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 /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 0,6 по горизонтальной и 0,8 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  коэффициента отражения по мощности R², усредненного по элементам решетки плоских волноводов с металлическим фланцем. Период решетки равен 0,635 , 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  в процентах относительно номинального значения. Штриховая кривая соответствует значению  = 1,2%, штрих-пунктирная -  = 0,6%, звездочкой отмечено значение коэффициента отражения в максимуме при  = 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 (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.