Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства

ошибок к концу решётки, что делает к концу решётки, что делает систему уз-

кополосной. Параллельная схема обеспечивает более равномерное распреде-

ление мощности между фазовращателями (более легкий энергетический ре-

жим) и более широкую полосу пропускания. Недостатки – сложность схемы многоступенчатого деления мощности, трудность ее согласования и более сложное управление фазовым распределением.

Система питания активных ФАР предполагает использование в каждом её элементе электронного прибора, работающего в качестве синхронизируе-

мого генератора или усилителя. Активные ФАР позволяют увеличить мощ-

ность излучения, уменьшить потери при приёме, создавать требуемое ампли-

тудное распределение путем включения и выключения отдельных элементов,

что особенно важно для конформных решёток с круговым или полусфериче-

ским сканированием. Недостатками активных ФАР являются – их сложность,

необходимость решения проблемы теплоотвода и высокая стоимость.

Для сканирующих остронаправленных систем решётку можно делать из отдельных модулей или подрешёток. Выбор способа возбуждения составляет одну из задач проектирования решёток.

Размещение элементов в решётке описывают с помощью координатных систем, в узлах сетки которых располагаются отдельные элементы. Так как размещение элементов в плоских и выпуклых решётках может быть эквиди-

стантным, неэквидистантным, разрежённым по определенному закону или случайным, то для его описания используют различные ортогональные и неортогональные системы координат. На практике размещение элементов в решётке ограничивается следующими основными факторами: возникновени-

ем дифракционных максимумов, допустимым УБЛ и падением КУ антенны,

конструкцией отдельных элементов и всего полотна, устройствами возбуж-

дения элементов и управления лучом. Наиболее распространены эквиди-

стантные решётки, у которых все элементы размещаются с постоянным ша-

гом по каждой координате плоского раскрыва или в отдельных её частях — модулях. Наряду с эквидистантными применяются неэквидистантные решёт-

191

ки, у которых подбором расстояний между элементами удается расширить сектор сканирования и полосу рабочих частот, сократить число элементов по сравнению с эквидистантными решётками.

Выбор схемы построения АР определяется общими требованиями к РТС,

включая способ обработки СВЧ сигнала. Размеры ФАР определяются задан-

ными значениями КНД или ширины ДН, длиной волны и выбранным ампли-

тудным распределением поля в раскрыве решётки, которое зависит от требу-

емого уровня боковых лепестков.

Наибольшее распространение получили линейные и плоские ФАР.

Большинство плоских ФАР состоит из идентичных элементов, расположен-

ных в узлах плоской координатной сетки. На рис. 5.19 показаны прямоуголь-

ная и треугольная (гексагональная) сетки.

существуют еще и дифракционные максимумы, пространственная ориента-

ция которых зависит от расстояния между элементами. При уменьшении это-

го расстояния число дифракционных максимумов, находящихся в области действительных углов, уменьшается. Для нормальной работы решетки необ-

ходимо, чтобы в области действительных углов находился лишь один глав-

ный максимум, а дифракционные отсутствовали.

Первый способ устранения дифракционных максимумов заключается, в

ограничении шага решётки. При использовании прямоугольной сетки ди-

фракционные максимумы отсутствуют, если расстояния между элементами в

192

направлении координатных осей удовлетворяют условиям

где θmax – максимальное отклонение луча от нормали к решётке. Например,

если θmax= 45°, то для прямоугольной и треугольной сеток получаем dx= dу=

0,58λ и d = 0,68λ. Таким образом, использование треугольной сетки позволя-

ет увеличить расстояние между излучателями и уменьшить их число при-

мерно на 13% по сравнению с числом элементов в решётке с прямоугольной сеткой.

Условия (5.8), (5.9) не учитывают направленных свойств элементов и определяют предельные расстояния в решётке изотропных излучателей. При ограниченном секторе сканирования использование направленных элементов позволяет увеличить расстояние между ними по сравнению с определяемым по формулам (5.8), (5.8) и тем самым уменьшить их общее число. Действи-

тельно, если вне сектора сканирования ДН элемента равна нулю или близка к нему (рис. 5.20), то можно допустить существование дифракционных макси-

Рис. 5.20. Диаграммы направленности идеального (1), реального (2) излучателей и максимумы множителя направленности решётки (3)

193

мумов в области действительных углов, увеличив расстояние между элемен-

тами по сравнению с (5.8), (5.9) и потребовав при этом, чтобы при всех пере-

мещениях луча дифракционные максимумы не попадали в сектор сканирова-

ния. Поскольку характеристика направленности решетки получается пере-

множением ДН излучателя и множителя решетки, то дифракционные макси-

мумы окажутся подавленными, так как они умножатся на малые или нулевые значения ДН излучателя. В этом заключается второй способ устранения ди-

фракционных максимумов.

С целью подавления дифракционных максимумов используют и третий способ – неэквидистантное расположение излучателей по раскрыву ФАР.

