книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

ментов антенны; С\, 2, з, 4,5 — соответствующие удельные стоимости.

Аналогично стоимостное соотношение для эквивалент­ ной группы элементов будет иметь вид

с г.э = Сх(/> + АР) + С2АТ + С'Ку + С[Аф + С~Л> (2)

где Сг.э — стоимость группы элементов; АР — допол­ нительная энергия, необходимая для компенсации потерь в мощных фазовращателях; Сз,4 — новые стоимостные коэффициенты, связанные с мощными усилителями и фазовращателями других типов.

Поскольку величина излучаемой энергии и число элементов в рассматриваемых частях обеих решеток предполагаются одинаковыми, а число мощных усилите­ лей в случае группы элементов равно 1, то можно запи­ сать неравенство неопределенного направления в виде

^ г .э ~ ^ у /э

где N — число элементов; ДС4 — разность в пятилетних затратах для мощных и маломощных фазовращателей; ДС3 — разность в стоимости между единственным мощ­ ным усилителем группы элементов и одним из усилителей, используемых в варианте «отдельный усилитель на каж­ дый элемент». Другие символы в этом выражении имеют те же значения, что и раньше.

Записанное выше выражение получено только при одном допущении, что все другие части обеих решеток идентичны. Следует, однако, отметить, что стоимостные коэффициенты должны учитывать, кроме начальной стои­ мости, расходы на замену и эксплуатацию, а в дополни­ тельную энергию АР нужно включить не только энергию,

поддержание заданной температуры окружающего воз­ духа и на охлаждение компонентов.

III. Оценочные стоимости

Какие допущения .и приближения целесообразно при­ нять? В одной из последних работ по мощным фазовраща­ телям было показано, что вносимые потери могут быть сделаны не более 1 дб при сохранении на высоком уровне других важных параметров, таких, как фазовая и ампли­ тудная стабильность и фазовый сдвиг. Когда изготовили опытный образец, оказалось, что стоимость мощных фазо­ вращателей будет больше стоимости маломощных только из-за необходимости более производительных устройств охлаждения. Однако это обстоятельство может повысить цену на 10—20%. Оценка издержек производства с уче­ том расходов на схемы возбуждения и суммирующие уст­ ройства дает значения от 200 до 50 долл.

При использовании мощных фазовращателей на диодах вносимые потери также находятся на уровне 1 дб, однако возрастание себестоимости будет больше, так как парал­ лельное включение диодов в настоящее время является единственной возможностью достижения уровней мощ­ ности выше 2 кет в импульсе. Замечание относительно устройств охлаждения ферритов применимо также и для фазовращателей на диодах. Следовательно, разницу в стоимостях мощных и маломощных фазовращателей мож­ но оценить в 40% . С учетом расходов на схемы возбужде­ ния и сумматоры стоимость диодных фазовращателей может оказаться в пределах от 150 до 50 долл.

Таким образом, разница в стоимостях мощных и мало­ мощных фазовращателей может составить в случае фер­ ритов от 40 до 5 долл., а в случае диодов 60—20 долл.

Стоимость потребляемой и генерируемой энергии по оценкам для системы «Ника-Х» [3] составила соответст­ венно 275 долл, на 1 ква и 240 долл, на 1 сутки»Мет. Этими цифрами можно воспользоваться для оценки стои­ мости дополнительной энергии, расходуемой на потери в мощных фазовращателях.

Стоимость элементов передатчика, по-видимому, лучше всего оценивать по их базовым ценам, пользуясь соотно-. шением;

(4)

где /<1 — стоимость модуля передатчика со средней мощ­ ностью Р1%а /<а — стоимость передатчика мощностью Р2\ величину показателя х берут в пределах от 0,5 до 0,7.

Срок службы модуля передатчика также имеет очень большое значение. Можно считать, что отношение сроков службы модулей различной мощности определяется вы­ ражением

(5)

а— срок службы модуля с выходной мощностью Р1.

IV. Сравнение стоимостных показателей

На основании приведенных выше соотношений можно дать сравнительную стоимостную характеристику двух рассматриваемых вариантов: «усилителя на группу эле­ ментов решетки» и «отдельного усилителя на каждый эле­ мент решетки». Пусть мы имеем 100-элементный модуль, развивающий среднюю мощность излучения 100 кет (в одном варианте только один мощный усилитель, в дру­ гом — 100 малых усилителей). Предположим, что срок службы малого усилителя равен 10 000 час, его начальная стоимость 1000 долл., а стоимость замены в среднем вдвое меньше, чем начальная стоимость.

Наибольший интерес представляют сравнительные стоимостные оценки для крайних случаев задачи. Для этого надо сравнить оптимальные решения каждого из вариантов. Из уравнения (3) находим (см. таблицу).

Из приведенной таблицы ясно, что для сравнения стоимостей важно знать реальные значения х в формуле

(4) и истинный срок службы. Потери в мощных фазовра­ щателях, которые приходится компенсировать, имеют меньшее значение, и различия в стоимости между мощ­ ными и маломощными фазовращателями незначительны.

V. Заключение

Разработчику радиолокационной системы, учитываю­ щему стоимостные показатели, следует остановить свой выбор на приемлемом варианте «усилитель на группу элементов» решетки. Но различие в стоимостях не на­ столько велико, чтобы совсем не рассматривать вариант «отдельный усилитель на каждый элемент», особенно в тех случаях, когда, кроме требований по стоимости и основ­ ным техническим параметрам, надо удовлетворить дру­ гим важным специальным требованиям.

