КУРСОВАЯРАБОТА
Моделирование полотна АФАР моноимпульсной БРЛС
Содержание
Введение
1. Характеристики и параметрымоноимпульсной БРЛС и её антенной системы
2. Моделирование полотна АФАР
3. Анализ результатов моделирования
Заключение
Используемая литература
Введение
Данная работа направленана моделирование полотна активной фазированной антенной решетки (АФАР) и оценкипараметров её работы в составе бортовой радиолокационной станции.
Фазированные антенныерешетки являются наиболее эффективными и перспективными антенными системами,которые позволяют осуществлять быстрый обзор пространства, многофункциональныйрежим работы, комплексирование радиосредств, адаптацию к конкретнойрадиообстановке, предварительную обработку сверхвысокочастотных сигналов,обеспечение электромагнитной совместимости.
Применение АФАР дляпостроения сканирующих остронаправленных антенн позволяет реализовать высокуюскорость обзора пространства и способствует увеличению объёма информации ораспределении источников излучения или отражения электромагнитных волн вокружающем пространстве, что является весомым фактором при современном уровнеразвития авиационного РЭО.
Дальнейшее улучшениехарактеристик систем с АФАР можно обеспечить, совершенствуя методы обработкисигналов, излучаемых и принимаемых антенной. Антенные системы в скорм будущемдолжны решать задачи получения внекоординатной информации о цели, т.е. кромедальности и угловых координат объекта обеспечивать получение информации о егомассе, размерах, параметрах движения и осуществлять распознавание образов.
Таким образомхарактеристики антенны предопределяют ряд основных характеристик бортовыхрадиоэлектронных комплексов и систем, так как разрешающая способность иточность определения угловых координат, скорость перемещения луча впространстве, помехозашищенность, сектор обзора и т.д. зависят от характеристикантенной системы.
Характеристики ипараметры моноимпульсной БРЛС и её антенной системы
Радиолокацией называетсясовокупность методов и технических средств, предназначенных для обнаруженияразличных объектов в пространстве, измерения их координат и параметров движенияпосредством приема и анализа электромагнитных волн, излучаемых илипереизлучаемых объектами.
Радиолокация какнаучно-техническое направление в радиотехнике зародилось 30-х годах. Достиженияавиационной техники обусловили необходимость разработки новых средствобнаружения самолетов, обладающих высокими характеристиками (дальностью,точностью). Такими средствами оказались радиолокационные системы.
Выдающийся вклад вразвитие радиолокации внесли русские ученые и инженеры П.К. Ощепков, М.М.Лобанов, Ю.К. Коровин, Б.К. Шембель. В советском союзе первые успешныеэксперименты обнаружения самолетов с помощью радиолокационных устройств былипроведены еще в 1934/36 гг. В 1939 г. на вооружение войск ПВО поступили первыесерийные отечественные радиолокаторы. Существенным шагом в развитиирадиолокации было создание в 1940/41 гг. под руководством Ю.Б. Кобзареваимпульсного радиолокатора. В настоящее время радиолокация одна из наиболеепрогрессирующих областей радиотехники.
Получение информации врадиолокации сопряжено с наблюдением некоторой области пространства.Технические средства, с помощью которых ведется радиолокационное наблюдение,называются радиолокационными станциями (РЛС), а наблюдаемые объекты –радиолокационными целями. Типичными целями являются самолеты, ракеты, корабли,наземные инженерные сооружения.
Радиолокационные системыимеют следующие преимущества перед визуальными: работа РЛС не зависит отналичия оптической видимости и эффективна не только в дневные, но и в ночныечасы, в тумане, при дожде и снегопаде. Они обеспечивают большую дальностьдействия и точность измерения координат цели.
Решающую роль припроектировании и эксплуатации бортовых авиационных РЛС имеют их техническиехарактеристики, и характеристики их антенных систем.
Каждая бортовая РЛСвоенного назначения обладает двумя видами характеристик: тактическими итехническими.
Тактическиехарактеристики бортовых РЛС представляют совокупность параметров, определяющихвозможности их использования для решения поставленных перед самолетом задач.Эти характеристики задаются на этапе начала проектирования РЛС при всестороннемучете условий и особенностей решаемой задачи, требуемых вероятностей ихвыполнения, экономических, эксплуатационных и других факторов на основе методовсистемотехники.
