ДМРЛ конспект. Назначение приемного устройства

• Название: Назначение приемного устройства
• Анкор: ДМРЛ конспект
• Дата: 24.01.2022
• Размер: 1.51 Mb.
• Имя файла: ДМРЛ конспект.docx
• Тип: Задача; #340092
• страница: 4 из 5

Антенно-фидерная система ДМРЛ

Антенная система ДМРЛ

Назначение антенной системы

Антенная система предназначена для излучения зондирующих сигналов ДМРЛ-С при обзоре пространства и приема отраженных сигналов от метеоцелей.

Состав антенной системы.

Антенная система состоит из облучателя и отражателя. Отражатель установлен на колонне привода. Описание колонны привода представлено в разделе 3.7 настоящей Пояснительной записки. Облучатель крепится к отражателю системой тяг и запитывается подводящими волноводами сечения 48 х 24 мм. В колонне привода установлены два вращающихся перехода одинаковой конструкции: по углу наклона и азимуту.

Вращающиеся переходы предназначены для передачи СВЧ-энергии от неподвижной части волноводного тракта к вращающейся, идущей к антенной системе.

Тактико-технические характеристики АС

Антенная система имеет следующие технические характеристики:

- рабочая частота 5625 ± 10 МГц;

- вид диаграммы направленности – «игольчатая»;

- поляризация излучения

– горизонтальная, уровень поля кроссполяризации в направления главного максимума ДН не более минус 20 дБ;

- ширина диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях не более 1,0° на уровне половинной мощности;

- коэффициент усиления антенны – не менее 45 дБ;

- уровень боковых лепестков диаграммы направленности не превышает минус 29 дБ;

- антенная система по стойкости, прочности и устойчивости к воздействию механических и климатических факторов соответствует группе 1.1 исполнения УХЛ по ГОСТ РВ 20.39.304-98 с учетом следующих требований по климатическим воздействиям:

- диапазон предельных температур от минус 60°С до 50°С;

- диапазон рабочих температур от минус 50°С до 40°С;

- относительная влажность 98% при t=25°С;

- минимальное атмосферное давление 525 мм рт. ст.;

- скорость ветра до 50 м/с.

Антенная система размещается внутри радиопрозрачного укрытия сферической формы.

Расчет основных параметров антенной системы

Существующие метеорологические радиолокаторы используют зеркальные антенны с параболоидными отражателями, диаметр раскрыва которых зависит от назначения радиолокатора, выбранного диапазона рабочих частот и от требований к ширине диаграммы направленности и уровню боковых лепестков.

Д
ля проектируемого радиолокатора, с учетом предъявляемых требований и имеющегося опыта, наиболее целесообразным представляется использование в качестве антенны параболического отражателя с рупорным облучателем, причем диаметр отражателя предварительно может быть определен по формуле:

где: λ - длина рабочей волны (в данном случае λ = 53,3 мм);

θ₀ =1° - ширина диаграммы направленности антенны на уровне половинной мощности;

K ≈ 65…80 - коэффициент, зависящий от заданного уровня боковых лепестков.

У антенн с расчетным уровнем боковых лепестков ниже минус 30 дБ коэффициент К выбирают равным 75…79.

При K = 75 диаметр отражателя должен быть равным D 4000 мм.

Основные геометрические параметры рассматриваемой антенны показаны на рис. 10.


Рис. 10 Геометрические соотношения антенны с параболическим отражателем

Параболический отражатель характеризуется отношением фокусного расстояния f к диаметру. При выборе отношения f/D необходимо ориентироваться на возможность создания оптимального амплитудного распределения поля в раскрыве антенны, обеспечивающего требуемую ширину диаграммы направленности, заданный уровень боковых лепестков и допустимый уровень кроссполяризации.

Известно, что симметричные параболические отражатели имеют максимумы поля кроссполяризации в плоскостях, развернутых относительно вертикальной и горизонтальной плоскости на 45°. Уровень кроссполяризации зависит от типа облучателя и от отношения f/D и чем больше это отношение, тем меньше уровень кроссполяризации. При выборе параметров отражателя для антенны ДМРЛ-С примем отношение f/D = 0,4, позволяющее гарантировать уровень поля кроссполяризации ниже минус 20 дБ.

Диаграмма направленности антенны определяется распределением амплитуд и фаз поля по раскрыву антенны. В связи с этим рассмотрим распределение амплитуд по раскрыву при облучении отражателя рупорным облучателем, размеры которого в H и E плоскости соответственно равны a и b (рис. 4.1.1). В соответствии с заданием E - плоскость совпадает с горизонтальной плоскостью.

