Анализ работы и расчет волноводного генератора

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Расширение возможностей и круга решаемых задач Современным радиоэлектронным оборудованием способствовало интенсивному развитию теории и практики разработки новых технологий и радиотехнических комплексов на основе управляемых антенных систем с применением вычислительной техники.

Развитие фундаментального направления “Малопараметрическая фокусировка СВЧ энергии” с применением современных радиотехнических средств и решение задач радиолокации в ближней зоне связаны с изучением ряда теоретических вопросов, организацией структуры и процесса управления РТС, его алгоритма и программного обеспечения, решением технических задач и созданием макета управляемой РТС, практическими разработками различных конструкций, устройств СВЧ диапазона. Кроме этого необходимо отработать определенные методики, связанные с проведением измерений и юстировочными работами. Например, для решения радиолокационных задач на малых расстояниях (в ближней зоне- зоне Френеля) предполагается использование современных ФАР, технологии малопараметрической фокусировки СВЧ энергии и управления зоной фокусировки.

Однако для создания таких РТС объемного радиовидения объектов-целей необходимо решение проблем, связанных с самонастройкой и адаптацией, технологией эффективного фазирования и алгоритмического управления, отвечающих требованиям быстродействия.

Таким образом, для решения задачи обнаружения и радиовидения объекта по трем координатам, отработки макета РТС и процесса его управления по быстродействию определяющую роль играют особенность организации каналов управления, тип и возможности используемого вычислителя (ПЭВМ), принцип реализации сопряжения, организации приема - передачи информации, время переходных процессов.

Так при организации сопряжения ПЭВМ- ФАР необходимо преобразовывать сигналы, поступающие с РТС в форму удобную для ЭВМ и, соответственно, сигналы на системной шине ЭВМ- удобную для РТС. Поэтому, если на каждом этапе управления обеспечить максимальное быстродействие, “включая и переходные процессы” то для оптимального использование ЭВМ устройство сопряжения необходимо подключить непосредственно через системную шину. Кроме этого для достижения приемлемого быстродействия, соответствующего реальному времени взаимодействия РТС с целью, рекомендуется включать в структуру системы более современную, быстродействующую с большим объемом памяти машину. Анализ основных причин показывает , что с учетом данных рекомендаций организация каналов обработки и структуры РТС (одноканальная или трехканальная) не будут заметно сказываться быстродействии работы системы.

Фазирванные антенные решетки (ФАР) - это антенные системы, состоящие из элементов с независимым управлением фазой. В решетках подобного типа используется один из распространенных способов электрического сканирования - фазовый. При использовании этого способе сканирования луча осуществляется изменение фазовых сдвигов возбуждения отдельных элементов решетки. Управляют фазовым распределением с помощью электронных устройств ,инерционность которых на несколько порядков меньше инерционности устройств, используемых для механического и электрического сканирования.

Применение ФАР позволяет осуществить не только быстрое сканирование, но и управление формой диаграммы фокусировки (направленности),увеличить излучаемую мощность за счет сложения во внешнем пространстве мощностей большого числа генераторов, размещенных в каналах излучателей; повысить помехозащищенность РЛС за счет формирования при сканировании “провалов” в ДН решетки в направлениях на источники помех.

В общем случае потенциальные возможности фазированных антенных решеток могли быть реализованы лишь после решения ряда теоретических и практических проблем. При создании подобных многоэлементных систем возникает проблема формирования луча и управления им. Еще большие сложности возникают при управлении параметрами волнового фронта, и в частности, его кривизной, которая функциональна связана с дальностью до источника излучения. Зафиксировав амплитудно-фазовое распределение поля, рассеянного объектом, и осуществив обращение измеренного волнового фронта, реализуем фокусировку СВЧ-энергии в окрестности места измерения. Естественно, что для выполнения всех этих операций требуется ЭВМ, позволяющая производить автофокусировку, самонастройку и адаптацию РТС к внешней обстановке в соответствии с поставленными задачами.

Для управления РТС радиовидения электронно-вычислительной машиной необходимо устройство сопряжения, обеспечивающее двустороннюю передачу данных с нужной скоростью, по необходимому числу каналов. Кроме этого, устройство сопряжения должно преобразовывать сигналы, поступающие на РТС, в форму, удобную для ЭВМ. Соответственно, сигналы на системной шине ЭВМ, являющиеся продуктом реализации заданного алгоритма обработки входной информации, должны быть представлены к виду, удобному для РТС.В макете РТС фокусировки (для определения пространственных координат в ближней зоне методом измерения параметров волнового фронта) связь с ЭВМ производится через стандартные порты ввода/вывода. В используемой ФАР количество фазовращателей 26х26,поэтому количество информации, необходимой для перефазировки ФАР, получается довольно большим и не может быть передано через стендартные порты с достаточной скоростью.

Поэтому необходимо разработка устройства сопряжения, реализующего обмен по системной магистрале (шине) компьютера. Для сравнения, скорость обмена через параллельный интерфейс Centonics- до 100 Кбайт/с, через последовательный интерфейс RS-232С- до 10 Кбайт/с, по системной магистрали -до 5 Мбайт и выше.

Порядок обмена по системной магистрали. Особенности магистрали

Вид структурной схемы разрабатываемого система сопряжения зависит как от характера решаемой им задачи, так и от особенностей системной шины компьютера. Поэтому необходимо остановится именно на данном вопросе.

В качестве основной системной магистрали желательно выбрать магистраль ISA.Это объясняется тем, что разъемы ISA имеются как в старых IBM PC XT, так и в новейших Pentium- компьютерах. Если предположить что программное обеспечения РТС выполнено на должном уровне, если применяются аппаратные средства с максимальным быстродействием, если время переходных процессов минимально, в этом случае имеет смысл устройство сопряжения подключать через системную шину.