Техническиехарактеристики РЛС определяются теми инженерными решениями, которые принимаютсяпри разработке РЛС в обеспечении тактических требований.
К тактическимхарактеристикам РЛС обзора земной поверхности относят:
1. Назначение и местоустановки РЛС: РЛС бомбометания, РЛС разведки, РЛС бокового обзора, РЛС обзораи облета препятствий, многофункциональные РЛС и т.д.
2. Зона обзора определяетсякак область земной поверхности, где требуется решение тактических задач сзаданными характеристиками. Параметрами зоны обзора являются:
- дальностьобзора, т.е. удаление зоны обзора от РСА;
- углы наблюдения,т.е. положение зоны обзора относительно вектора путевой скорости носителя РСА;
- полосаодновременного обзора по дальности;
- полоса обзора поазимуту;
- время обзора.
Максимальную дальностьобнаружения Дmах объектов с определенными ЭПО(удельными ЭПО) и заданными вероятностями правильного обнаружения. При обнаруженииназемных объектов и боевой техники на входе РЛС действуют внутренние шумыприемника и отражения от фона местности. Для обнаружения целей с заданнымихарактеристиками необходимо, чтобы отраженный от целей сигнал в заданное числораз превышал уровень фона местности, а фон местности должен превышать уровеньвнутреннего шума приемника.
Дальность обзора ударныхавиационных комплексов обычно составляет 80...160 км
Угол наблюдения дляразведывательных систем задается близкий к боковому, а для ударных – любой.
Время обзора зоны. Этовремя, в течение которого луч антенны РЛС производит однократный обзор заданнойзоны. Наиболее жёсткие требования к времени обзора заданной зоны предъявляютРЛС обхода-облёта препятствий и РЛС ударных самолётов.
3. Разрешающаяспособность РЛС
Разрешающая способностьРЛС определяет качество радиолокационного изображения при картографировании.Кроме того, разрешающая способность в значительной степени определяетэффективность решения задач обнаружения малоразмерных целей, распознаваниягрупповых и сосредоточенных целей, а также определения их координат исопровождения.
Количественной меройразрешающей способности является ширина изображения точечной цели наопределенном уровне, обычно на уровне — 3 дБ от максимума, что соответствуетуровню 0,5 по интенсивности изображения. Для устранения влияния искажений формыизображения вследствие ограничения сигнала, уровень сигнала выбирается таким образом,чтобы изображение находилось в линейной части амплитудной характеристикивыходного устройства (процессора, индикатора).
В качестве точечной целиобычно используются уголковые отражатели, расположенные на слабоотражающем фонедля исключения влияния фона и соседних объектов. Группа отдельно расположенных отражателей,имеющих ЭПР с различием 5 дБ друг от друга, позволяет использовать ихизображение для оценки линейности тракта.
4. Точность измерениякоординат. Она задается допустимыми ошибками (погрешностями) оценки координат ипараметров взаимного движения. Величина ошибок измерения определяетсяназначением РЛС. В РЛС бомбометания измеряются азимут цели и дальность до нее сочень высокой точностью. В РЛС бокового обзора, предназначенной для ведениявоздушной разведки, точности измерения несколько ниже.
5. Помехозащищенность
Возможность работы РЛС в условияхрадиоэлектронной борьбы характеризуется скрытностью работы ипомехоустойчивостью. Скрытность работы РЛС задается максимальной дальностью, накоторой противник может обнаружить сигналы РЛС и определить их параметры.
Помехоустойчивостьопределяет работоспособность РЛС в конкретной помеховой обстановке, котораязадается в виде набора методов и средств РЭБ.
К тактическимхарактеристикам относят также надежность, массу, габариты, ремонтопригодность ит.п.
Технические характеристикибортовых РЛС определяются теми инженерными решениями, которые принимаются приразработке РЛС в обеспечении тактических требований.
Основными техническимихарактеристиками РЛС обзора земли являются:
- длина волны,длительность зондирующего сигнала и вид внутриимпульсной модуляции;
- периодповторения импульсов, средняя (импульсная) мощность передатчика РЛС;
- метод обзорапространства и форма ДНА;
- коэффициент шумаи полоса пропускания приемника, время когерентного и некогерентного накоплениясигнала;
- объемпамяти, разрядность АЦП и быстродействие системы цифровой обработки;
- методы измерениякоординат, алгоритмы помехозащиты и тип устройства отображения.