Диаграмма направленности рупорного излучателя выражается функциями:

- в плоскости E:



и в плоскости H:



Здесь: b и a – размеры раскрыва рупора в плоскостях Е и Н, соответственно;

;

.

В соответствии с приведенными уравнениями была проведена численная оптимизация размеров раскрыва рупора a и b. В результате этих расчетов было установлено, что наиболее оптимальными размерами рупора при отношении f/D = 0.4 являются a = 61 мм и b = 45 мм.

При выбранных размерах облучателя распределение амплитуд поля по раскрыву антенны в плоскости H и E практически одинаковы и показаны на рис. 11. Красным цветом показано распределение в Е-плоскости рупора, синим – в Н-плоскости, а черным штрих-пунктиром – распределение вида

E(ρ)=0,15+0,85cos²(0,25π ρ/D).



Рис. 11 Расчетные распределения поля по раскрыву антенны

Расчетные диаграммы направленности антенны в главных плоскостях приведены на рис. 12.



Рис. 12 Расчетные диаграммы направленности антенны

(красный – в Е-плоскости, синий – в Н-плоскости).

Как видно из рис. 12 диаграмма направленности антенны имеет ширину на уровне минус 3 дБ ₀ = 1,0, а расчетный уровень боковых лепестков ниже минус (31…32) дБ. В действительности, из-за неточности изготовления отражателя, затенения отражателя облучателем и тягами фермы крепления облучателя, уровень бокового излучения повышается. Указанный выше уровень боковых лепестков рассчитан, исходя из амплитудного распределения поля синфазного раскрыва. При этом не было учтено боковое излучение, обусловленное излучением облучателя, которое не перехватывается зеркалом, точностью изготовления поверхности отражателя, влиянием тени от облучателя, подводящего волновода и крепления облучателя.

Для уменьшения затенения, создаваемого подводящим волноводом, наружные размеры которого 52х28 мм, целесообразным является вывод волновода через центр отражателя, а размещение опор тяг на 2/3 радиуса зеркала.

Как показывают расчеты, а также опыт разработки антенных устройств с использованием параболических отражателей, затенение раскрыва приводит к увеличению уровня боковых лепестков на (1 - 1,5) дБ.

Следует заметить, что для обеспечения заданного уровня боковых лепестков минус 29 дБ допуски на точность поверхности отражателя должны быть достаточно жесткими. Расчетные ДН антенны при случайно равномерно распределенной ошибке изготовления профиля зеркала от 0 до 0,5 мм показаны на рис. 13.



Рис. 13 Расчетные диаграммы направленности антенны с ошибками реализации профиля зеркала до 0,5 мм.

(красный – в Е-плоскости, синий – в Н-плоскости, пурпурный – в Е-плоскости при распределении E(ρ)=0,15+0,85cos²(0,25π ρ/D))
Для рассматриваемой нами антенны отклонения от теоретического профиля не должны превышать 0,4 мм в центре отражателя (в радиусе 1500 мм). На оставшейся части поверхности допустимы отклонения до 0,8 мм.

Одним из методов реализации такой точности изготовления отражателя при его серийном выпуске может быть технология изготовления методом выклеивания на шаблоне.

Расчетное значение коэффициента направленного действия антенны без ошибок составляет 45,8 дБ.

Поскольку запаса по параметрам антенны при диаметре раскрыва 4000 мм и простом рупорном облучателе, практически, нет (на покрытие технологических и метрологических погрешностей) представляется целесообразным оптимизировать облучатель таким образом, чтобы облучение раскрыва зеркала было ближе к виду E(ρ)=0,15+0,85cos²(0,25πρ/D), например, путем введения диэлектрической линзы в раскрыв рупора. При этом, как видно из рис. 4.1.4, даже при заметных ошибках реализации поверхности зеркала УБЛ остается достаточно низким.

Фидерный тракт

Фидерный тракт предназначен для передачи СВЧ энергии от выхода передатчика до входа антенны и от выхода антенны до входов приемника.

Соединение блоков волноводного тракта АФС между собой и с аппаратурой ДМРЛ осуществляется либо непосредственно фланец к фланцу, либо через вставки из прямых или угловых волноводов.

Фидерный тракт включает в себя:

1 Антенный переключатель (АП) состоящий из Y-циркулятора и вентиля (Y-циркулятор + нагрузка) — 1 шт.

2 Направленный ответвитель (НО минус 80 дБ) – 1 шт.

3 Направленный ответвитель (НО минус 65 дБ) – 2 шт.

4 Фильтр гармоник — 1 шт.

5 Направленный ответвитель (НО минус 30 дБ) — 1 шт.