Назначение сигналов магистрали:

SA ….. SA19-фиксируемые адресные разряды. Используется для передачи 20 младших разрядов памяти и для устройств ввода/вывода;

LA17…..LA23- нефиксируемые адресные разряды. Используется для адресации памяти и выработки сигнала сообщения о 16-разрядной организации;

BALE- сигнал стробирования адресных разрядов;

SBHE- определяет тип цикла передачи (8- или 16-разрядный);

SD ….. SD15-разряды данных;

SMEMR, MEMR- стробы чтения из памяти;

SMEMW, MEMW- стробы чтения данных память;

IOR- стробы чтения данных из устройств ввода/вывода;

IOW- стробы записи данных в устройства ввода/вывода;

MEM CS16- сигнал выставляется задатчику о том, что она имеет 16-разрядную организацию;

I/O CS16- сигнал выставляется устройством ввода/вывода о том, что он имеет 16-разрядную организацию;

I/O CH RDY- сигнал готовности канала ввода/вывода;

I/O CH CK- сигнал, сообщающий задатчику об ошибке в канале ввода/вывода;

OWS- сигнал отказа от вставки ожидания;

REFRESH- сигнал о выполнении циклов регенерации динамического ОЗУ компьютера;

RESET DRV- сигнал сброса всех устройств на магистраль;

SYSCLK- сигнал системного тактового генератора (8 МГц или задается в программе SETUP);

OSC- сигнал кварцевого генератора с частотой 14,31818 МГц;

IQR- сигнал запроса радиальных прерываний;

DRQ- сигнал запроса прямого доступа к памяти;

DACK- сигнал подтверждения прямого доступа к памяти;

AEN- сигнал сообщения, что проводится цикл ПДП;

Т/C- сигнал окончания счета циклов пересылок данных;

MASTER- используется платой расширения, желающей стать задатчиком магистрали.

Что касается циклов магистрали, то в режиме программного обмена на магистрали ISA выполняются четыре типа циклов:

- цикл записи в память;

цикл чтения из памяти;

цикл записи в устройство ввода/вывода;

цикл чтения из устройство ввода/вывода;

В данном системе сопряжения для РТС фокусировки только цикл записи выполняется устройством ввода/вывода. Временные диаграммы для этого случая будут следующие рисунок 4.3.

Цикл начинается с выставления задатчиком адреса на линиях SA …SA15 и сигнал SBHE. В ответ на получение адреса исполнитель (УС), распознавший свой адрес, должен сформировать сигнал I/O CS16 (16-разрядный обмен). Далее следует установка записываемых данных, затем следует - строб записи IOW.

Наиболее важными при проектировании система сопряжения являются следующие временные параметры:

задержка между выставлением адреса и передним фронтом строба обмена (не менее 91 мс), которая определяет время распознавание своего адреса проектируемым УС;

длительность строба обмена (не менее 176 мс);

задержка между задним фронтом сигнала IOW и снятием записываемых данных (не менее 30 мс),- которая определяет требование к быстродействию принимающих данных узлов УС.

Основные интерфейсные функции системы сопряжения

При составлении структурной схемы система сопряжения (СС) необходимо учитывать основные интерфейсные функции, выполняемые данным устройством и устройствами, входящими в его состав.

Буферирование магистральных сигналов применяется для электрического согласования и выполняет две функции: электрическую развязку (для всех сигналов) и передачу сигналов в нужном направлении (только для двунаправленных сигналов). В проектируемом устройстве сопряжения предполагается один однонаправленный поток информации от ЭВМ к ФАР (предполагается оставить в первоначальном виде схему сопряжения АЦП с ЭВМ, имеющую достаточно высокие временные параметры). Буферирование будет применятся для электрической развязки, то есть для обеспечения нужных входных и выходных токов.

Функцию селектирования или дешифрации адреса выполняет узел, называемый селектором адреса, который должен вырабатывать сигналы, соответствующие выставлению на шине адреса магистрали кода адреса, принадлежащему данному узлу системы сопряжения.

Для адресации при реализации данного СС используем адреса 300-31F (в 16-м представлении). В десятичном представлении это соответствует интервалу 768-789.

Используем адрес 768 для установки триггеров регистров СС в “0“;

769- для указания номера строки ФАР, в которую записываются данные;

770-774- передача данных для заполнения буфера ФАР;

775- запись в строку ФАР;

776- перефазировка ФАР;

777- сброс в буфер ФАР;

Так как будет использоваться асинхронный обмен, то для адресов 768, 769, 775, 776, 777 будет использоваться формирование задержки с помощью одновибратора и линии задержки (адреса были распределены уже после составления принципиальной схемы).

В случаи обращения по адресам система сопряжения важной функцией интерфейсной части СС - является выработка внутренних стробирующих сигналов синхронно с магистральными командными сигналами (в данном случаи IOW). При этом на вход данного узла должны подаваться сигналы ADR ….ADR n с выхода селектора адреса, а также буферированные магистральные стробы записи и чтения (в данном случаи строб записи IOW). Выходы - это сигналы STR….STR n, соответствующие сообщениям с записью или чтением ко всем адресам или группам адресов УС.

Реализация асинхронного обмена осуществляется, когда “медленный” исполнитель приостанавливает работу задатчика на время выполнения им требуемой команды. Применительно к РТС радиовещания это относится к процессу перефазировки ФАР, требующему определённое время. Кроме этого требуется учесть интервалы времени, необходимые для сброса данных в буфер ФАР, для записи в буфер ФАР и.т.д., все, что касается параметров ФАР.

Поэтому единственно возможным режимом работы СС является асинхронный обмен. В этом случаи надо использовать сигнал I/O CH RDY, снятие которого (установка в состояние логического нуля) говорит о неготовности исполнителя к окончанию цикла обмена. Приостановка производится на целое число периодов SYSCLK и не может быть дольше системного ожидания 15,6 мкс.

Можно выделить две ситуации: когда существует внутренний сигнал СС, говорящий об окончании функции записи или чтения, и когда такого сигнала нет, то принимаем за исходную информацию, когда такого сигнала нет.

Если сигнал от СС отсутствует в явном виде, но известно время выполнения функции или его верхний предел, то необходимо сформировать задержку в самой интерфейсной части. В противном случаи схема усложняется, соответственно усложняется и настройка.

