AFU_Lektsii

где I0 - постоянная амплитуда; k = 2π/λ - волновое число среды; ξ = c/v - коэффициент замедления фазовой скорости возбуждения v по отношению к скорости света с.

При ξ = 0 фаза возбуждения постоянна вдоль излучателя, что соответствует бесконечной скорости распространения возбуждения. При |ξ| < 1 фазовая скорость возбуждения превышает скорость света в окружающем антенну пространстве. При |ξ| = 1 фазовая скорость равна скорости света и, наконец, при |ξ| > 1 возбуждение идеального линейного излучателя осуществляется замедленной бегущей волной.

Идеальный линейный излучатель является своеобразным эталоном, относительно которого оцениваются свойства и параметры линейных излучателей с другими распределениями возбуждения. Непрерывную линейную излучающую систему - линейный излучатель - можно рассматривать как предельный случай линейной антенной решетки длиной L с числом элементов, стремящимся к бесконечности. В этом случае при вычислении множителя направленности суммирование заменяется интегрированием и ДН линейного излучателя вычисляется по формуле

−L / 2

где I (z) = I0 × exp[ jФ(z)] - амплитудно-фазовое распределение по длине излучателя; zcos(θ) - разность хода лучей.

Подставляя (2.32) в (2.33), интегрируя и отбрасывая несущественный амплитудный множитель I0L, получаем

Новая обобщенная угловая переменная ψ имеет смысл половины разности фаз колебаний, приходящих в удаленную точку наблюдения от крайних точек излучателя, с учетом как пространственной разности хода klcosθ, так и полной разности фаз возбуждения крайних точек излучателя.

136

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

снижению КНД антенны и за уменьшение УБЛ приходится расплачиваться не только расширением луча, но и определенным уменьшением КНД. Относительное снижение КНД Д/Д0 в теории антенн носит название коэффициента использования площади. Имеется в виду уменьшение эффективной поверхности антенны, связанное с КНД формулой

Д = 4πSэфф/λ2.

Формула (2.38) для КНД остается верной и при отрицательном , т.е. при амплитудном распределении с подъемом к краям антенны. В этом случае добавление сдвинутых поправочных функций

sin(Ψ0 ± π)

Ψ0 ± π

на рис.2.63 заменяется их вычитанием. Легко понять, что это приведет к существенному увеличению УБЛ при незначительном сужении главного лепестка. Уменьшение КНД теперь происходит вследствие увеличения доли мощности, приходящейся на боковые лепестки. Ввиду этого при проектировании антенн стремятся избегать амплитудного распределения возбуждения с подъемом к краям антенны. Из изложенного также следует, что синфазная линейная антенна с равномерным амплитудным распределением имеет максимальный КНД по сравнению с любым другим плавным амплитудным распределением. Встречающиеся на практике ходовые значения амплитудных распределений и соответствующие им значения параметров антенн обычно приводятся в таблицах.

2.13.1. Анализ множителя направленности равномерной линейной антенной решетки

В равномерной, или эквидистантной, линейной антенной решетке одинаковые излучатели располагаются с постоянным шагом d в точках zn = (n – 1)d, где n - номер излучателя (рис.2.64), и возбуждаются токами равной амплитуды с линейно-нарастающим вдоль решетки фазовым сдвигом In = I0 × exp[- j(n -1)DФ] , где Ф - разность фаз между любыми соседними излучателями.

139

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

x

Рис.2.64. Равномерная линейная антенная решетка

Такая излучающая система является дискретным аналогом идеального линейного излучателя. Коэффициент замедления фазовой скорости возбуждения определяется соотношением ξ = Ф /kd, где k = 2π/λ. По-прежнему ξ = 0 соответствует режиму синфазного возбуждения, |ξ| < 1 - режиму возбуждения с фазовой скоростью, большей скорости света, и |ξ| > 1 - режиму возбуждения с замедленной фазовой скоростью.

Вспомнив формулу приведенного множителя линейной антенной решетки, можно записать

где Ψ = 0,5Nkd(cosθ − ξ) .

Если при постоянной длине решетки Nd = const увеличивать число излучателей до бесконечности, то sin(ψ/N) → ψ/N и формула (2.39) автоматически переходит в формулу (2.34) для идеального линейного излучателя. Поэтому при больших N и малых ψ (например, при ψ/N < π/8) функции (2.34) и (2.39) ведут себя практически одинаково. Это означает, что форма главного лепестка и поведение ближайших к нему боковых лепестков в равномерной линейной антенной решетке и в непрерывном линейном излучателе такой же длины практически совпадают и, следовательно, оценки ширины луча оказываются пригодными и для равномерной линейной антенной решетки.

Однако множитель направленности решетки является периодической функцией с периодом Nπ и при значении аргумента ψm/N = Mπ, М = ±1, ±2,..., обращающем знаменатель в нуль, F(θ) имеет максимум единичного уровня. Это означает, что в ДН антенной решетки помимо основного главного лепестка с максимумом при ψ0 = 0 имеются побочные главные максимумы порядка М в точках ψm = MNπ. Так, для восьмиэлементной линейной антенной решетки суммарная ДН показана на рис.2.65,а. На этом рисунке пунктиром отмечена область видимости, которая определяется значениями 0 < θ < π:

Ψmax = 0,5Nkd (1 − ξ), Ψmin = −0,5Nkd (1 + ξ) .

