теля.

трансформаторы следует применять в схеме Поэтому

выгодно, чтобы г

к1

имело порядок волнового сопротивле-

ния линии, в которой установлен диод Следовательно,

диоды, сопротивления которых имеют порядок десятков

ом,

выгодно устанавливать в коаксиальных линиях,

а диоды, сопротивления которых измеряются сотнями

ом,

— в волноводных линиях.

Измерения, проведенные с серийными полупроводни-

ковыми диодами, показали [Л. 25], что коммутационные

параметры имеют сильный разброс даже для диодов од-

ного типа. Например, измеренные значения V диода

Д1В колеблются в пределах от 62 до 582. Кроме того,

с увеличением мощности СВЧ коммутационный параметр-

падает; одновременно происходит уменьшение активно-

ю сопротивления диода, что влечет за собой рассогла-

сование схемы. Рабочие значения средних мощностей

имеют порядок единиц милливатт

Балансные переключатели позволяют изменять фазу

возбуждения излучателя на я

(М

2).

По способу изме-

нения фазы их можно разбить на две группы; к первой

относятся те, в которых имеются две переключаемые ли-

нии, ко второй

—

переключатели, в которых использует-

407

Рис.

8-45. Балансный переключа-

тель первой группы.

ся одна линия, но фаза ее возбуждения изменяется на

обратную.

Типичный переключатель первой группы (рис. 8-45)

предстгвгяег собой два олрезка параллельно питаемых

(через элемент связи 4) волноводов 1, электрические

длины которых отличают-

ся на половину длины

волны, за счет введения

в один из них диэлектри-

ческой вставки 6 Волно-

воды расположены между

питающей линией 5 и из-

лучателем 9. Переключе-

ние фазы возбуждения

последнего производится

с помощью диодов 2 и 8,

управляющее напряжение

на которые подается че-

рез развязки 3 и 7. По-

следние предотвращают

утечку мощности СВЧ

в цепи управления. Недостатком балансных переключа-

телей первой группы является их узкополосность.

От этого недостатка свободны переключатели второй

группы, несколько схем построения которых показано на

рис.

8-46. В первой схеме (рис.

8-46,а)

в качестве излу-

чателя используется полуволновый вибратор, возбуждае-

мый отрезком коаксиальной линии (см. рис. 5-18). Коак-

сиал имеет два центральных проводника, присоединен-

ных к различным плечам вибратора. В каждый из этих

проводников включено по диоду. Внешний провод коак-

сиала по постоянному току изолирован от волновода.

Если управляющее напряжение на диодах равно нулю,

то вибратор не возбуждается, так как сопротивления обо-

их диодов одинаковы. Когда к диодам приложено напря-

жение определенной полярности, то баланс схемы нару-

шается и происходит излучение некоторой части мощно-

сти,

проходящей по питающему волноводу. Если изме-

нить полярность управляющего напряжения, то фаза воз-

буждения вибратора изменится на я.

Аналогичным образом работает балансный переклю-

чатель, связанный с излучающим элементом в виде по-

перечной щели, прорезанной в узкой стенке прямоуголь-

ного волновода (рис. 8-44,6).

408

Две схемы, позволяющие изменить фазу возбужде-

ния открытого конца прямоугольного волновода на 180°,

приведены на рис.

8-46,8

и г. В первой из них связь с пи-

тающим волноводом осуществляется с помощью двух

отрезков коаксиальной линии, в центральные проводни-

ки которых включено по диоду. Коаксиалы возбуждают-

Рис 8 46 Балансные переключатели второй группы.

ся синфазно, но возбуждают излучающий волновод про-

тивофазно; естественно, что можно сделать наоборот:

возбуждать коаксиалы в противофазе, а их связь с излу-

чающим волноводом выполнить одинаковой. Во второй

схеме связь излучающего волновода 1 с питающим вол-

новодом 4 производится с помощью штыря 5 и двух дио-

дов 7, замыкающих штырь со стенками волновода по

высокой частоте, через развязывающие устройства 2 и 6.

По постоянному току штырь замкнут на волновод через

четвертьволновый короткозамкнутый шлейф 3, исполь-

зуемый одновременно и для подстройки связи.

409

Работа балансного переключателя характеризуется

коэффициентом излучения а и к п. д. г), которые опреде-

ляются параметрами эквивалентных схем (рис. 8-47),

справедливыми при тех же условиях, что и для коммуги-

Рис 8-47 Эывивалентные схемы балансных переключателей

—

первой группы, б

—

второй группы

руемою излучателя

[Л 22] В

обеих схемах

при

задан-

ных коммутационных napaMeipax используемых диодов

могут быть получены определенным максимальные зна-

чения

к п д. и

коэффициента излучения. Схема баланс-

о,

0,4

0,2

2а

У/

*^=

V=200

11)11

гп

•• ...

Л"

v=w

О 2 1 6 8 10 12 П 16 13 20

Рис 8-48 Зависимости

ма

кс

г)

мяпс

по

переменной

jr,

от сопротивления реак-

тивного птеча схемы

ных переключателей первой группы (рис.

8-47,а)

являет-

ся частным случаем общей эквивалентной схемы комму-

тационного фазовращателя, и поэтому ее данные будут

рассмотрены ниже. Здесь рассматриваются зависимости

параметров а и ц

от

данных эквивалентной схемы балан-

сных переключателей второй группы (рис. 8-47,6). За-

висимости максимальных значений

У\

И а

от сопротивле-

ния х реактивного плеча эквивалентной схемы приведены

410