1.2. Особенности расчета характеристик АФАР

Активные фазированные антенные решетки характеризуются теми же параметрами, что и антенны других типов: ДН, уровнем боковых лепестков (УБЛ), коэффициентом направленного действия (КНД), коэффициентом усиления (КУ), излучаемой мощностью, частотными свойствами (мгновенной полосой, диапазоном рабочих частот) и другими величинами. Однако, расчет этих параметров из-за наличия в каналах АФАР активных элементов, отличается от расчета параметров обычных антенн, напрмер, расчета КУ. Также существенно изменяется оценка потерь СВЧ-энергии в трактах из-за наличия усилителей на общую энергетику АФАР.

Целесообразность построения того или иного варианта передающего устройства во многом определяется его энергетическими характеристиками. Обычно такое устройство, особенно в системах с ограниченными источниками энергии (подвижных, самолетных), должно обеспечивать заданную излучаемую мощность при максимуме КПД. Но АФАР, как передающее устройство, не просто генерирует и излучает мощность в определенном направлении, но и максимально концентрирует ее в заданной части пространства, т. е. обеспечивает максимум КУ.

В АФАР в режиме передачи возрастает уровень внеполосного и побочного излучения, ухудшающее предельные характеристики решетки, спектральный состав и распределение излучаемой мощности в

пространстве, ведущее к росту УБЛ и ухудшению электромагнитной совместимости в целом [10] Энергетический спектр АФАР «зашумлен» аддитивными шумами активных модулей и флуктуациями напряжения источников питания, при наличии случайных разбросов комплексных коэффициентов передачи этих модулей.

В отличие от пассивных активным ФАР присущи дополнительные источники погрешностей сигналов возбуждения излучателей за счет наличия в каждом канале решетки активных модулей характеристики которых в каждый момент времени различны, благодаря воздействию дестабилизирующих факторов и неидентичности их электрических параметров, включая разброс частот настройки избирательных цепей. Возникающие при этом искажения энергетического спектра ухудшают параметры РЭК и в первую очередь тех, где критериями качества генерируемых и излучаемых сигналов являются высокая степень монохроматичности колебаний и низкий уровень побочного излучения. Все рассмотренные выше обстоятельства определяют основные отличия расчета характеристик АФАР от других типов антенн.

Для более полной оценки характеристик АФАР создается ее - тематическая модель, описывающая связь между наиболее существенными воздействиями на АФАР и ее реакциями на эти воздействия. В результате моделирования формируется структура системы и выбираются ее основные элементы. Далее следует оптимизация структуры АФАР, которая заключается в сравнении различных вариантов этой структуры по какому-либо критерию и выбору варианта, наилучшим образом отвечающего этому критерию. Для этого созданы программы [6], позволяющие с помощью ЭВМ выделить параметры оптимизации, составить целевую функцию (показатель качества) и численными методами решить задачу оптимизации АФАР по выбранному критерию.

Если АФАР характеризуется несколькими показателями качества, то задача оптимизации становится многокритериальной Для ее решения создаются процедуры формирования единой целевой функции. При оптимизации АФАР в зависимости от ее назначения критериями выбираются следующие параметры: потенциал, потребляемая мощность, стоимость и т.д.

Потенциал АФАР. При построении РЭК с зеркальной антенной или обычной ФАР основной энергетической характеристикой является КПД, который можно записать как произведение КПД всех ее звеньев (см гл. 2). В РЛС с АФАР антенна строится по многоканальной схеме. Поле, формируемое системой в пространстве, является результатом сложения полей, излучаемых отдельными каналами, и поэтому его характеристики (форма ДН, КНД, УБЛ и т.п.) однозначно связаны с распределением амплитуд и фаз на выходах каналов. Изменение параметров различных звеньев АФАР, вызывающее отклонение (ошибки) амплитуд и фаз сигнала в излу чателях решетки от заданного закона, приводит

к изменению характеристик поля и ДН. Эти отклонения в АФАР имеют весьма большие значения, поскольку на их величину оказывает влияние все звенья системы вплоть до источников питания. Учитывая возможность появления еще многих факторов, приводящих к ошибкам в амплитудно-фазовом распределении (АФР) полотна АФАР, следует обратить внимание на оценку этих ошибок при расчете основных характеристик антенной системы (потенциал, УБЛ, пеленгационные параметры). Из всех возможных ошибок следует выделить:

детерминированные (систематические), которые могут быть скомпенсированы управляющими устройствами в АФАР (аттенюаторами, фазовращателями);

случайные, которые изменяют АФР, а, следовательно, характеристики системы (например, уменьшают КНД, увеличивают УБЛ и т.д.) [8].

Эффективность передающей АФАР [5-7] определяется энергетической характеристикой - потенциалом рассчитываемым по формуле

где мощность, подводимая к антенне; в максимуме диаграммы направленности при отсутствии ошибок в АФР; g - величина изменения КНД при случайных ошибках (см. гл. 2); - КПД передатчика.

Выражение (1.1) позволяет рассчитать потенциал АФАР как за счеп прямых потерь мощности в системе, так и за счет потерь из-за ошибок в АФР, что подробно рассмотрено ниже в гл. 2.

Потребляемая мощность АФАР. Рассмотрим оптимизацию АФАР по минимуму потребляемой мощности. Мощность источников питания, передающей АФАР, запишем следующим образом [9]:

где мощность, потребляемая в усилителях всех модулей, каждый из которых обеспечивает в излучателе мощность при КПД модуля - мощность, потребляемая на управление всех фазовращателей; мощность, потребляемая возбудителем с учетом его и КПД распределительного тракта мощность возбудителя на входе одного модуля.

Выходпая мощность модуля где потенциал АФАР (1.1). Тогда

Оптимальное число излучателей, полученное по разным критериям, может быть различным, но опыт показывает, что оно получается достаточно близким между собой.

Оценка стоимости АФАР. Рассмотрим оптимизацию АФАР по стоимости. За единицу стоимости принята доля стоимости приходящаяся на его выходной мощности.

В [5] получена формула для расчета полной стоимости АФАР:

где .

В свою очередь стоимость излучателя; стоимость фазовращателя; стоимость одного капала делителя, одного излучателя решетки; фазовращателя и делителя, К - коэффициент усиления модуля.

С увеличением растет первое слагаемое и уменьшается второе. Это означает, что существует оптимальное число каналов АФАР, при котором ее стоимость будет минимальна.

При условии

Рис. 1.1. Зависимость стоимости АФАР от числа каналов (модулей)

Рис. 1.2. Зависимость стоимости АФАР и пассивной ФАР от числа каналов

На рис. 1.1 приведены зависимости относительной стоимости передающей АФАР от числа излучателей при различных значениях потенциала для случая Из рисунка видно, что оптимальное число излучателей растет с ростом потенциала а минимальная стоимость АФАР растет примерно пропорционально Сравним стоимость АФАР со стоимостью пассивной ФАР, рассчитанной по той же методике.

Для пассивной ФАР приняты следующие значения параметров (верхний индекс означает принадлежность параметра пассивной

Стоимость передатчика пассивной рассчитываем по формуле [6]:

Полная стоимость пассивной ФАР равна

На рис. 1.2 приведены зависимости стоимости пассивной ФАР без резервирования передатчика (кривая с резервированием передатчика (кривая 3) и АФАР (кривая 2) Из графиков видно, что стоимости пассивной ФАР и АФАР достаточно близки. Однако следует учесть, что методика не учитывает затраты на эксплуатацию этих систем