Структурная схема системы сопряжения

В предлагаемой составленной структурной схеме адресная шина буферируется и подается на селектор адреса. Также на селектор адреса поступает буферированный сигнал AEN. При выставлении любого адреса УС получаем отдельные сигналы, буферируем его и подаем на линию I/O CS16 шины. Сигналы, соответствующие 10-ти адресам СС, и сигнал записи IOW поступают на узел выработки внутренних стробирующих сигналов STR. Пять полученных сигналов управляют регистром хранения информации о фазовом распределении в строке ФАР, дают разрешение на запись информации. Пять других сигналов поступают на формирователи задержки DK, обеспечивая

тем самым асинхронный обмен. В узле задержек формируется сигнал I/O CH RDY, обеспечивающий асинхронный обмен. Один из сигналов, поступающих на DK, подается на узел формирования номера строки ФАР, в которую будет производится запись. Сигналы с шины данных буферируются (Буф.2), затем поступают на другой буфер (Буф.3), для того, чтобы иметь возможность подавать их на все регистры устройства сопряжения. Из регистров хранения (RG) информация переписывается в соответствующую строку ФАР.

Разработка функциональной схемы системы сопряжения

Выбор функциональной схемы будем производить на основании структурной схемы, приводя в развернутом виде наиболее важные с точки зрения “читаемости схемы” узлы.

Формирование сигнала системы сопряжения I/O CS16, сообщающего задатчику о том, что необходим 16-разрядный обмен, формируется элементами DD28-2, DD28-3, DD48-1. Сигнал I/O CS16 вырабатывается только тогда, когда на шине адреса выставляется один из адресов данного СС. Сигнал буферируется и поступает на шину.

Адресный селектор выделяет 16 адресов (6 из них резерв). Сигналы, полученные в результате выставления адреса на адресной шине, стробируются сигналом записи IOW (по заднему, положительному фронту этого сигнала). Выработка внутренних стробирующих сигналов производится с помощью элементов И-НЕ (на функциональной схеме DD4, DD5). Сигнал IOW предварительно буферируется. В данном УС применяется один тип буферного усилителя- КР1533АП5. Характеристики данной микросхемы позволяют подключать до двух входов на линию магистрали.

Шина данных (SD ….SD15) буферируется, а затем с помощью аналогичных буферных усилителей разбивается на пять параллельных потоков, нагруженных на регистры хранения. Разрешение на передачу данных буферными усилителями и на запись информации в соответствующий регистр дает стробированный сигнал соответствующего адреса.

При управлении данной схемой СС предполагает программное выставление соответствующих адресов непосредственно один за другим, не определяя никаких интервалов между данными операциями, поэтому там, где СС требует некоторое время поставленной задачи, используются задержки в самом устройстве сопряжения. Это относится к командам управления непосредственно ФАР, параметры которой неизвестны разработчику. Задержка осуществляется с помощью одновибратора КР1533ЛЕ7 (на функциональной схеме DD12) и сигнал задержки, соответствующий выставленному адресу, подается на линию магистрали I/O CH DRY (принимает значение логического нуля). Цикл обмена продлевается на целое число периодов сигнала SYSCLK.

Выставление на адресной шине магистрали адреса 769 вызывает увеличение номера строки ФАР, в которую будет записываться данные о фазовом распределении, на единицу. При этом задатчик (ЭВМ) также осуществляет необходимую задержку.

Указатель номера строки - это 5-ти разрядный счетчик КР1533ИЕ5 и триггер КР1533ТВ6. Во время сброса данных в буфер ФАР счетчик также обнуляется.

Команды сброса, записи и перефазирования ФАР осуществляются программно путем выставления на адресной шине соответствующего адреса.

Предполагается, что к ФАР прилагается схема комбинированных импульсов (СКИ) и кварцевый генератор (КГ).

Запись в регистры хранения СС осуществляются двухбайтовыми словами. Для заполнения всех регистров требуется 5 тактов. Адресный селектор предполагается выполнить с использованием дешифратора. Обращение в выбранную зону адресов (768-789) будем осуществлять с помощью узла, выполненного на логических элементах, а обращение к адресам, выбранных для данного СС- с помощью дешифратора.

Расчет основных каскадов и устройств

Селектор адреса.

Для адресации при реализации данной СС используются адреса 300-31F (в 16-м представлении). В десятичном представлении это соответствует интервалу 768-789. Используем адрес 768 для установки триггеров регистров в “0”, 769- для указание номера строки ФАР, 770-774- передача данных для заполнения буфера ФАР, 775- запись в строку ФАР, 776- перефазировка ФАР, 777- сброс в буфер ФАР.

Селектор адреса выполним с использованием микросхемы дешифратора. Кроме того, буферируем адресную шину.

Входные каскады СС должны обеспечивать уровень входного тока не более 0,8 ма, а выходные каскады ток не менее 24 ма. Этим требованиям удовлетворяют следующие серии микросхем: КР1533, К555, К1554.

Для буферирование адресной шины выберем микросхемы КР1533АП5 ( DD43, DD44), для селектора адреса - КР1533ИД3 (DD30) и КР1533ЛА2 (DD31). Входы дешифратора и элемента 8И-НЕ подключены к адресной шине магистрали (через буфер), используются разряды SA0-SA9. Схема позволяет использовать 16 адресов (используется 10) в пределах зоны, задаваемой элементом 8И-НЕ и инверторами КР1533ЛН1.

На селектор адреса через буфер DD43 заведен сигнал AEN для того, чтобы не мешать работе АЦП, происходящей в режиме прямого доступа к памяти.

Формирование внутренних стробирующих сигналов.

Обеспечение асинхронного обмена

Для выработки стробирующих сигналов, с целью обеспечения синхронизации с сигналом записи IOW используем микросхемы DD24, DD25, DD26(1-2) (КР1533ЛА3), DD25, DD28(1-4) (КР1533ЛН1). При поступлении сигнала с селектора адреса на выходе схемы он будет присутствовать лишь при наличии сигнала записи в систему сопряжения IOW. Как уже оговаривалось, по пяти адресам необходимо использовать асинхронный обмен. Формировать задержки осуществляются с помощью одновибратора и линии задержки. Сигнал с селектора адреса, синхронизированные сигналом записи IOW, поступают на одновибраторы DD32-DD36 (КР1533ФГ3). Величина задержки задается элементами С1-С5, R10, R12, R14, R16, R18 и элементами DD40, DD41(1-2) (КР1533ЛА23). С элемента DD37 (КР1533ЛЕ7) сигналы подаются на линию шины I/O CH RDY (через буфер DD43). В случае, если СС не успевает выполнить требуемую операцию (в данном случае это определяется временем задержки по соответствующему адресу), этот сигнал делается (низким) устройством сопряжения по переднему фронту сигнала IOW.

