- •Воронеж 2016
- •1. Основы теории антенн
- •1.1. Общие сведения об антеннах
- •1.2. Классификация антенн
- •1.3. Основные задачи теории антенн
- •1.4. Структура антенны. Электродинамические основы теории излучения антенн
- •1.5. Свойства электромагнитного поля антенн в дальней, промежуточной и ближней зонах
- •1.6. Расчет характеристик поля излучения в дальней зоне
- •1.7. Основные принципы технической электродинамики
- •1.8. Излучение элементарных источников
- •2. Основные электрические характеристики антенн
- •2.1. Характеристики направленности антенн в режиме излучения. Векторная комплексная характеристика направленности антенны
- •2.2. Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления антенны
- •2.3. Входное сопротивление и полоса рабочих частот антенны
- •2.4. Характеристики антенн в режиме приема
- •2.5. Мощность, выделяющаяся в нагрузке приемной антенны
- •2.6. Согласование передающей и приемной антенн по поляризации
- •2.7. Шумовая температура приемной антенны
- •3. Излучение антенных решеток
- •3.1. Линейные антенные решетки с равноамплитудным возбуждением и линейным изменением фазы токов
- •3.2. Влияние неравномерности амплитудного распределения на направленность излучения линейных антенных решеток
- •3.3. Влияние фазовых искажений на дн линейной антенной решетки
- •3.4. Входное сопротивление излучающего элемента и мощность излучения антенной решетки
- •3.5. Кнд линейных антенных решеток
- •3.6. Понятие о непрерывном излучателе
- •3.7. Плоские антенные решетки
- •4. Излучение возбужденных поверхностей. Основы теории апертурных антенн
- •4.1. Направленные свойства прямоугольного и круглого раскрывов с синфазным и равноамплитудным возбуждением
- •4.2. Влияние неравномерного амплитудного распределения поля на диаграмму направленности излучающей поверхности
- •4.3. Кнд излучающей поверхности
- •5. Вибраторные антенны и решетки
- •5.1. Основы теории симметричного электрического вибратора
- •Решение уравнения (5.2) имеет вид [10, 11]
- •Приведем несколько распределений и по длине вибратора для различных , рассчитанных по формулам (5.4) и (5.6):
- •Не зависит от угла , то есть представляет собой окружность.
- •Диаграммы направленности сэв
- •Нормированная дн по напряженности поля
- •5.5. Симметричный щелевой вибратор
- •5.6. Излучение системы из двух вибраторов
- •5.7. Директорные антенны
- •5.8. Влияние идеально электропроводящей и бесконечно протяженной поверхности на излучение расположенных вблизи нее антенн
- •5.9. Несимметричный электрический вибратор
- •5.10. Коллинеарные антенны
- •5.11. Способы и устройства подключения вибраторных антенн к линиям передачи
- •6. Щелевые антенны и антенные решетки
- •Волноводно-щелевые антенные решетки
- •6.2. Перспективные щелевые антенные решетки свч и квч
- •7. Полосковые и микрополосковые антенны и антенные решетки
- •7.1. Принципы действия и основные характеристики резонаторных полосковых антенн
- •7.2. Линейные и плоские полосковые антенные решетки
- •8. Антенны вытекающей волны
- •8.1. Принципы построения антенн вытекающей волны
- •8.2. Плоские антенные решетки вытекающей волны
- •8.3. Плоские дифракционные антенны
- •9. Апертурные антенны
- •9.1. Волноводные излучатели
- •9.2. Рупорные антенны
- •9.3. Зеркальные антенны
- •Влияние отражений от зеркала на входное сопротивление антенны (реакция зеркала на облучатель)
- •Линзовые антенны
- •10. Широкополосные антенны
- •10.1. Логопериодические вибраторные антенны
- •10.2. Спиральные антенны
- •11.1. Фазированные антенные решетки
- •Характеристики фар
- •Соответственно, минимальное число излучателей [4, 14, 47]
- •Дискретность изменения фазы приводит к скачкообразному перемещению дн в пространстве и определяет точность установки дн.
- •11.2. Многолучевые антенные решетки
- •12. Методы экспериментальных исследований антенн. Автоматизированное проектирование антенно-фидерных устройств
- •12.1. Измерение диаграмм направленности антенн
- •12.2. Измерение коэффициента усиления антенны
- •12.3. Программные средства компьютерного моделирования и системы автоматизированного проектирования устройств свч и антенн
- •Антенно-фидерные устройства в авторской редакции
- •Подписано к изданию 05.02.2016. Объем данных 9000 Кб
- •3 94026 Воронеж, Московский просп., 14
Дискретность изменения фазы приводит к скачкообразному перемещению дн в пространстве и определяет точность установки дн.
Разрядность ФВ, т. е. дискретность фазирования Δ, может быть установлена из условия максимума коэффициента усиления ФАР G = D, где — КПД, включающий потери в ФВ.