140

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

Отсюда в режиме поперечного излучения ( ξ = 0) допустимое расстояние между соседними излучателями

dmax = (N – 1)λ/N.

При сканировании в секторе углов от θ0 до π – θ0 коэффициент замедления изменяется в пределах –cos(θ0) ≤ ξ ≤ cos(θ0) и допустимое расстояние d уменьшается до расстояния

Для достаточно больших значений N (N > 10) это условие обычно записывается в виде

Для плоской (линейной) антенной решетки угол θ отсчитывается от нормали к решетке, поэтому условие (2.40) записывается в виде

Эта формула предполагает, что для выбранного межэлементного расстояния побочный (дифракционный) максимум вообще не появляется в "видимой" области. Однако в случае применения направленных излучателей, что обычно имеет место на практике, формула для меж-элементных расстояний трансформируется в следующую:

где θд - направление дифракционного максимума.

142

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

ДН

Рис.2.66. Подавление дифракционного максимума ДН элемента решетки

Применение формулы (2.42) является следствием теоремы перемножения в теории антенн, в соответствии с которой полная ДН антенной решетки является произведением ДН одного элемента на множитель направленности решетки. Вследствие этого становится справедливым следующее утверждение: если один элемент имеет незначительное излучение в направлении побочного максимума решетки, то последний окажется подавленным, как это показано на рис.2.66. Формула (2.42) имеет очень важное значение при проектировании антенных решеток с малым сектором сканирования (θск < 30 - 40○).

2.14. Активные фазированные антенные решетки

Фазированная антенная решетка отличается от пассивной антенной решетки тем, что в каждом канале ФАР стоит электрически управляемый ФВ (как правило, дискретный). С помощью этих ФВ набирается вполне определенная фазовая программа, осуществляющая сканирование луча ФАР. Фазовая программа обычно рассчитывается с помощью ЭВМ, от нее сигнал подается на ключи, которые управляют работой дискретных ФВ.

Достоинства ФАР - высокая надежность системы и высокая скорость сканирования луча. К недостаткам следует отнести то, что для достижения высокой энергетики ФАР необходимо использовать высокомощные генераторы, мощности которых должно хватить на потери в фидерном тракте и на мощность излучаемого сигнала. Потери в фидерном тракте определяются в основном потерями в ФВ. При этом в ФВ должны использоваться высокомощные диоды, которые в свою очередь управляются большими токами. В переходных процессах (при включении-выключении диодов) возникают большие перепады токов, что затрудняет использование быстродействующих цифровых ключей. Конечно, вопросы удешевления радиотехнических систем связаны с областью применения низкомощных управляющих элементов, работающих с малыми токами, при больших вносимых потерях, чего нельзя добиться в ФАР, так как увеличение потерь приводит к значительному выделению тепла.

143

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

Принятие ряда технических решений в системе управления лучом, направленных на ее удешевление, приводит к необходимости введения компенсации дополнительных потерь, вызванных ухудшением электрических параметров ФВ. Устройством, компенсирующим потери, может быть усилитель мощности (УМ) в передающих трактах или малошумящий усилитель (МШУ) в приемных трактах активной ФАР. Таким образом, появился новый класс антенных решеток, которые получили название активных фазированных антенных решеток.

Коренным отличием АФАР от ФАР является наличие распределенных по раскрыву сравнительно маломощных УМ на передачу и МШУ на прием, работающих каждый на свой излучатель или группу излучателей. Особенностью АФАР по сравнению с ранее рассмотренными антеннами является ее необратимость, т.е. передающую АФАР нельзя использовать в качестве приемной, и наоборот. Это связано с применением в УМ и МШУ активных элементов (транзисторов) с совершенно разным функциональным назначением.

Конструктивно УМ (МШУ) объединены в один корпус с ФВ, в этот же корпус при необходимости могут быть вставлены фильтры, направленные ответвители, делители мощности, юстировочные ФВ, стабилизаторы напряжения для питания активных элементов и ключи управления. Вся эта совокупность перечисленных элементов заключается в один корпус, который называется активным модулем. В дальнейшем договоримся называть модулем активное устройство сопряжения излучателей АФАР со схемой разводки. Необходимой принадлежностью модуля является наличие усилителя мощности СВЧ (УМ в случае передающей АФАР и МШУ в случае приемной АФАР).

Передающий одноканальный модуль (рис.2.67) в общем случае включает:

-полосно-заграждающий фильтр (ставится в случае необходимости, когда приемная и передающая решетки работают одновременно на разнесенных частотах);

-НО (с направленностью порядка 15 - 20 дБ, ответвляет незначительную мощность в систему встроенного контроля);

-УМ (характеризуется выходной мощностью p0 и коэффициентом усиления Kp);

-дискретный ФВ (характеризуется количеством разрядов, минимальным значением дискрета Δφ и потерями на прохождение);

-юстировочный фазовращатель (ЮФВ) (предназначен для выравнивания электрических длин модулей, связанных с технологическими разбросами);

-стабилизатор напряжений (СН) (используется для питания УМ, его применение повышает коэффициент усиления УМ);

-систему питания и управления ФВ (СПУ) (состоит из источников напряжения для pin- диодов и ключей управления их работой).

144

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