AFU_Lektsii

параболоида выпуклостью 2 или вогнутостью 2'. В случае плоского малого зеркала 2'' переизлучаемая сферическая волна имеет фазовый центр на расстоянии зеркального изображения точки фазового центра облучателя. Малое эллиптическое зеркало 2''' показано на рис.2.55,б. Оно обращено всегда вогнутостью к параболоиду. Приведенные схемы двухзеркальных антенн с малыми выпуклыми и вогнутыми зеркалами заимствованы из астрономической оптики и названы именами изобретателей зеркальных телескопов Кассегрена и Грегори (соответcтвенно рис.2.55,а и б).

2'''

f

Рис.2.55. Двухзеркальные антенны: а - Кассегрена; б - Грегори

Однозеркальные антенны с зеркалом в виде фигуры вращения при требовании обеспечения синфазности поля в раскрыве для получения игольчатой формы ДН крайне ограничены в возможности оптимизации их параметров. У них регулироваться могут только два фактора: форма поверхности зеркала и ДН облучателя. Требование получения синфазного поля в раскрыве от точечного излучателя в какой-то мере предопределяет форму поверхности зеркала. Регулировка ДН облучателя затруднена из-за малых его геометрических размеров, и вместе с этим затруднена регулировка амплитудного распределения в раскрыве. Что сравнительно легко осуществить, так это получить одинаковые ДН в Е- и Н-плоскостях. Правда, в последнее время достигнуты некоторые успехи в разработке облучателей с нужной формой ДН (облучатели со столообразной формой ДН).

У двухзеркальных антенн появился новый фактор - можно регулировать форму поверхности малого зеркала. Подбором его формы и формы большого зеркала можно изменять и фазовое, и амплитудное распределения в раскрыве и оптимизировать их. При двухзеркальной антенне можно максимально уменьшить длину волноводного тракта, располагая облучатель вблизи вершины большого зеркала. Двухзеркальные антенны имеют очень слабое заднее излучение и очень слабое ближнее поле. По этим признакам двухзеркальные антенны сравнимы с рупорными и рупорно-параболическими антеннами.

127

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

2.11.5.Сферическое зеркало

Всферическом зеркале благодаря центральной симметрии можно (при перемещении облучателя по концентрической кривой) качать луч в пределах широкого угла без искажения ДН. Для пояснения особенностей сферического зеркала обратимся к рис.2.56,а, на котором СО''D - дуга окружности радиусом R с центром в точке О. Уравнение дуги CO''D имеет вид:

(x - R)2 + y2 = R2 Þ y 2 = 2Rx(1 - x / 2R).

Рис.2.56. Сферическое зеркало (а) и изменение фазы поля по раскрыву (б)

При малых значениях x (x/2R << 1) можно рассматривать дугу окружности как часть параболы и соответствующую сферическую поверхность как параболоид вращения с фокусным расстоянием fэкв = R / 2.

Распределение фаз поля вдоль прямой АВ, принимаемой за линию раскрыва, при помещении облучателя в точке О′ приближенно описывается следующим выражением:

j » 2px2 . lR

Обозначим координаты точек прямой АВ через yS. В тех пределах, в каких сферическую поверхность можно рассматривать как параболическую, yS ~ y, а y2 ~ 2Rx. Это позволяет написать приближенно

Исходя из допуска jmax = p / 2 , получаем следующее граничное значение области раскрыва, в котором фазы поля можно считать одинаковыми:

yS max = R4l / R .

128

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Быстродействие сканирования здесь ограничивается инерционностью, обусловленной постоянной времени электронных цепей, причем эта инерционность на несколько порядков меньше механической в двух первых способах.

Электрическое сканирование реализуется в многоэлементных антенных решетках. Различают фазовое, амплитудное и частотное сканирование. При фазовом сканировании регулируются только фазовые сдвиги на входе отдельных излучателей решетки при почти не меняющемся амплитудном распределении. При амплитудном сканировании перемещение луча осуществляется переключением входов многолучевой антенной системы, т.е. происходит коммутация парциальных ДН. При частотном сканировании 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 сканирования антенной решетки с электронным управлением задержалась до 50 - 60-х годов. Именно в это время с возрастанием скорости 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. Немаловажными предпосылками 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:

-электрическое сканирование в широком секторе углов;

-получение ДН заданной формы путем регулирования амплитуд и фаз возбуждения отдельных излучателей;

-возможность когерентного сложения в одном луче мощностей многих генераторов или усилителей мощности СВЧ для получения большой мощности излучения, недостижимой в обычных антеннах из-за ограничения электрической прочности;

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

130

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

-возможность синфазного сложения сигналов, принимаемых системой крупных антенн, для получения очень больших эффективных поверхностей при радиоприеме, недостижимых в обычных антеннах из-за влияний неточностей изготовления;

-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 управления антенной решеткой осложняется рядом специфических трудностей. К числу мешающих факторов относятся: появление фазовых ошибок в раскрыве из-за неточных действий управляемых устройств, из-за дискретности фазирования, рассогласования и взаимосвязи элементов при сканировании, появление дополнительных потерь мощности СВЧ в управляемых устройcтвах, относительная узкополосность, связанная с возможностью появления побочных главных максимумов и т.д. Немалые трудности связаны с высокой начальной стоимостью и сравнительно большими эксплуатационными расходами, обусловленными 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 теории информации. Современные антенные решетки характеризуются большим разнообразием применения (наземные и бортовые), различаются по числу элементов (от нескольких единиц до десятков тысяч), форме раскрыва (плоские, выпуклые, кольцевые и т.д.), диапазону (от коротких волн до волн оптического диапазона).