6 Защитное устройство (ЗУ) — 1 шт.

7 Волноводно-коаксиальный переход — 4 шт.

Схема фидерного тракта представлена на рисунке 14



Рисунок 14 – Структурная схема фидерного тракта

Антенный переключатель обеспечивает режим "прием-передача" и состоит из Y-циркулятора и вентиля. Циркулятор предназначен для передачи СВЧ-энергии от передатчика к антенне (плечи циркулятора 12) и передачи энергии от антенны к приемнику (23). Вентиль состоит из аналогичного Y-циркулятора и волноводной нагрузки и предназначен для защиты передатчика от мощных отражений при ухудшении КСВ путем передачи отраженной энергии из плеча 2 в плечо 3, содержащее нагрузку.

Циркулятор и вентиль имеют следующие основные параметры:

• 
  коэффициент стоячей волны (Кст) по напряжению со стороны входа на согласованную нагрузку, не более 1,25;
  
• 
  прямые потери между каналами 1-2, не более, дБ 0,2;
  
• 
  обратные потери между каналами 2-1, не менее, дБ 20;
  
• 
  Максимальная импульсная мощность на входе, кВт 20.
  

Направленный ответвитель (НО 80 дБ) с переходным ослаблением минус 80 дБ предназначен для ответвления сигнала в канал контроля фазы излучаемого сигнала.

Направленные ответвители (НО 65 дБ) с переходным ослаблением минус 65 дБ предназначены для ответвления сигнала в канал контроля проходящей мощности и канал контроля отраженной мощности.

Направленный ответвитель 30 дБ предназначен для ответвления приемного сигнал в дополнительный приемный канал.

Фильтр гармоник предназначен для защиты посторонних радиоэлектронных средств, а также аппаратуры изделия ДМРЛ-С от гармонических составляющих излучаемого и принимаемого сигналов.

Блок имеет следующие характеристики в рабочем диапазоне частот:

• 
  коэффициент стоячей волны (Кст), не более 1,15;
  
• 
  потери, не более дБ 0,15;
  
• 
  ослабление, на частотах гармоник не менее дБ 20.
  

Защитное устройство предназначено для защиты малошумящих усилителей приемника (МШУ) от повреждения сигналами собственного передатчика мощностью до 2000 Вт при скважности не менее 20. ЗУ предохраняет МШУ и от несинхронной помехи мощностью до 10000 Вт при скважности 500…1000.

Защитное устройство имеет следующие основные параметры:

• 
  потери, не более, дБ 1,0;
  
• 
  максимальная мощность, при Q = 20, Вт 2000;
  
• 
  мощность на выходе, не более, Вт 20.
  

Волноводно–коаксиальные переходы предназначен для преобразования волны H10 в волну TEM.

ВКП имеет следующие основные параметры:

• 
  КСВН, не более 1,25;
  
• 
  максимальная импульсная мощность, кВт 10.
  

Общая длина волноводного тракта от фланца выхода передатчика до точки "запитки" антенны при размещении составляет не более 2-3 метров. Потери в волноводном тракте при использовании волновода 24 х 48 мм не более 0,3 дБ.

Таким образом, суммарные потери на прием-передачу составят менее 3 дБ.

Система управления антенной

Назначение

Система управления антенной (электропривод антенны) предназначена для перемещения антенны метеорадиолокатора в пространстве по двум координатам: азимуту (в горизонтальной плоскости) и углу наклона (в вертикальной плоскости).

Технические характеристики

Электропривод антенны обеспечивает следующие основные параметры:

- пределы перемещения по азимуту – круговое вращение 0° ÷ 360°

- пределы перемещения по углу наклона (рабочие) минус 1  92

- скорость вращения антенны по азимуту, регулируемая (задаваемая) в пределах, об/мин 1  10

- скорость перемещения по углу наклона, максимальная, /с 16

- точность установки антенны в режиме позиционирования 0,1

- управление электроприводом антенны автоматическое от управляющего вычислительного комплекса (УВК).

В состав электропривода антенны метеорадиолокатора входят:

- блок управления приводом (БУП);

- колонна привода.

Устройство и работа электропривода антенны

Электропривод антенны метеорадиолокатора представляет собой две идентичные следящие системы: электропривод азимута и электропривод угла наклона. Выходные оси исполнительных двигателей кинематически связаны с антенной, что приводит к её перемещению в пространстве в двух плоскостях: горизонтальной (по азимуту) и вертикальной (по углу наклона). Управление электроприводами осуществляется с управляющего вычислительного комплекса, отвечающего за обработку всей радиолокационной информации по цифровым входам сервоконтроллеров.