Передача данных о фазовом распределении на ФАР

В данной СС осуществляется 16-разрядный обмен (программно должен выставляться сигнал MEM CS16). Кроме того, с СС при обращении к любому адресу, выдается сигнал I/O CS16. Для этого используется элемент DD37-2 (К555ЛЕ7).

Шина данных подключена к приемникам DD11-DD12, DD13-DD14, DD15-DD16, DD17-DD18,DD19-DD20 (КР1533АП5) через приемники DD21, DD22. Выходы этих приемников к которым подводится шина данных, подключены соответственно к регистрам хранения DD1-DD2, DD3-DD4, DD5-DD6, DD7-DD8, DD9-DD10 (КР1533ИР34). Выходы регистров через разъем X1 подключены к выходу ФАР. Сигналы, соответствующие выставлению адресов 770-774, подаются на входы разрешения записи соответствующих пар регистров. Указатель номера строки ФАР, в которую будут записываться данные о фазовом распределении, выполнены на микросхемах DD38, DD39 и представляет собой 5-разрядный счетчик. Сигналы изменения состояния счетчика подаются программно выставлением адреса 769.

Порядок перефазировки ФАР

Перефазировка ФАР осуществляется в следующем порядке:

Программно выставляется сигнал MEM CS16.

26 3-разрядных слов, несущих информацию о фазовом распределении 1-й строки ФАР, программно преобразуются в пять 2-х байтовых слов (2 последних разряда 5-го слова- 0), заносятся на шину данных.

Выставляется адрес 768, при этом обнуляется содержимое регистров СС, затем адрес-777.

Выставляется адрес 769, номер строки увеличивается на единицу.

Выставляется адрес 770, затем сигнал IOW. Затем аналогично выставляются адреса 771-774.

Выставляется адрес 775, происходит запись в строку ФАР. Аналогично происходит запись в строки 2-26 (пункты 2,4,5,6).

Выставляется адрес 777, происходит сброс в буфере ФАР и обнуляется счетчик указателя номера строки.

Последующие перефазировки производятся аналогично.

Следует отметить, что, в случае если неизвестны параметры фазовращателей, то даном дипломном проекте предлогается применяемый в макете кварцевый генератор и схему калиброванных импульсов считать, как составную часть антены.

Имеется возможность использовать 6 резервных адресов 778-783. Узел выполнен на элементах DD27, DD26(3-4) (КР1533ЛА3).При этом используется шесть дополнительных выводов с селектора адреса, а также производится стробирование сигналом IOW.

Расчет узла формирования задержек

Одновибратор КР1533АГ3 является одновибратором с повторным запуском, реагирует на запускающие переходы даже во время формирования выходного импульса. В этом случае на прямом выходе остается сигнал высокого уровня и будет оставаться сколь угодно долго, если время между запускающими переходами будет меньше, чем длдительность выходного сигнала, реализуемого от одиночного запускающего перехода с учетом времени восстановления одновибратора. При асинхронном обмене приостановка производится на целое число периодов SYSCLK и не может быть дольше системного времени ожидания 15,6 мкс. Поэтому эту особенность одновибратора необходимо учитывать в программном обеспечении СС.

Внешние компоненты (С1-С5, R10,R12, R14, R16, R18) определяют длительность выходного импульса. Величина R=Rmin определяется требованием, чтобы напряжение на базе транзистора VT4 не превышало уровня 1,98, иначе триггер не будет переключатся (рис. ). Учитывая факторы разброса, Rmin должно быть не менее 5 кОм (рисунок 4.2.).

Величина R=Rmax определяется требованием удержания триггера в состоянии: VT4 - открыт,VT5 - закрыт. В технических условиях указывают Rmax=25кОм.

Процесс формирования выходного импульса включает в себя два этапа. Первый этап начинается при подачи на вход одновибратора запускающего перепада. Формирователь D3 узкого импульса организует уровень “0” на базе транзистора VT2 и закрывает его. В результате этого открывается транзистор VT3. Причем напряжение на его коллекторе скачком уменьшается до уровня 0,9 В (UVD1+ Uкэ нас VT3),триггер обеспечивает формирование на прямом выходе одновибратора уровня “1”. Так как напряжение на конденсаторе С перед запуском , близко к нулю, отрицательный перепад с 1,6 до 0,9 В на контакте 7 микросхемы передается на вывод 6, подтверждая тем самым закрытое состояние транзистора VT2 и открытое VT3. На контакте 7 напряжение фиксируется на уровне 0,9 В, а напряжение на контакте 6 начинает возрастать за счет заряда конденсатора С через резистор R1 с постоянной времени Т =R C. Длительностью 1 первого этапа формирования можно определить по формуле:

Tln[(U()-U1)/(U()-U2)],

где U()=Uип=5 В;U1=0,9 B;u2=1,5 B.

1=T1ln[(U()-U1)/(U()-U2)]=R1Cln[(5-0,9)/(5-1,5)]0,24C,

где 1-в наносекундах, С- в пикофарадах.

Второй этап формирования длительности выходного импульса начинается при фиксированном напряжении 1,7 В на контакте 6, напряжении 1,1 В на контакте 7, закрытых транзисторах VT3 и VT4.На этом этапе напряжение на контакте 7 начинает возрастать за счёт заряда конденсатора С через внешний резистор R и стремится к уровню Uип с постоянной времени Т =RC.Как правило, когда напряжение на контакте 7 достигает уровня 1,9 В, триггер переключается в состояние:

VT4 - открыт,VT5-закрыт; и на прямом выходе одновибратора формируется уровень “0”.

На этом заканчивается формирование выходного импульса одновибратора. Длительность второго этапа можно определить по формуле:

Tln[(U()-U1)/U()-U2]

где U()=Uип = 5 В; U1=1,1 В; U2= 1,9 В.

