3.4. Процесс оптимизации согласования

В процессе оптимизации согласования широко используется быстродействующая ЭВМ. Процесс начинают с построения небольшой решетки из пробных элементов. Выбор апертурной секции пробного элемента зависит от конкретных требований, предъявляемых к данной системе. Коэффициенты связи на одной из частот используются для расчета коэффициентов отражения пробного элемента решетки в функции угла сканирования [см. выражение (21)]. Коэффициенты отражения и найденная из измерений переходная матрица рассеяния фидерной системы позволяют определить коэффициенты отражения и [см. выражения (22) — (25)]. По комплексным коэффициентам отражения рассчитываются отраженные мощности в функции угла сканирования, и ЭВМ представляет результаты расчета в виде карт, аналогичных показанной на рис. 9.6. Такие карты позволяют визуально оценивать достигнутое согласование.

Используя значения и в дальнейших расчетах, можно оценить согласование в зависимости от угла сканирования для различных видов поляризации (например, круговой и эллиптической) или для случая введения согласующей неоднородности. При этом матрица будет относиться к поляризатору или к согласующей неоднородности [см. выражения (17) — (20)].

Матрицу рассеяния оптимальной согласующей неоднородности определяют, варьируя независимые параметры относительно исходных значений. Хорошие исходные значения для некоторых из независимых параметров можно получить, исходя из и Для каждого варианта просчитываются отраженные мощности и ЭВМ строит соответствующие карты. Визуальный анализ карт позволяет очень часто получать достаточно быструю сходимость итерационного процесса отыскания оптимальной неоднородности. Описанный процесс взаимодействия человек — машина особенно удобно применять в ходе изготовления партии образцов, так как он дает возможность осуществлять необходимые коррекции.

На любой частоте заданного диапазона имеется некоторая область значений параметров, позволяющих получить приемлемую характеристику согласования в требуемом секторе сканирования. Оптимальная характеристика в диапазоне частот достигается в том случае, если параметры реальной неоднородности лежат в соответствующей области на каждой из частот диапазона.

Характеристику согласования в зависимости от угла сканирования для решетки оптимизированных элементов можно предсказать, если матрицу рассеяния реальной синтезированной неоднородности связать с матрицей [см. выражения (17) — (20)]. Эти расчеты затем можно подтвердить экспериментально, вводя согласующее устройство в элементы решетки, измеряя новые значения коэффициентов связи и рассчитывая на ЭВМ окончательные карты отраженной мощности.

Применение данного процесса оптимизации покажем в конкретном случае, когда хорошая характеристика согласования была получена в полосе частот шириной 15%. В качестве дробных элементов были взяты коаксиальные волноводы, возбуждавшиеся ортогональными волнами типа В раскрыв каждого волновода помещали толстую пластину с высокой диэлектрической проницаемостью, а элементы монтировались так, чтобы пластины не выступали из бесконечного плоского экрана. Пробный элемент был достаточно хорошо согласован, будучи изолированным на плоском экране, с помощью согласующего устройства, которое обеспечивало КСВН менее 1,4 в полосе шириной 15%.

На рис. 9.12 приведены карты суммарной отраженной мощности в апертурной секции решетки из 91 пробного элемента до выполнения оптимизации на высокочастотном и низкочастотном краях полосы частот. В основной части сектора сканирования (от до 50°) отраженная мощность находится в пределах 5—15%. Представляет интерес часть мнимого пространства, заключенная между окружностями сканирования 90°, так как в. бесконечной решетке отраженная мощность в этой области будет составлять 100%. На рис. 9.12, а отраженная мощность в этой области достигает 100%. Это является подтверждением того, что нами получено хорошее приближение к бесконечной решетке.

Для уменьшения числа независимых параметров матрицы рассеяния, характеризующей неоднородность, выбрана согласующая неоднородность с круговой симметрией. При этом, если, источник и фидерная линия элемента идеально согласованы, независимыми оказываются только два параметра. Области значений параметров, в которых достигается уменьшение отраженной мощности в рабочем секторе сканирования, получились достаточно широкими на каждой из трех частот. Таким образом, синтез неоднородности для дапного элемента был сравнительпо простым.

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

Предсказываемая зависимость согласования от угла сканирования для оптимизированного элемента приводится на рис. 9.13. Легко заметить существенное улучшение согласования по сравнению с характеристиками на рис. 9.12. Уровень отраженной мощности в области 0-40° понизился, но вызвав при этом повышения уроня мощности в области 40—60°.

Рис. 9.15. Модель оитимизированного элемента.

В пределах окружности 20° имеются небольшие участки, в которых отражеппая мощность составляет 5—15%, но их общая площадь лишь немногим превышает 5%.

Синтезированную неоднородность можно включить параллельно апертурной области. В описываемом ниже примере неоднородность объединена с исходным согласующим устройством в коаксиальном волноводе, в результате чего получена более короткая структура, электрически почти эквивалентная параллельному включению.

На рис. 9.14 приведены результаты измерений, проведенных после включения нового согласующего устройства в элемент решетки. Эти результаты хорошо согласуются с расчетными (рис. 9.13), за исключением небольших участков в низкочастотной области дианазопа, где кривые отличаются всего лишь на несколько процентов из-за введенной дискретизации мощности по уровням. Однако из сравнения числовых данных следует, что в секторе сканирования 0-40° различия в отраженной мощности не превышают 2%.

Характеристики элемента измерялись также и на трех других частотах внутри диапазона, причем результаты оказались такими же хорошими, как и на рис. 9.14. Относительная легкость, с которой был согласован данный элемент, объясняется, по-видимому,

начальным выбором достаточно хорошо согласованного пробного элемента. Модель окончательной конструкции оптимизированного коаксиального элемента приведена на рис. 9.15.

Процесс оптимизации согласования был применен также к первоначально «плохо согласованному» пробному элементу с тем, чтобы исследовать сходимость процесса в таких случаях; при этом удалось достичь хороших результатов [13]. Однако из-за плохого начального согласования область значений, в которой можно было изменять параметры согласующей неоднородности, не нарушая хорошего согласования, была очень узкой. Поэтому при изготовлении реальной согласующей неоднородности в этом случае надо соблюдать более жесткие допуски.