Увеличение разрядности дискретного ФВ приводит к увеличению потерь и снижению , но одновременно увеличивает КНД. В зависимости от рабочего диапазона частот, уровня технологии, требований к УБЛ, дискрету перемещения ДН и т. д. обычно используются ФВ с разрядностью от 2 до 5.
Дискретизация амплитудного распределения в раскрыве связана с размещением излучателей в апертуре ФАР. Дискретизация АФР обуславливает нарушение непрерывности распределения поля в раскрыве, которое может носить периодический характер и вызывать появление дополнительных боковых лепестков, аналогичных по структуре дифракционным лепесткам ДН. Исходным фактором дискретизации излучающего раскрыва является практически реализуемый шаг расположения элементов в решетке. Размеры поперечного сечения ФВ с элементами крепления и управляющими цепями в СВЧ диапазоне оказываются такого же порядка, как допустимый шаг, определяемый из режима однолучевого сканирования на СВЧ и более высоких частотах. Одним из путей увеличения шага решетки является использование треугольной сетки расположения излучателей.
Второй возможный путь увеличения шага решетки — применение неэквидистантного размещения излучателей. В остронаправленной антенне допустимый шаг может быть также увеличен путем объединения излучателей в подрешетки, управляемые одним фазовращателем. Размеры подрешеток выбираются в соответствии с заданным сектором сканирования и допустимым уровнем дифракционных максимумов высших порядков.
Изменение характеристик направленности в секторе сканирования
В рабочем диапазоне частот и секторе сканирования происходят изменения ширины ДН, КНД и УБЛ; в ФАРс круговой или управляемой поляризацией изменяется поляризационная характеристика. Наиболее важным для радиотехнической системы является коэффициент усиления (КУ) ФАP в секторе сканирования. КУ является интегральным параметром, учитывающим все изменения направленности и все тепловые потери в фазовращателях, излучателях и системе распределения мощности. На стадии проектирования ФАР произвести точный расчет ожидаемого КУ в секторе сканирования и диапазоне частот оказывается затруднительно. Приближенно оценить изменение КУ в секторе сканирования с учетом изменения КНД при дискретном фазировании (11.15) можно с помощью выражения [2—5]
, (11.16)
где S — площадь изучающего раскрыва; ν — апертурный коэффициент использования поверхности раскрыва, учитывающий амплитудное распределение; — нормированная ДН излучателя в решетке по напряженности поля с учетом взаимодействия элементов; η — КПД ФАР, учитывающий все потери в излучателях, фазовращателях и системе возбуждения.
ДН излучателя в решетке может существенно отличаться от идеальной ДН наличием провалов в для некоторых направлений и меньшим КНД для углов . Эти обстоятельства приводят к значительному падению КУ при отклонении ДН [2—5, 14]. Провалы в ДН элемента при сканировании могут возникать, например вследствие рассогласования элемента с трактом питания из-за взаимного влияния соседних элементов. Это вызывает так называемое «ослепление» ФАР для определенных направлений и сопровождается резким возрастанием УБЛ ДН и снижением КНД и КУ ФАР [2—5, 14]. Ослепление ФАР недопустимо, поэтому для исключения этого явления проводится оптимизация парциальной ДН путем выбора типа излучателя, его размещения, уменьшения взаимной связи с другими элементами и т. д.
КПД ФАР существенно зависит от рабочего диапазона частот и характеристик элементной базы. В СВЧ диапазоне потери в фазовращателях могут составлять приблизительно 1—1,5 дБ; потери в системе возбуждения обычно оказываются такого же порядка. В результате КПД ФАР составляет 50—60 % [3—5, 14]. Потери в p-i-n-диодных ФВ в диапазонах СВЧ и КВЧ несколько выше и составляют единицы дБ. В последние годы в качестве альтернативы p-i-n-диодам все шире используются микроэлектромеханические переключатели (MEMS), несколько уступающие по быстродействию (1—10 мкс), но более экономичные и позволяющие снизить потери до 1—3 дБ на частотах до 30—40 ГГц. На сегодняшний день рабочие частоты ФВ на MEMS достигают 100—110 ГГц.
Наряду с традиционными ФАР в РТС различного назначения все шире применяются активные фазированные антенные решетки (АФАР) [2—5, 14], отличающиеся наличием в тракте каждого излучателя (или небольшой группы излучателей) собственного фазируемого генератора, усилителя, преобразователя или умножителя частоты. Обычно АФАР состоит из интегрированных модулей. Достоинства передающих АФАР: отсутствие общего тракта питания, по которому передавались бы колебания высокого уровня мощности, соответственно, повышенная надежность; меньшие потери и, следовательно, более высокий КПД. Приемные АФАР имеют меньший уровень собственных шумов по сравнению с обычными ФАР. В целом АФАР отличает повышенная живучесть в плане сохранения работоспособности при выходе из строя одного или нескольких модулей [2—5, 14, 48]. В последние годы широко применяются и цифровые ФАР, принципы построения и функционирования которых подробно описаны в [49].