2=ln(U()-U1/U()-U2)=RCln((5-1,1)/(5-1,9))=0,23RC

Длительность выходного импульса

вых=1+20,24С0,23RCC(0,24+0,23R), отсюда

С=вых/(0,23R+0,24)

Здесь вых - в наносекундах, С-в пикофорадах, R- в омах.

Для уменьшения времени восстановления одновибратора следует увеличивать сопротивление R.С другой стороны для увеличения помехозащищённости следует R уменьшить. Целесообразно взять среднее значение, т.е. выбираем R10=R12=R14=R16=R18=10 Ком.

Для максимально возможной задержки 15,6 мкс требуется включить ёмкость С :

C/0,23RC15600/(0.2310000)=6.8 (пФ).

т.е. реально в данной СС емкость конденсаторов С1-С5 может находиться в пределах 2,26,8 (пФ); подбираются при настройке. Если потребуется меньше время задержки, необходимо уменьшить сопротивление R до 4-5 кОм.

Элементы DD 40,DD 41(1-2) на время задержки практически не оказывают, влияния, обеспечивая при этом благоприятный режим для работы одновибраторов.

Сопротивления R9,R11,R13,R15,R17 предназначены для создания уровня логической единицы на выводах сброса одновибраторов. Входной ток микросхем серии КР 1533 колеблется около 0,8 мА, следовательно

R=Uип/Iвх=5/0,0008=6250 (Ом).

Выбираем R9=R11=R13=R15=R17=6,2 (кОм).Такой же величины принимают сопротивления R1R8, которые выполняют аналогичную функцию ( а также R19R23).

Оценка быстродействия системы сопряжения

При оценке быстродействия СС учитывается как быстродействие используемых элементов, так и особенности обмена по системной магистрали.

Задержка между выставлением адреса и передним фронтом строба обмена определяет время распознавания своего адреса предлагаемым устройством сопряжения и не может быть меньше 91 нс. Другими словами, если элементы селектора адреса вносят эту задержку менее 91 нс, то на аппаратном уровне можно не учитывать.

Для дешифратора КР1533 ИД3 время задержки распространения при включении.

tзд.р=33 нс, при выключении tзд.р=32 нс, для микросхемы КР1533 ЛА2 соответственно 35 и 20 (нс), для микросхемы КР1533 ЛН1-также tзд.р=12 нс.

Суммарная задержка элементов селектора адреса и блока выработки внутренних стробирующих сигналов будет (например, возьмём цепочку элементов DD44, DD29, DD31,DD30,DD45,DD24) равна их сумме:

1+2+3+4+5+6=13+12335+33+12=117 (нс).

Если суммарное время задержки больше, чем 91 нс, то необходимо учитывать, что чтение данных происходит по положительному (заднему) фронту сигнала IOW , длительность которого не меньше 176 нс. Поэтому можно заключить, что элементы устройства сопряжения не вносят задержки в работу всей системы и при расчете быстродействия достаточно учитывать задержку между выставлением адреса и передним фронтом строба чтения, что в сумме составляет 267 нс.

Во время перефазировки антенны сначала последовательно выставляется 10 адресов, затем 25 раз по 4 адреса, после чего восставляются адрес ещё 2 раза, т.е. в сумме 112 раз. В итого общее время, затрачиваемое на однократную перефазировку ФАР, составляет 30 мкс. Если учесть, что параметры tзд.р и tзд.р измеряются на уровне 0,5, а также задержку, вносимую регистрами хранения СС, то все суммарное время задержки не превысит 276 нс. Полученные 30 мкс определяют задержку собственно системы сопряжения. Здесь не учтена задержка, вносимая ФАР, а так же время, затрачиваемое программой на выполнение алгоритмов РТС. Что касается программной операции, касающейся непосредственно СС, т.е. преобразования 26-ти 3-х разрядных слов в каждой строке, то предполагается что при грамотном программировании она не может занять значительное время. Если предположить, что ФАР вносит задержку в два раза большую, чем СС, т.е. 60 мкс, то перефазировка ФАР происходит не более, чем за 100 мкс.

Анализ работы основных узлов системы сопряжения

магистраль сопряжение стробирующий сигнал

Анализ работы селектора адреса схема которого дана на рис. , показывает, что узел на элементах DD29(1-4), DD31 определяет область адресов для СС 768783 (в десятичном представлении), а с помощью дешифратора DD30 определяется конкретный адрес из этой области. Таблица состояний адресного селектора приводится на рис. .С помощью входов разрешения дешифратора запрещается распознавание адреса при прямом доступе к памяти (работа АЦП) и при непринадлежности выставляемого адреса области 768783.

Задержка между выставлением адреса и передним фронтом строба обмена IOW (не менее 91 нс.) - определяет время распознавания своего адреса системы сопряжения. В данном случае время распознавания адреса будет равно сумме задержек, вносимых элементами DD29, DD31, DD45(DD46, DD47), которые соответственно равны 12, 35 и 12 нс. Но обходимо ещё учесть время задержки буферного усилителя DD44, равное 13нс.

Траспозн= 1+2+3+4=12+35+12+13=72 (нс).

Узел на элементах DD34-2, DD28-2, DD28-3, DD48-1 служит для сообщения задатчику о необходимости 16-разрядного обмена. Задержка, вносимая этеми элементами, намного меньше длительности строба обмена, равной 176 нс.

Фрагмент схемы формирования задержек приведен на рис. .

В данном системе сопряжения реализуется асинхронный обмен с учётом того, что не существует внутреннего сигнала с ФАР, говорящего об окончании выполнения той или иной операции.Если же возникнет необходимость использовать такой сигнал, то достаточно с помощью конденсатора С установить время задержки выше максимально возможного в данном канале, а сигнал окончания операции завести на вывод сброса R.

Расчет системных параметров

Рассчитаем эффективные размеры зоны фокусировки в радиальном направлении:

При

а) м; м; см; м.

б) м; м; см; м.

в) м; м; см; м.

г) м; м; см; м.

а)

м

б)

м

в)

м

г)

м

Рассчитаем эффективные размеры зоны фокусировки в картинной плоскости:

При

а) м; м; см; м.

б) м; м; см; м.