Схема электрическая функциональная электропривода антенны представлена на рисунке 15.

От УВК на вход БУП поступают команды, определяющие тот или иной режим работы электропривода: вращение, качание и позиционирование. После обработки и определения характера команд, в БУП формируются напряжения 3-х фазного тока регулируемой частоты, поступающие на исполнительные двигатели по каждому каналу электропривода: по азимуту на механизм вращения и по углу наклона механизм качания.

Исполнительные двигатели представляют собой трехфазные электродвигатели с постоянными магнитами на роторе (вентильные двигатели) и электрической коммутацией фаз обмотки статора. Коммутация фаз осуществляется в зависимости от положения ротора двигателя. В качестве датчика положения ротора используется встроенный в двигатель датчик, информация с которого поступает на логические устройства преобразователя.

Встроенные в преобразователи БУП микропроцессоры осуществляют обработку сигналов датчика положения ротора и формируют управляющие сигналы на силовую часть преобразователей таким образом, чтобы осуществить качество управления электроприводами с необходимыми параметрами (демпфирование, жесткость).

Питание электропривода осуществляется от первичной трехфазной сети 3N 50 Гц 230/400 В. Потребляемая мощность не более 700 Вт по каждому каналу. Так как исполнительный двигатель привода угла наклона и сам механизм качания установлены на механизме вращения, в колонне привода предусмотрен токосъёмник.

4.1.3.4 Блок управления приводом (БУП)

БУП предназначен для управления исполнительными двигателями механизмов вращения и качания антенны ДМРЛ-С.

БУП принимает команды управления характером перемещения антенны в пространстве по двум координатам: азимуту и углу наклона в виде цифровых сигналов рассогласования с УВК.

Цифровой модуль сервоконтроллеров, входящих в состав БУП, обеспечивает связь между УВК и сервоконтроллерами по любому из стандартных интерфейсов: RS-232; RS-485; CAN; Ethernet.

БУП формирует напряжения 3-х фазного тока, поступающие на вентильные двигатели механизмов вращения и качания антенны.

В состав БУП входят:

- сервоконтроллер 2 шт.

- сетевой дроссель 2 шт.

- тормозной резистор 2 шт.

Сервоконтроллер содержит силовой 3-х фазный мостовой выпрямитель, блоки анализа и управления логикой работы, необходимые вторичные источники питания, микропроцессор управления двигателем (его скоростью, позиционированием), блок управления силовыми ключами инвертора, силовой транзисторный инвертор, обеспечивающий подключение статорных обмоток двигателя и управление его скоростью вращения, интерфейсный модуль.

Сетевой дроссель содержит три дросселя, включенные последовательно в каждую из фаз питающего напряжения. Они предназначены для защиты сервоконтроллера от помех и перенапряжений в первичной сети.

Тормозной резистор является нагрузочным резистором и предназначен для сброса энергии в режиме динамического торможения двигателя.

Структурная схема БУП представлена на рисунке 4.1.7.

Работа схемы БУП заключается в следующем. При подаче питающего напряжения на сервоконтроллер происходит его тестирование.

При включении программы управления приводом возможно управление перемещением антенны в штатном (рабочем) режиме.

БУП выполнен в виде открытого блока. Конструкция блока обеспечивает встраивание в стойку с аппаратурой или отдельный корпус, выполненный по 19' системе (рисунок 4.1.8). Масса блока 30 кг.



Рисунок 4.1.8 – Блок управления приводами

4.1.3.5 Колонна привода

Колонна привода предназначена для размещения механизмов, приводящих в движение антенну метеорадиолокатора в двух плоскостях: горизонтальной (вращение) и вертикальной (качание).

Колонна привода является составной частью системы электропривода антенной системы ДМРЛ-С и обеспечивает перемещение антенны в пространстве по 2-м координатам:

• 
  азимуту – круговое вращение со скоростью до 10 об/мин в любом направлении;
  
• 
  углу наклона – секторный режим в пределах от минус 1° до +92° со скоростью до 16 °/с.
  

В состав КП входят:

• 
  механизм вращения;
  
• 
  механизм качания;
  
• 
  токосъёмник.
  

Механизм вращения содержит исполнительный двигатель с редуктором и цифровой датчик угла поворота, соединенный с выходным валом механизма через безлюфтовую передачу в соотношении 1:1.

Механизм качания содержит электродвигатель с редуктором, 14-ти разрядный датчик угла поворота и два микропереключателя типа МП3-1.