Технические решения,принимаемые в процессе проектирования РЛС, обеспечивают выполнение тактическихтребований. Поэтому между техническими и тактическими характеристикамисуществует тесная взаимосвязь.
Обоснование, выбор ирасчет технических характеристик по заданной совокупности тактическихтребований — сложная научно-техническая задача в силу многозначностифункциональных связей и влияния статистических факторов.
При обосновании и выборетехнических параметров РЛС выявляются противоречия, разрешить которые возможнопутем компромиссов или поиском принципиально новых технических решений.
В классической бортовойрадиолокационной станции, выполненной на традиционной антенной системе спараболическим рефлектором, сигнал передатчика через переключательприем-передача поступает на облучатель антенны. Зеркало антенны через системуприводов механически соединено с фюзеляжем или корпусом летательного аппарата.Для стабилизации положения оси антенны при колебаниях корпуса летательногоаппарата на двигатели приводов подаются специальные сигналы с системыстабилизации антенны.
Сигналы обеспечиваютразворот антенны в сторону, противоположную колебаниям фюзеляжа, удерживая лучантенны неподвижно по отношению к направлению на цель.
Для создания диаграммынаправленности определенной ширины зеркало антенны необходимо изготавливать свысокой точностью.
Кроме того, зеркалодолжно иметь достаточно высокую механическую прочность, чтобы сохранятьпостоянство формы поверхности при движении антенны и перегрузках во времяманевра летательного аппарата.
Поворот оси диаграммынаправленности в классической бортовой РЛС осуществляется механическим поворотомвсего зеркала антенны.
Инженерный облик бортовойРЛС коренным образом меняется, если в качестве антенны использовать плоскуюактивную фазированную решетку (АФАР).В этом случае большая часть устройств,входящих в состав РЛС, размещается с одной стороны такой АФАР
Для формированиясинфазного поля в раскрыве АФАР необходимо синфазно управлять отдельнымиусилителями, каждый из которых работает на свой излучатель. Такую возможностьобеспечивает схема разводки, которую можно размещать как на обратной, так и напередней стороне АФАР. Поворот диаграммы направленности на определенный угол, атакже стабилизация луча в пространстве производится не путем поворота всейантенны, а изменением фазового распределения в раскрыве АФАР с помощью фазовращателей.
Целью данной работы являетсямоделирование полотна АФАР моноимпульснойбортовой РЛС.
6. Моделированиеполотна АФАР
1.Условия поставленнойзадачи.
Задачей работы являетсямоделирование полотна АФАР авиационной бортовой РЛС со следующими параметрами:
- Длина волныБРЛС: …….………..λ=3 см.
- Диаметрантенны:…………………D=70 см.
- Расстояние междуизлучателями:..d=0,6λ
- Тип излучателя: открытыйконец круглого волновода.
2.Расчет множителя АФАР
Из условия задачи, максимальноеколичество излучателей по горизонтальной (М) и вертикальной (N) осям АФАР равно:
M=21
N=21
Множитель АФАР вгоризонтальной плоскости представляется в виде:
/>
График множителя АФАР вгоризонтальной плоскости представлен на рисунке 1 (а, б):
/>
Рисунок 1 а
/>
Рисунок 1 б
Множитель АФАР ввертикальной плоскости представляется в виде:
/>
График множителя АФАР вгоризонтальной плоскости представлен на рисунке 2(а, б):
/>
Рисунок 2 а
/>
Рисунок 2, б
3.Расчет амплитудногораспределения АФАР
Амплитудное распределениепо раскрыву решетки – равномерное, и представлено в виде:
-в горизонтальнойплоскости:
/>
Графикамплитудного распределения в горизонтальной плоскости представлен на рисунке 3:
/>
Рисунок 3
в вертикальной плоскости:
/>
График амплитудногораспределения в горизонтальной плоскости представлен на рисунке 4:
/>
Рисунок 4
Общее амплитудноераспределение антенны представлено на рисунке 5:
/>
Рисунок 5
Размещение излучателей вплоскости АФАР представлено на рисунке 6
/>
Рисунок 6
4.Рассчет диаграммынаправленности АФАР.