в) м; м; см; м.

г) м; м; см; м.

а)

м

б)

м

в)

м

г)

м

а)

м

б)

м

в)

м

г) м

Рассчитаем коэффициент обеспечивающий фокусировку излучения на расстоянии При:

а) = 0,25 м

б) = 2,5 м

а)

б)

где К- волновое число равное

Знак минус обусловлен тем что для обеспечения фокусировки необходимо иметь отрицательную кривизну волнового фронта.

Рассчитаем эффективную ширину кривой распределения поля по мощности:

при м

при м

где

5. С учетом выше рассчитанного можно определить вид амплитудно-фазового распределения поля:

При: м; м; м; ; ; =-418,67

При: м; м; м; ; ; =-41,87

Эффективная спектральная плотность имеет вид:

поскольку в качестве разрешающей способности по измеряемому параметру для случая измерения наклона кривизны волнового фронта используются размеры зон фокусировки в поперечных плоскостях, то выражение для эквивалентной спектральной плотности для координат X, Y имеет вид:

пологая что ширина зубцов АЧХ когерентного накопителя обратно пропорционально времени наблюдения т.е.

дисперсия флюктуационной ошибки разовых измерений:

Кривизна волнового фронта однозначно определяет дальность до источника радиоизлучения и связана с ней:

поэтому измерение кривизны волнового фронта можно рассматривать как определение дальности до источника излучения и в качестве разрешающей способности по измеряемому параметру использовать выражение:

Выражение для эквивалентной спектральной плотности возмущающего воздействия с учетом этого примет вид:

тогда дисперсия флюктационной ошибки разовых измерений:

Таким образом потенциальную точность измерение дальности до источника излучения путем измерение кривизны волнового фронта, с учетом выражения можно

записать:

Из выражений для и для ошибок измерения наклона волнового фронта (и соответственно направления на источник радиоизлучения), а также волнового фронта (и соответственно дальности до источника) видно, что при одних и тех же апертурах системы и отношении сигнал/шум ошибка измерения кривизны волнового фронта на два порядка выше ошибки измерения наклона. Для того чтобы обеспечить высокое качество процесса фокусировки, т.е. уменьшить ошибки измерения кривизны до величены сравнимых с ошибками по наклону, необходимо увеличить отношение сигнал/шум, что достаточно легко выполнимо при работе источника опорного радиоизлучения в ближней зоне.

Способы сканирования и задачи, решаемые с помощью антенных решеток

Сканирование, т. е. перемещение луча антенны в пространстве, может осуществляться механическим, электромеханическим и чисто электрическим способами. При механическом способе сканирования осуществляется поворот всей конструкции антенны, что сильно ограничивает скорость обзора пространства и требует больших энергетических затрат. При электромеханическом способе сканирования с помощью электюмагнитов или электродвигателей осуществляется механическое перемещение одного или нескольких элементов антенны, что приводит к наклону эквифазной поверхности поля в неподвижном раскрыве. Классическим примером является управление положением луча зеркальной антенны при боковом смещении облучателя. Электромеханический способ обеспечивает лучшее быстродействие, так как движущиеся элементы имеют небольшую массу по сравнению с массой всей антенны. Однако ни механический, ни электромеханический способы сканирования не удовлетворяют современным требованиям к скорости обзора пространства и не дают возможности одновременно следить за перемещениями нескольких быстро движущихся объектов.

Наибольшую скорость обзора обеспечивает электрический способ сканирования. При этом способе амплитудно-фазовое распределение возбуждения в неподвижном раскрыве антенны регулируется с помощью электронно-управляемых устройств, например полупроводниковых или ферритовых фазовращателей и коммутаторов. Быстродействие сканирования здесь ограничивается инерционностью, обусловленной постоянными времени электрических цепей, причем эта инерция на несколько порядков меньше механической инерции в двух первых способах.

Электрическое сканирование реализуется в многоэлементных антенных решетках. Различают фазовое, амплитудное и частотное сканирование. В фазовом способе сканирования регулируются только фазовые сдвиги на входах отдельных излучателей решетки при почти не меняющемся амплитудном распределении. В амплитудном способе сканирования перемещение луча осуществляется переключением входов многолучевой антенной системы, т. е. происходит коммутация парциальных ДН. При частотном способе электрического сканирования управление фазовыми сдвигами элементов антенной решетки происходит при изменении только одного параметра--частоты колебаний, что требует создания специальных частотно-зависимых схем возбуждения элементов решетки.

Принципы управления положением луча антенной решетки при изменении закона фазирования излучателей были известны еще в 20--30-х годах, однако практическая реализация сканирующих антенных решеток с электрическим управлением задержалась до 50--60-х годов. Именно в это время с возрастанием скоростей самолетов, появлением ракет и освоением космоса резко возросли требования к быстродействию радиолокационных средств; Решающее значение сыграло появление ЭВМ, без которых было бы немыслимо скоординировать работу многих сотен или даже тысяч излучателей сканирующей антенной решетки. Немаловажной предпосылкой реализации электрического сканирования явились также успехи в разработке быстродействующих полупроводниковых и ферритовых управляющих устройств.

Многоэлементность антенных устройств, в свою очередь, повлекла за собой расширение круга задач, решаемых радиотехническими системами, и вызвала появление ряда новых принципов в радиосвязи, радиолокации и радиоастрономии. Перечислим наиболее важные задачи, решаемые с помощью многоэлементных антенных решеток.

1. Электрическое сканирование в широком секторе углов.

2. Получение ДН заданной формы путем регулирования амплитуд и фаз возбуждения отдельных излучателей.

3. Возможность когерентного сложения в одном луче мощностей многих генераторов или усилителей мощности колебаний СВЧ для получения больших мощностей излучения, недостижимых в обычных антеннах из-за ограниченной электрической прочности.

4. Более полное извлечение информации из приходящих к антенне электромагнитных волн в результате применения сложных методов совместной параллельной обработки сигналов, принимаемых отдельными элементами антенной системы.

5. Возможность синфазного сложения сигналов, принимаемых системой крупных антенн, для получения очень больших эффективных поверхностей при радиоприеме, недостижимых в обычных антеннах из-за влияния неточностей изготовления.

