Защитное устройство приемных каналов АФАР

Одной из проблем при создании активных фазированых приемопередающих решеток (АФАР) является защита приемного канала антенного модуля от воздействия собственных мощных СВЧ - сигналов в режиме передачи и от внешних СВЧ - воздействий. Для ее решения необходимо пассивное защитное устройство (ЗУ), переходящее в режим запирания при превышении определенного уровня СВЧ - мощности на входе приемного канала.

Основными параметрами ЗУ являются: максимально допустимая входная СВЧ - мощность, мощность СВЧ - сигнала на выходе ЗУ в режиме запирания, потери СВЧ - сигнала в режиме пропускания, время восстановления чувствительности после воздействия повышенной СВЧ - мощности.

В целях исследования одного из главных параметров ЗУ – максимально допустимой входной СВЧ – мощности Р_вх рассмотрим схему приемо-передающего модуля (ППМ) АФАР (рис. 2), в котором для развязки передающего и приемного каналов используются Y-циркуляторы (Y1, Y2).

В режиме излучения СВЧ - сигнала передающим каналом ППМ часть мощности Р_вых отражается от излучателя И2 и через приемное плечо Y-циркулятора попадает на вход ЗУ. Отраженная от раскрыва АФАР мощность, в основном, и определяет требования к электрической прочности ЗУ по максимальной входной СВЧ - мощности Р_вх.

Уровень согласования раскрыва решетки с пространством в полосе частот порядка нескольких процентов от центральной частоты характеризуется коэффициентом отражения по мощности ~ 0,1. Следует иметь в виду, что периоды размещения элементов в раскрыве решетки сантиметрового диапазона обычно превышают половину рабочей длины волны l/2. При этом в пределах сектора сканирования лучом в пространстве над решеткой возникают дополнительные дифракционные лучи. В качестве иллюстрации на рис. 19 приведен сектор сканирования (± 45° по азимуту и от 0 до 80° по углу места) и обозначены границы появления дифракционных лучей для решетки с гексагональным расположением элементов с периодами 0,6l по горизонтальной и 0,8l по вертикальной осям (расположение элементов в раскрыве АФАР показано на рис.2). Полотно АФАР наклонено относительно вертикали на 30°, относительная частота f/f₀ = 1.

В силу взаимодействия между элементами при положениях луча, соответствующих моменту появления в пространстве дифракционного луча, как правило, наблюдается так называемый эффект «ослепления» решетки – пространственный резонанс [1, 2], приводящий к резкому рассогласованию раскрыва с пространством. Необходимо оценить ожидаемый уровень отражений мощности от раскрыва решетки в этом положении луча.

Если рассматривать антенную решетку как бесконечную периодическую структуру, эффект «ослепления» приводит к полному отражению волны от раскрыва.

Реально в решетках имеют место краевые искажения поля,обусловленные конечными размерами апертуры, а также искажения поля, вызванные апериодичностью расположения антенных элементов, в частности, из-за технологического разброса величин шага между элементами при изготовлении АФАР. Указанные факторы существенно влияют на уровень рассогласования раскрыва решетки с пространством при пространственных резонансах.

На рис. 20а, 20б показаны графики зависимости от угла сканирования J коэффициента отражения по мощности ½R½², усредненного по элементам решетки плоских волноводов с металлическим фланцем. Период решетки равен 0,635 l, вектор электрического поля перпендикулярен стенкам волноводов. Сплошная кривая на рисунках соответствует бесконечной периодической решетке. Рис. 20а соответствует конечной периодической решетке из 11 элементов (штриховая линия), из 25 элементов (штрих-пунктирная линия), звездочкой обозначено значение коэффициента отражения в области резонанса для решетки из 49 элементов. Средний коэффициент отражения 11-элементной решетки в области резонанса не превышает 0,15, для 25- элементной решетки составляет ~0,35, а для 49 элементной ~ 0,5.

Влияние апериодичности расположения элементов в раскрыве решетки на средний уровень коэффициента отражения в области пространственного резонанса показано на рис. 20б. В раскрыве бесконечной решетки апериодичность в виде случайного разброса толщины стенок волноводов вводилась в пределах повторяющихся групп из 25 элементов. Разброс периода характеризуется величиной среднеквадратичного отклонения s в процентах относительно номинального значения. Штриховая кривая соответствует значению s = 1,2%, штрих-пунктирная - s = 0,6%, звездочкой отмечено значение коэффициента отражения в максимуме при s = 0,3%. Отмечается существенное влияние апериодичности расположения элементов в раскрыве решетки на величину коэффициента отражения в области «ослепления». При допусках на период решетки сантиметрового диапазона (s~0,5%) коэффициент отражения по мощности составляет 0,4 ¸ 0,5.

Результаты расчетов (см. рис. 20) для одномерных решеток можно использовать для плоских двумерных решеток, пользуясь сведением двумерного раскрыва к эквивалентному одномерному в плоскости сканирования.

Полученные оценки показывают, что максимальная величина коэффициента отражения электромагнитной волны от раскрыва антенной решетки в области пространственных резонансов может достигать ~ 50%. В частности, при выходной СВЧ мощности передающего канала ППМ АФАР на уровне 4 ¸ 6 Вт, максимальная СВЧ мощность, отраженная от излучателя в приемный канал ППМ и приходящая на вход защитного устройства, составит 2 ¸ 3 Вт. Указанная величина мощности определяет требуемую СВЧ электрическую прочность ЗУ.