2.12.1. Распределители в виде закрытого тракта

Разводка мощности СВЧ к излучателям решетки в распределителях в виде закрытого тракта осуществляется с помощью пассивных многополюсников, состоящих из отрезков линии передачи, тройников, направленных ответвителей и т.п. Различаются распределители с последовательным и параллельным питанием излучателей. Классическая схема последовательного питания линейной эквидистантной решетки показана на рис.2.57.

Рис.2.57. Схема последовательного питания решетки

131

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Мощность к каждому излучателю ответвляется от главного тракта, и одинаковые проходные ФВ включаются в главный тракт между отводами к соседним излучателям. В качестве ответвителей можно использовать реактивные тройники со слабой связью в боковое плечо, а также НО с малой связью (развязанное плечо ответвителя замыкается на согласованную нагрузку). Схема компактна, все ФВ 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 ФВ. Однако эта схема имеет ряд существенных недостатков. Вопервых, происходит накопление и возрастание фазовых ошибок и потерь к концу решетки, в связи с чем допустимо использование только точных ФВ с очень малыми потерями. Вовторых, через ближайшие ко входу ФВ проходит почти вся излучаемая мощность и, таким образом, требуются ФВ с повышенной электрической прочностью. В-третьих, электрическая длина путей сигнала от общего входа до каждого излучателя оказывается существенно различной, и это может приводить к нежелательному эффекту расфазирования решетки на краях рабочей полосы частот. Для выравнивания электрической длины в линии передачи излучателей следует включать компенсирующие отрезки линий (штриховые линии на рис.2.57), что увеличивает размеры фидерной части. ФВ в последовательной схеме можно включать в боковые отводы от главного тракта, как показано на рис.2.58, однако при этом теряется простота схемы управления.

Рис.2.58. Схема последовательного питания решетки с ФВ

Схема параллельного питания N-элементной решетки показана на рис.2.59,а. Эта схема имеет ряд важных преимуществ. Во-первых, можно использовать сравнительно маломощные ФВ, так как через них проходит только 1/N-я часть мощности. Во-вторых, общие потери мощности в управляющих устройствах определяются ослаблением лишь одного ФВ, и поэтому можно использовать ФВ с достаточно большим ослаблением (>1,5 дБ). Дополнительным преимуществом схемы параллельного питания является отсутствие накопления фазовых ошибок вдоль раскрыва и возможность выравнивания длины отдельных каналов для обеспечения широкополосности.

132

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

приемных элементов. Принятая мощность проходит через систему фазовращателей и после фазирования излучается в нужном направлении другой решеткой излучающих элементов. Между приемными элементами и ФВ иногда включаются дополнительные отрезки линий задержек, уравнивающие электрические длины пути сигнала до различных элементов излучающей решетки. Эти отрезки могут быть использованы при создании нелинейного начального фазового фронта для борьбы с паразитным боковым излучением. По принципу действия проходная ФАР эквивалентна линзе с принудительным ходом лучей и с электрически управляемым фазовым распределением возбуждения в раскрыве.

Рис.2.60. Линзовая ФАР проходного типа

ФАР, выполненная по отражательной схеме (рис.2.61), состоит из облучателя и приемопередающей решетки, каждый элемент которой снабжен отражательным ФВ.

φ

φ

L φ

φ

φ

f

Рис.2.61. Отражательная ФАР

Между излучателями и ФВ могут быть включены линии задержки. В отражательных ФАР излучатели решетки выполняют двойную функцию: 1) собирают

134

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

мощность, идущую от облучателя; 2) переизлучают ее в нужном направлении после фазирования. По принципу действия отражательная ФАР эквивалентна зеркальной антенне с электрически управляемой 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 РЛС с автоматическим угловым сопровождением целей.

Общие недостатки оптических схем: 1) увеличение габаритов, так как обычно 0 < f/L < 1; 2) фон бокового излучения из-за того, что не вся мощность попадает на решетку.

По конструктивному признаку отражательная ФАР имеет ряд преимуществ по сравнению с проходной: легкий доступ к блокам, и отражательные ФВ обычно значительно проще проходных. С другой стороны, преимуществами проходных 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 облучателей, разработанные для линзовых и зеркальных антенн, и сохраняют значение многие факторы, определяющие коэффициент использования поверхности зеркальных и линзовых антенн.

2.13. Зависимость параметров антенных решеток от амплитудного распределения

Линейные антенны с равномерным амплитудным распределением обладают довольно высоким УБЛ (–13,4 дБ), часто недопустимым на практике. Оказывается, что снижение этого уровня можно осуществить, используя неравномерное амплитудное распределение. Для обобщения полученных ниже результатов введем понятие "идеальный линейный излучатель". Так называют линейную излучающую систему с распределением возбуждения по закону

135

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com