Этот способ для больших ФАР является самым предпочтительным, посколь-

ку для его реализации требуется относительно небольшое число слабона-

правленных излучателей, которые размещают в узлах сетки по случайному

закону. Расстояние между узлами обычно не превышает 0,5λ.

Если число узлов в квадратной решётке N × N = N 2 , а число элементов

Для КНД плоского синфазного раскрыва той же площади с постоянным ам-

плитудным распределением в излучателях имеем

Для разреженных решёток с M << N 2 КИП довольно мал и может опускать-

ся до 0,1. Снижение КИП связано с малым, но почти равномерно распреде-

ленным фоном боковых лепестков. Такие разрежённые решётки применяют-

ся в радиоастрономии.

194

Если используются направленные элементы, то при сканировании выиг-

рыш в их количестве для треугольной и прямоугольной сеток по сравнению с решёткой изотропных элементов составляет

Однако создать элемент, ДН которого быстро спадает за пределами сектора сканирования, практически невозможно. ДН реальных элементов отличаются от идеальной прямоугольной (см. рис. 5.20). Поэтому число элементов в ре-

альных сканирующих решётках всегда будет больше минимально возможно-

го.

Если ширина диаграммы направленности ФАР не превышает 1°, а сек-

тор сканирования в обеих главных плоскостях меньше 10°, то необходимую направленность можно получить, объединив обычные слабонаправленные элементы в группы, которые называются подрешётками или модулями. Эле-

менты каждой подрешетки возбуждаются синфазно и формируют ДН, мак-

симум которой ориентирован в направлении нормали к плоскости решётки.

Фазы в каждой из подрешёток, которые можно рассматривать как отдельные элементы ФАР, при сканировании изменяются с помощью фазовращателей.

Относительные размеры подрешёток выбирают в соответствии с заданным сектором сканирования и допустимым уровнем дифракционных максимумов.

Так как форма ДН подрешётки отличается от идеальной прямоугольной, то при определении размеров подрешётки необходимо учитывать допустимый уровень дифракционных максимумов, которые при сканировании находятся

впределах главного лепестка ДН подрешёток.

Влинейных решётках при отклонении луча от нормали вводят понятие эквивалентной длины решётки

где θmax – направление максимума излучения ФАР.

При увеличении сектора сканирования Lэкв уменьшается, а ширина ДН уве-

личивается. Можно считать, что в двумерной плоской решётке при отклоне-

195

нии луча в какой-либо плоскости от направления нормали к раскрыву шири-

на ДН изменяется тоже только в данной плоскости. Это утверждение тем точнее, чем больше размеры решётки. Оно хорошо оправдывается для решё-

ток, длина которых больше 10λ. При отклонении луча в главных плоскостях zox и zoy от нормали к плоскости прямоугольной решётки можно ввести по-

нятие эквивалентного размера и эквивалентной площади решётки

где Nx, Ny – число строк и столбцов, образованных излучателями решётки и параллельных осям x и y прямоугольной системы координат; Sэкв и S – экви-

валентная и геометрическая площади раскрыва.

Таким образом, эквивалентные размеры АР равны проекциям геометри-

ческих размеров на плоскость, перпендикулярную направлению главного максимума. Формулы (5.14) – (5.17) приближенные, их точность тем выше,

чем меньше ширина луча, т.е. чем больше относительные размеры решётки.

Взаимное влияние элементов у антенных решёток с малым шагом приводит к снижению КНД. Это влияние проявляется в том что, входное со-

противление излучающего элемента в АР отличается от входного сопротив-

ления элемента в свободном пространстве и является функцией угла скани-

рования. При этом изменяется ДН элемента и искажаются поляризационные характеристики. Подобное взаимодействие не позволяет рассматривать эле-

менты решётки как независимые нагрузки. Взаимодействие элементов в ре-

шётке может привести к значительному рассогласованию между раскрывом антенны и цепями питания. В больших антенных решётках в этом случае наблюдается так называемый эффект ослепления, когда практически пре-

кращаются излучение или приём электромагнитных волн.

196

Одной из важнейших характеристик ФАР является ДН активного эле-

мента при условии, что все остальные нагружены на согласованные нагрузки,

т.е. в решётке возбуждается лишь один элемент, а остальные соединены с пассивными нагрузками, сопротивления которых равны волновым сопротив-

лениям питающих фидеров. В этом случае из-за взаимной связи на пассив-

ных элементах индуцируются токи и они оказывают влияние на формирова-

ние ДН активного элемента. При этом часть энергии активного элемента по-

глощается в нагрузках.

Влияние взаимодействия излучателей оценивается, исходя из предполо-

жения о том, что ДН решетки является суперпозицией ДН излучателей,

умноженных на амплитуды волн в возбуждающих их фидерных линиях. Для АР конечных размеров входное сопротивление и ДН одного излучателя зави-

сят от его положения в решётке, поскольку взаимные связи проявляются по-

разному. Следовательно, принцип перемножения ДН может оказаться непри-

емлемым в решётках с относительно небольшим числом элементов.