6. Повышение надежности радиосистемы вследствие параллельного действия многих элементов. Выход из строя, скажем, 20% элементов антенной решетки не приводит к катастрофическому отказу радиосистемы, а лишь несколько ухудшает ее характеристики.

Практическая реализация управляемых антенных решеток осложняется рядом специфических трудностей. К числу мешающих факторов относятся: появление фазовых ошибок в раскрыве из-за неточности действия управляющих устройств, из-за дискретности фазирования, рассогласования и взаимосвязи элементов при сканировании; появление дополнительных потерь мощности СВЧ в управляющих устройствах; относительная узкополосность, связанная с возможностью появления побочных главных максимумов и др. Немалые трудности проистекают из-за высокой начальной стоимости и сравнительно больших эксплуатационных расходов, связанных с периодическими проверками, подстройками и заменой отказавших элементов.

Из изложенного следует, что антенные решетки относятся к числу сложных радиотехнических систем, основанных на многих принципах теории антенн и устройств СВЧ и принципах теории информации. Современные антенные решетки характеризуются большим разнообразием областей применения (наземные и бортовые), различаются по числу элементов (от нескольких единиц до десятков тысяч), по форме раскрыва (плоские, выпуклые, кольцевые и т. д.), по диапазону (от коротких волн до волн оптического диапазона)

Фазированные антенные решетки

Фазированные антенные решетки (ФАР)--это наиболее распространенный класс антенных решеток, позволяющий создавать сканирующие антенные системы как средних, так и очень больших электрических размеров. Различают активные и пассивные ФАР. В активных фазированных антенных решетках (АФАР) каждый элемент возбуждается от отдельного фазируемого генератора или усилителя мощности, а также снабжается переключателем приема-передачи и каскадами, осуществляющими преобразование частоты и предварительное усиление принятых сигналов. Все перечисленные элементы образуют приемопередающий модуль АФАР. Модуль должен иметь небольшие поперечные размеры (0,6--0,7), допускающие его размещение в пределах участка площади раскрыва, приходящейся на один элемент решетки. Модули АФАР часто выполняют по технологии интегральных схем, на основе микрополосковых линий передачи и микрополосковых излучателей. Несомненными преимуществами АФАР являются высокая технологичность, надежность конструкции многоэлементной антенны и кардинальное сокращение длины трактов СВЧ между излучателями и приемопередающей аппаратурой.

В пассивных ФАР все излучатели возбуждаются от общего генератора (или работают на общий приемник). Поэтому неотъемлемой частью пассивной ФАР является распределитель мощности между элементами решетки. Распределители в виде закрытого тракта. Разводка мощности СВЧ к излучателям решетки в распределителях этого типа осуществляется с помощью пассивных многополюсников, состоящих из отрезков линий передачи, тройников, направленных ответвителей и т. п. Различают распределители с последовательным и с параллельным питанием излучателей.

Рис. 1 Схемы последовательного питания излучателей ФАР

Классическая схема последовательного питания линейной эквидистантной решетки показана на рис. 1 . Мощность к каждому излучателю ответвляется от главного тракта, и одинаковые проходные фазовращатели включаются в главный тракт между отводами к соседним излучателям. В качестве ответвляющих элементов могут использоваться реактивные тройники со слабой связью в боковое плечо, а также направленные ответвители с малой связью (развязанное плечо ответвителя замыкается на согласованную нагрузку). Схема компактна, все фазовращатели управляются по одному и тому же закону, так как для отклонения луча на определенный угол фазовый сдвиг между соседними излучателями должен быть одинаковым по длине решетки. В результате упрощается система управления фазовращателями. Однако последовательная схема имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, происходит накопление и возрастание фазовых ошибок и потерь к концу решетки, в связи с чем допустимо использование только точных фазовращателей с очень малыми потерями.

Рис. .2 Схема параллельного питания излучателей ФАР

Во-вторых, через ближайший ко входу фазовращатель проходит почти вся излучаемая мощность и, таким образом, требуются фазовращатели с повышенной электрической прочностью. В-третьих, электрическая длина путей сигналов от общего входа до каждого излучателя оказывается существенно различной, и это может приводить к нежелательному расфазированию решетки на краях рабочей полосы частот. Для выравнивания электрических длин в линии питания излучателей следует включать компенсирующие отрезки линий (штриховые линии на рис. 1 ), что увеличивает размеры распределителя, а потому он уже не является компактным. Фазовращатели в последовательной схеме могут включаться в боковые отводы от главного тракта (рис. 2), однако при этом теряется простота схемы управления.

Параллельная схема питания N-элементной решетки показана на рис. 2 . Эта схема имеет ряд важных преимуществ. Во-первых, можно использовать сравнительно маломощные фазовращатели, так как через каждый из них проходит только 1/N излучаемой мощности. Во-вторых, общие потери мощности в управляющих устройствах определяются ослаблением лишь одного фазовращателя, и поэтому можно использовать фазовращатели с ослаблением, достигающим 1,0--1,5 дБ. Важным преимуществом параллельной схемы является отсутствие накопления фазовых ошибок вдоль раскрыва и возможность выравнивания длины отдельных каналов для обеспечения широкополосности.

Недостатком параллельной схемы является сложность системы управления, так как фазовые сдвиги в каждом фазовращателе различны. Кроме того, имеются трудности хорошего согласования входа распределителя при одновременном делении мощности на много каналов.

Особым случаем схемы параллельного питания является показанная на рис. двоично-этажная схема типа «елочка», в каждом узле которой происходит каскадное деление мощности на две части (возможны варианты схемы с каскадным делением и на большее число частей). В качестве делителей мощности в узлах «елочки» можно использовать простые тройники, мосты, кольцевые резистивные делители мощности. Положительным свойством «елочки» является равенство электрических длин всех каналов, а недостатком--некоторая громоздкость. Используя «елочку» можно упростить схему управления решеткой, если включить фазовращатели в каждый этаж (рис.3). В этом случае для получения линейного фазового распределения с шагом 2 между соседними излучателями все фазовращатели каждого этажа должны отрабатывать одинаковый фазовый сдвиг (с точностью до знака) и число управляющих сигналов уменьшается до числа этажей схемы.