Микропереключатели при своем срабатывании сигнализируют о том, что антенна либо поднялась, либо опустилась по углу наклона за пределы рабочего сектора движения в вертикальной плоскости. Микропереключатели установлены таким образом, что один из них срабатывает при угле наклона примерно минус (3 – 4) °, а другой – при +(93 – 95) °.

14-ти разрядный цифровой датчик угла поворота кинематически связан с выходным валом механизма качания через безлюфтовую передачу в соотношении 1:1.

Токосъемник предназначен для передачи электрических сигналов с неподвижной части ДМРЛ-С на качающуюся часть колонны привода, установленной на механизме вращения.

4.1.4 РПУ

Оценочный расчет радиопрозрачного укрытия (РПУ) для метеорадара проведен в заданном диапазоне рабочих частот.

Для расчета были использованы следующие данные:

а) частота - 5600-5700 МГц;

б) диаметр оболочки РПУ - 6000 мм;

в) диаметр антенны - 4500 мм;

г) закон распределения амплитуды поля по раскрыву антенны принят равномерным (худший случай);

е) поляризация поля - перпендикулярная (худший случай);

ж) углы падения электромагнитных волн на стенку оболочки от 0^о до 40^о;

3) конструктивные и диэлектрические характеристики стенки вариантов оболочки РПУ приведены в таблице 4.1.1.

Таблица 4.1.1

Конструктивная схема стенки	Толщина по слоям, мм	Материал	Диэлектрическая проницаемость, e	Тангенс угла диэлектрических потерь, tg d
Вариант 1 Оболочка РПУ диэлектрическая
d1d2 d3 d4d5	d1 = d5	Лакокрасочное покрытие	5,06	0,1100
	d2 = d4	Стеклотекстолит из ткани стеклянной, пропитанной связующим на основе эпоксидной смолы	3.95	0,0140
	d3	Наполнитель - материал, пропитанный связующим на основе эпоксидной смолы	1,149	0,0032
Вариант 2 Оболочка РПУ каркасно-мембранная
d	d	Стеклотекстолит из ткани на основе связующего БФ-2(либо аналогичного) и окрашен лакокрасочным покрытием	3,25	0,01
Металлический каркас	Тип разбивки - 5б Средняя длина металлического стержня 880мм Площадь поперечного сечения металлического стержня 300 мм 2

Расчеты ослабления сухого РПУ (вариант 1) проведены по « Программе расчёта радиотехнических параметров слоистых диэлектрических материалов. Описание 643.32.20.1.7310 – 02-13-01. Владимир: ФГУП «ГНПП «Крона», 2005» и приведены в таблице 4.1.2.

Таблица 4.1.2

Частота, МГц	Суммарное ослабление, вносимое сухим РПУ,дБ, при углах падения
	0о	10о	20о	30о	40о
5600	0,17	0,17	0,18	0,20	0,28
5700	0,18	0,18	0,18	0,20	0,27

Расчеты ослабления сухого РПУ (вариант 2) проведены по «Программе расчета каркасных изделий. Описание 643.33.20.2 73.10 - 02 13 08 Владимир: ФГУП «ГНПП «Крона», 2006» и приведены в таблице 4.1.3.

Таблица 4.1.3

Частота, МГц	Суммарное ослабление, вносимое сухим РПУ, дБ
	За счет каркаса	За счет мембран	Суммарные
5600	0,82	0,05	0,87
5700	0,82	0,05	0,87

Дополнительное ослабление, вносимое за счет стыков панелей и элементов крепления, не превышает 0,2дБ.

Суммарное ослабление, вносимое сухим РПУ составляет:

- для варианта 1 не более 0,5 дБ;

- для варианта 2 не более 0,9 дБ.

Наличие на поверхности РПУ слоя в виде пленки воды во время дождя интенсивностью 10 мм/час увеличивает ослабление на 0,5 дБ.

Во время дождя, когда пленка достигает толщины 0,05 мм, она соскальзывает с наклонной поверхности РПУ и остается только влажная поверхность. Влажная на ощупь поверхность РПУ имеет толщину водной пленки 0,025 мм. Такая пленка невидима, но вносит дополнительное ослабление 0,4 дБ.

Однако наличие водной пленки на поверхности РПУ увеличивает ослабление на незначительный промежуток времени (на время дождя) и быстро восстанавливается при ее высыхании на открытом воздухе.

Гидрофобное покрытие на поверхности оболочки РПУ препятствует образованию сплошного слоя водной пленки, поэтому вода с поверхности стекает струйно, что сокращает потери.

Таким образом, при использовании диэлектрической оболочки РПУ суммарные потери в отсутствии дождя (с дожем) составят не более 0,5 дБ (1,0 дБ).