В центральной области большой плоской ФАР свойства излучателей практически идентичны, и наиболее важные особенности их поведения мож-

но достаточно точно описать, используя характеристики излучателей в ре-

шётке бесконечных размеров. Поэтому АР бесконечных размеров может служить моделью для анализа больших решёток. Тогда диаграмму направ-

ленности большой АР можно представить в виде произведения множителя направленности решётки и ДН одного элемента в бесконечной АР. Одна из причин использования модели бесконечной решётки состоит в том, что её можно рассматривать как периодическую структуру, для исследования кото-

рой существуют различные аналитические и численные методы. При равно-

мерном возбуждении подобной структуры достаточно рассчитать распреде-

ление поля в пределах одного периода.

197

5.3. Многолучевые антенные решетки

Антенные решетки, при помощи которых может быть сформирован ряд не-

зависимых друг от друга диаграмм направленности (лучей), называются мно-

голучевыми [11]. Схема многолучевой антенной решетки (МАР) с пятью

входами показана на рис. 5.21. В ее состав входят решетка излучателей и диаграммообразующая схема (формирующий многополюсник).

Диаграммообразующая схема (ДОС) служит для обеспечения неза-

висимого питания излучателей решетки через разные входы. При под-

ключении передатчика к одному из входов схемы в излучателях решетки создается вполне определенное, свойственное лишь этому входу ампли-

тудно-фазовое распределение токов и формируется соответствующая это-

му распределению диаграмма направленности. Подключение же передат-

чика к любому другому входу ДОС вызывает изменение амплитудно-

фазового распределения в излучателях решетки и соответственно форми-

рование другой, отличной от предыдущей, диаграммы направленности.

Как правило, ДОС строятся таким образом, чтобы питание с любого

со 2-го – Φ2, то главные максимумы формируемых при этом лучей 1 и 2

(рис. 5.21,а) будут ориентированы под разными углами. В общем случае

198

число входов ДОС схемы соответствует числу лучей, формируемых МАР, а

число выходов схемы равняется числу излучателей решетки. Если МАР предна-

значена для работы в заданном секторе пространства, то она выполняется та-

ким образом, чтобы соседние лучи пересекались примерно на уровне половин-

ной мощности (рис. 5.21, а).

МАР является весьма универсальным устройством. Если она имеет М вхо-

дов, то при одновременном их использовании формируется М независимых друг от друга лучей как в режиме передачи, так и в режиме приема, а при по-

очередном – формируется один из лучей, соответствующий подключенному входу. На рис. 5.21,б показана антенная решетка с пятью входами, при помо-

щи, которой обеспечивается формирование пяти независимых друг от друга диаграмм направленности.

Для питания МАР применя-

ются последовательные или па-

раллельные ДОС. Линейная мно-

голучевая решетка с последова-

тельной ДОС показана на рис. 5.22. ДОС состоит из двух систем взаимно пересекающихся фидер-

ных линий, которые в местах пе-

Рис. 5.22. МАР с последовательной ДОС.

ресечений связаны между собой при помощи направленных ответвителей. Энергия к излучателям решетки под-

водится при помощи вертикальных фидерных линий, число которых соответ-

ствует числу излучателей решетки. Входы ДОС, число которых соответствует числу формируемых независимых лучей, подключены к наклонным фидер-

ным линиям. Для создания режима, близкого к режиму бегущих волн, к линиям подключены согласованные поглощающие нагрузки, благодаря чему имеет ме-

сто плавное изменение фазы в наклонных линиях (при стоячей волне фаза менялась бы скачком на π вдоль линии через каждые λф/2).

Направление главного максимума i-ro луча антенны определяется выражением

199

тикального фидера, определяющая фазовый сдвиг между токами соседних из-

βi – угол, который образует с горизонтальным направлением i-я наклонная линия (для горизонтальной линии β=0 и l=d).

С учетом (5.19) направление главного максимума антенного луча можно найти из (5.18) в виде

не обеспечивают полной развязки всех входов ДОС. Лишь при питании с 1-го входа практически не имеет места прохождение сигнала в другие наклонные линии. При питании с любого другого входа сигнал через направ-

ленные ответвители линий, расположенных выше подключенной, разветвляет-

ся. Так, например, если генератор подключен ко 2-му входу, то сигнал после ответвления в направленном ответвителе 21 попадает не только в 1-й излуча-

тель, но через направленный ответвитель 11 в горизонтальную линию и далее через ответвители 12,13,17 распределяется между излучателями 2,3,..., 7.

Аналогичные явления разветвления сигнала имеют место также в ответвите-

лях 22,23,...,27. При питании через другие входы картина разветвления оказы-

вается еще более сложной.

Все это приводит к искажению картины распределения поля между излу-

чателями решетки, в результате чего возрастает уровень бокового излучения.

Если коэффициенты связи во всех направленных ответвителях одинаковы, а

200