При создании двумерных сканирующих антенных решеток возможны различные комбинации последовательных и параллельных схем питания, особенно если вся решетка предварительно разбита на подрешетки меньших размеров.

Рис. 3 . Двоично-этажная схема питания излучателей ФАР

При выборе той или иной схемы закрытого тракта вопросы определения допустимых ослаблении управляющих элементов, пропускаемой мощности, точности фазирования и допустимой сложности системы управления решают компромиссно. Неоспоримым преимуществом закрытых трактов является возможность равномерного распределения мощности между излучателями (или создание иного заданного амплитудного распределения) и отсутствие паразитного неуправляемого излучения, присущего схемам оптического питания.

Распределители оптического типа. Существует два варианта схем оптического питания решеток: проходная и отражательная. В ФАР, выполненных по проходной схеме (рис.4), специальный облучатель направляет излучаемую мощность на собирающую антенную решетку приемных элементов. Принятая мощность проходит через систему фазовращателей и после фазирования излучается в нужном направлении другой решеткой излучающих элементов. Между приемными элементами и фазовращателями иногда включают дополнительные отрезки линий (штриховые линии на рис.4), уравнивающие электрическую длину пути сигналов до различных элементов излучающей решетки. Эти отрезки могут быть также использованы для создания нелинейного начального фазового распределения (фазовой подставки), применяемого для борьбы с паразитными боковыми лепестками при дискретном фазировании. По принципу действия проходная ФАР эквивалентна линзе с принудительным ходом лучей и с электрически управляемым фазовым распределением возбуждения в раскрыве.

Рис. 4 . Проходная схема оптического питания излучателей ФАР

ФАР, выполненная по отражательной схеме (рис.5), состоит из облучателя и приемопередающей решетки, каждый элемент которой снабжен отражательным фазовращателем. Между излучателями и фазовращателями могут быть включены дополнительные линии задержки для выравнивания электрической длины пути сигналов, проходящих через различные элементы решетки и для создания начального фазового распределения.



Рис. 5. Отражательная схема оптического питания излучателей ФАР

В отражательной ФАР излучатели решетки выполняют двойную функцию: 1) собирают мощность, идущую от облучателя; 2) переизлучают ее в нужном направлении после фазирования. По принципу действия отражательная ФАР эквивалентна зеркальной антенне с электрическим управлением фазой коэффициента отражения различных участков поверхности.

К преимуществам обеих схем оптического питания относятся сравнительная простота при большом числе элементов решетки, удобная возможность управления формой амплитудного распределения в раскрыве путем подбора формы ДН облучателя, а также возможность применения сложных моноимпульсных облучателей для создания суммарных и разностных ДН в радиолокационных станциях с автоматическим угловым сопровождением целей. Общим недостатком схем оптического питания является увеличение размеров по сравнению с закрытым трактом, поскольку отношение «фокусного расстояния» f к размеру раскрыва L обычно находится в пределах 0,5>f/L>1. Кроме того, в оптических схемах часть мощности облучателя не перехватывается приемной решеткой, что приводит к возрастанию фона бокового излучения и снижению общего коэффициента использования поверхности антенны. Для устранения этого неприятного явления в ФАР проходного типа вся облучающая система может быть помещена в большой рупор, простирающийся от облучателя до приемной решетки, или выполнена в виде закрытой со всех сторон зеркальной антенны в форме параболического цилиндра с боковыми металлическими стенками.

По конструктивным признакам отражательная ФАР имеет ряд преимуществ по сравнению с проходной: легкий доступ к любому фазовращателю с тыльной стороны решетки, что упрощает монтаж и эксплуатацию, и, кроме того, отражательные фазоврашатели по конструкции проще проходных. С другой стороны, преимуществом проходной ФАР в отношении электрических характеристик являются: 1) возможность раздельной оптимизации собирающей и излучающей решеток (в каждой из них можно применять элементы разного типа и расположения); 2) отсутствие затенения раскрыва облучателем и реакции решетки на облучатель. При проектировании схем оптического распределения мощности в ФАР с успехом используются расчетные методы и способы оптимизации облучателя, разработанные для линзовых и зеркальных антенн, и сохраняют значение многие факторы, определяющие коэффициент использования поверхности зеркальных и линзовых антенн.

Управление фазированием сканирующих антенных решеток

Применение формул фазирования к антенным решеткам с плоским раскрывом приводит к следующим требуемым фазовым сдвигам излучателей, находящихся в точках раскрыва с координатами Хп, Уп

(1)

где , -направление максимального излучения, или направление фазирования

В ФАР с прямоугольной сеткой расположения излучателей для быстрого расчета фазовых сдвигов всех излучателей удобно вначале вычислить разности фаз между соседними элементами вдоль осей х и у: После этого может быть произведено последовательное умножение этих фазовых сдвигов на все целые числа т и h вплоть до максимальных номеров М и N, соответствующих числу колонок и рядов решетки. И наконец, суммирование найденных кратных значений дает требуемые фазы каждого элемента: где m (номер колонки) и n (номер строки) определяют положение излучателя в решетке.

Подобный способ вычисления фаз позволяет построить очень изящную систему управления решеткой (рис. 6), обычно называемую системой управления по рядам и колонкам (или по строкам и столбцам). К элементу с номером тп по двум независимым каналам подводятся два сигнала, содержащие закодированные значения и n. Сумматоры, расположенные в непосредственной близости от фазирующих устройств, осуществляют сложение и . Полное число управляющих шин (т. е. управляющих сигналов) в ФАР с числом элементов M xN равно только M+N, что делает управляющую систему простой и надежной и обеспечивает хорошее быстродействие.

В ФАР с треугольной сеткой расположения элементов непосредственное применение системы управления по рядам и колонкам в координатах х, у требует примерно вдвое большего числа управляющих шин по сравнению с ФАР с прямоугольной сеткой. Уменьшение числа шин возможно при косоугольном расположении рядов и колонок, однако это создает некоторые затруднения при вычислении управляющих кодов. В решетках с нерегулярным расположением излучателей управление по рядам и колонкам не эффективно, и приходится предусматривать индивидуальное вычисление требуемых фаз для каждого элемента.