О б о з н а ч е н и я

Сг — стоимость единицы энергии;

•С2 — стоимость одной линии задержки; Ся — стоимость одного усилителя малой мощности;

Сз — стоимость одного усилителя большой мощности;

5.3 .4 . СФОКУСИРОВАННАЯ ЭНЕРГИЯ СВЧ

Бэ р д ж е с с

I. Введение

Вбольшинстве современных радиолокационных и связных систем СВЧ-диапазоиа антенну конструируют таким образом, чтобы цели, представляющие интерес, оказывались в дальней зоне (зоне Фраунгофера). Обычно считают, что эта зона начинается на расстоянии, большем

21)2Д» где Б — диаметр апертуры, а А, — рабочая длина волны. В работе [11 рассчитана напряженность поля в ближней (зоне Френеля) и дальней зонах для апертур прямоугольной и круглой формы и нескольких различ­ ных типов амплитудных распределений. Там же рассмо­ трено влияние фазовых ошибок. Полученные выражения справедливы только для апертур, диаметр которых ве­ лик по сравнению с длиной волны (О >> ЮЛ), и на рас­ стояниях, превышающих 5Л от апертуры. Эти ограниче­ ния позволяют решить уравнения поля.

В многих системах применение антенны, фокусирую­ щей энергию в некотором заданном объеме, позволяет по­ лучить определенные преимущества. Такие антенны были бы полезны в системах слежения за целью после того, как цель обнаружена и опознана, в системах связи с заданным пунктом, при передаче энергии или при созда­ нии разрушающих усилий. Обычные антенны, содержащие один излучающий элемент, обладают фиксированным фо­ кусом, и поэтому их применения ограничены. Появление фазированных антенных систем открывает перед разра­ ботчиками широкие возможности, так как в антеннах этого типа можно управлять фазой и амплитудой каждого излучающего элемента, число которых достигает иногда тысяч единиц в одной решетке.

Выражение «фокусировка антенны СВЧ-днапазона» означает концентрацию энергии где-то вблизи зоны Фре­ неля (ближней зоны), т. е. на расстояниях менее 2Я 2Д от апертуры. Чтобы получить такую фокусировку, фазо­ вое распределение по апертуре нужно отрегулировать до образования сферического волнового фронта. Инженё-

ры фирмы «Электроник коммюникейшнз» 121 вывели вы­ ражения, определяющие напряженность поля для пря­ моугольных и круглых апертур в случаях фокусирую­ щего и нефокусирующего фазовых распределений. Важ­ ным результатом их работы является то, что выражения, полученные для поля нефокуспрующей апертуры в даль­ ней зоне, справедливы также для ноля в фокальной пло­ скости фокусирующей 'апертуры. Вывод или детальный анализ выражений не входит в задачи данной книги; здесь будет достаточно остановиться на некоторых сущест­ венных моментах, имеющих отношение к вопросу исполь­ зования фокусирующих апертур для концентрации энер­ гии. Более подробно ограничения, присущие сфокусиро­ ванным антеннам, обсуждаются в работе 13].

II.Анализ результатов

Вцелях упрощения изложения здесь будут приведены некоторые результаты для круглых апертур, с тем чтобы дать читателю представление о свойствах и ограничениях сфокусированных антенн СВЧ. Приводимые ниже ре­ зультаты взяты из, работы 13], хотя различия между апер­ турами прямоугольной и круглой формы были рассмо­ трены и в работе [2].

Напряженность поля Е а на оси равномерно возбуждае­

мой круглой апертуры определяется выражением

где Е0 —напряженность поля в апертуре, а 2 — расстоя­ ние вдоль оси от апертуры.

Для сфокусированной апертуры, т. е. апертуры с рав­ номерным амплитудным и поляризационным распределе­ нием и с таким фазовым распределением, которое дает фокус на оси на расстоянии Р от апертуры, напряженность поля на оси имеет вид

Заметим, что при больших Р уравнение (2) переходит в уравнение ( 1). Прежде чем перейти от этих формул к их приложениям, рассмотрим случай 1 = Р. Простые алге­ браические преобразования быстро приводят к форме зт Х /Х , которая при Х -й ) стремится к 1. Следовательно, при 1 = Р уравнение (2) приобретает вид

Согласно уравнению (1), максимальная напряженность поля в случае несфокусированной антенны вдвое больше, чем напряженность на поверхности апертуры, но в слу­ чае сфокусированной антенны та же самая напряженность

личины, напряженность поля может быть много большей. Дальнейшее исследование уравнения (2) показывает, что максимальная напряженность поля достигается не обязательно в фокальной точке. В действительности мак­ симальная напряженность оказывается в точке, более близкой к апертуре, чем фокальная (при условии что фокус расположен приблизительно на расстоянии где напряженность поля почти в 12 раз превышает

напряженность поля на поверхности апертуры. Выражая

Можно показать, что в фокальной плоскости ширина диаграммы направленности антенны по уровню половин­ ной мощности приблизительно равна А/Ь, что соответст­ вует ширине диаграммы несфокусированной апертуры в дальней зоне. Тогда диаметр окружности, ограничиваю­ щей в фокальной плоскости уровень половинной мощности, приблизительно равен РХ/И. Через площадку, ограничен­ ную этой окружностью, в фокальной плоскости проходит 48% излучаемой энергии. Таким образом, с уменьшением фокусного расстояния размер пятна в фокальной плокостис уменьшается, а концентрация энергии возрастает.