Диаграмма направленностив горизонтальной и вертикальной плоскости представлена в виде:
-в горизонтальнойплоскости:
/>
График диаграммынаправленности в горизонтальной плоскости представлен на рисунке 7
/>
Рисунок 7
Параметры диаграммынаправленности представлены в таблице 1
Таблица 1Параметры диаграммы направленности 2 Θ 0.5 (град.) 2 Θ 0 (град.) УБЛ 1 (дб) УБЛ 6 (дб) 6 10 -16 -27
-в вертикальнойплоскости:
/>
Параметры диаграммынаправленности представлены в таблице 2
Таблица 2Параметры диаграммы направленности 2 Θ 0.5 (град.) 2 Θ 0 (град.) УБЛ 1 (дб) УБЛ 6 (дб) 6 10 -15 -27
Общая диаграмманаправленности АФАР представляется в виде:
/>
График общей диаграммынаправленности АФАР представлен на рисунке 9:
/>
рисунок 9
Параметры диаграммынаправленности представлены в таблице 3
Таблица 3Параметры диаграммы направленности 2 Θ 0.5 (град.) 2 Θ 0 (град.) УБЛ 1 (дб) УБЛ 6 (дб) 6 10 -15 -27
Анализ результатовмоделирования
В результатемоделирования получена математическая модель АФАР бортовой РЛС.
Необходимопроанализировать её параметры при сканировании пространства.
1.При Θ=0 диаграмманаправленности имеет вид отображенный на рисунке 9
При Θ=30 градусовдиаграмма направленности имеет вид отображенный на рисунке 10
/>
Рисунок 10
Параметры диаграммынаправленности представлены в таблице 4
Таблица 4Параметры диаграммы направленности 2 Θ 0.5 (град.) 2 Θ 0 (град.) УБЛ 1 (дб) УБЛ 6 (дб) 6 12 -15 -27
При Θ=45градусов диаграмма направленности имеет вид отображенный на рисунке 11
/>
Рисунок 11
Параметры диаграммынаправленности представлены в таблице 5
Таблица 5Параметры диаграммы направленности 2 Θ 0.5 (град.) 2 Θ 0 (град.) УБЛ 1 (дб) УБЛ 6 (дб) 8 15 -15 -27
При Θ=90градусов диаграмма направленности имеет вид отображенный на рисунке 12
/>
Рисунок 12
Параметры диаграммынаправленности представлены в таблице 6
Таблица 6Параметры диаграммы направленности 2 Θ 0.5 (град.) 2 Θ 0 (град.) УБЛ 1 (дб) УБЛ 6 (дб) 10 20 -15 -27
Видно что при большихуглах отклонения главного лепестка диаграммы направленности АФАР наблюдается расширениеглавного лепестка диаграммы направленности АФАР и выброс интерференционныхмаксимумов излучения и следовательно присутствует неоднозначность приопределении параметров цели, но эти недостатки необходимо компенсировать путемцифровой обработки принимаемой информации о цели.
Заключение
В процессе выполненияработы по моделированию АФАР авиационной бортовой РЛС видно, что АФАР являетсяболее эффективной антенной системой, по сравнению с зеркальной антенной,позволяющей осуществлять быстрый обзор пространства, путем электронногосканирования, разрешение АФАР по угловым координатам превышает аналогичныезеркальные антенны. При этом существенно уменьшается масса и габаритные размерыбортовой РЛС, повышается надежность работы РЛС по причине отсутствия большогоколичества механических деталей и механизмов.
В заключение можно сказать,что бортовые РЛС с АФАР намного превосходят аналогичные РЛС с зеркальнымиантеннами с механическим сканированием пространства. РЛС с АФАР на один-двапорядка меньше объема РЛС с зеркальной антенной. В конструкции АФАР можноразмещать очень большое число маломощных генераторов. В результате при большихзначениях суммарной излучаемой мощности существенно снижается вероятностьпробоя воздуха, и так же снижается потребление энергии РЛС, что не маловажно вусловиях ограниченности энергоресурсов летательного аппарата.
Используемаялитература
1. Д.И. Воскресенский Проектированиефазированных антенных решеток.
2. И.Н. Корбанский Антенны.
3. М.А. Еськин Курсовое и дипломноепректирование по профилю факультета авиационного радиоэлектронногооборудования.
4. В.А. Конуркин Оформление текстовыхдокументов.