АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ И АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ С ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА

Вводные замечания

Большой практический интерес представляют антенны с управляемым положением главного лепестка ДН. Управление (сканирование) можно осуществить, например, смещая облучатель линзы или зеркала из фокуса перпендикулярно оптической оси. При этом происходит наклон фронта волны, и лепесток отклоняется в сторону отставания фазы поля в раскрыве антенны.

Хотя такой электромеханический способ сканирования широко применяется, его возможности ограничены относительно небольшой угловой скоростью перемещения лепестка из-за механической инерционности подвижной части антенны (сканера).

На несколько порядков большую скорость перемещения можно получить с помощью антенн с электрическим сканированием. У таких антенн нет подвижных частей, а изменение фазового распределения в раскрыве антенны осуществляется чисто электрически: путем изменения токов или напряжений на управляющих устройствах.

Опыт показал, что электрическое сканирование удобно осуществлять с помощью многоэлементных антенн (решеток). Антенные решетки (АР) с электрически управляемым лучом получили наименование антенных решеток с электрическим сканированием.

АР, у которых фазовое распределение регулируется с помощью фазовращателей, включенных в линии питания излучателей, называются решетками с фазовым сканированием или фазированными антенными решетками (ФАР).

АР, у которых фаза поля (тока) каждого излучателя может принимать лишь несколько дискретных значений, называются решетками с коммутационным сканированием.

АР, у которых фазовое распределение регулируется путем изменения рабочей частоты, называются решетками с частотным сканированием.

Многолучевой АР называют такую решетку, которая имеет несколько входов, причем фазовое распределение изменяется при переключении передатчика (или приемника) с одного входа на другой.

Находят применение также АР с обработкой сигнала. Заданные электрические параметры у таких антенн (ширина ДН, отношение сигнал/помеха, уровень боковых лепестков) достигаются путем соответствующей (например, логической, корреляционной) обработки сигналов, поступающих от элементов антенной решетки.

Сканирование может быть одномерным (положение главного лепестка изменяется только по одной угловой координате) и двумерным (положение главного лепестка изменяется по обеим угловым координатам).

Основные особенности сканирования

При качании лепестка наблюдаются общие для всех способов сканирования особенности, которые рассматриваются ниже.

1. Одномерное сканирование можно осуществить с помощью как поверхностных, так и линейных АР (рис. 12.1). Если для сканирования используется прямолинейная эквидистантная АР (рис. 20.1), то ориентация главного лепестка ДН определяется по формуле (13.14), которую запишем в виде

(20.1)

Коэффициент замедления =/kd (13.9), а следовательно, и ориентацию главного лепестка можно при неизменной рабочей длине волн генератора  регулировать, изменяя, например, с помощью фазовращателей сдвиг фаз  между соседними излучателями. Это соответствует случаю фазового сканирования.

Из формулы (20.1) видно, что ориентацию главного лепестка можно регулировать, изменяя рабочую длину волны (частоту) генератора. Это соответствует случаю частотного качания. Следует заметить, что при т=0 (луч нулевого порядка) частотное качание можно осуществлять только, если Е; зависит от частоты, т. е. если для питания АР применить линию с дисперсией.

Для того чтобы главный лепесток некоторого порядка т сканировал в пределах всей области действительных углов (—90°_гл90°), необходимо изменять частоту или замедление в определенных пределах. Если изменять частоту или замедление в более широких пределах, то лепесток порядка т уходит в область «мнимых»-углов, но при этом в области действительных углов может появиться соседний главный лепесток (порядка т+1 или т-1).

Сектором сканирования называют часть области действительных углов, в пределах которой сканирует главный лепесток.

Обозначая через _с границу симметричного сектора сканирования (рис. 20.1), можно условие единственности главного лепестка (13.17) записать в виде

(20.2)

Если сектор сканирования несимметричен относительно нормали к антенне, то под _с следует понимать большую по абсолютному значению величину.

2. Двухмерное сканирование можно осуществить с помощью поверхностных антенных решеток (рис. 12.1, г, д, е, ж). Если для сканирования используется плоскостная эквидистантная решетка (рис. 14.10, а), то ориентация главного лепестка определяется формулами (14.60).

П

Рис. 20.1. Ориентация и форма главного лепестка ДН при сканировании.

ереход от угловых координат Ф_xгл, Ф_yгл к сферическим координатам _гл , _гл (рис. 14.10, а) можно выполнить с помощью соотношений

(20.3)

(20.4)

Каждой ориентации главного лепестка, т. е. каждой паре значений углов _гл , _гл соответствует пара значений коэффициентов замедления _x , _y. Следовательно, двухмерное сканирование главного лепестка по заданному закону можно осуществить, изменяя по соответствующему закону коэффициенты замедления.

3. Искажения главного лепестка. При синфазном возбуждении прямолинейной решетки главный лепесток ориентирован нормально к раскрыву, а ширина главного лепестка определяется по формулам (13.30). Как было показано в 13.3, п. 3, при склонении главного лепестка от нормали он расширяется по закону 1/sin_гл. Это расширение ограничивает величину сектора сканирования лепестка прямолинейной решетки. В тех случаях, когда требуется осуществлять неискаженное сканирование в широком секторе углов (60° и более), применяют непрямолинейные, например, дуговые или кольцевые решетки, либо несколько прямолинейных решеток, каждая из которых работает в своем секторе сканирования.

При отклонении лепестка от нормали нарушается также его симметрия относительно направления _гл, причем _0.5>_0.5 (рис. 20.1).

В главе 13 было показано, что множитель прямолинейной решетки изотропных источников в режиме наклонного излучения имеет вид воронки (рис. 13.7). Обычно излучатели являются направленными. Из-за направленности каждого излучателя в плоскости, перпендикулярной оси решетки, пространственная ДН решетки имеет вид луча, сечение которого (при = _гл) расположено на части поверхностного конуса. Такое искажение называется конусностью лепестка.

Так как на ДН антенной решетки влияют направленные свойства одиночного излучателя, входящего в решетку, то в зависимости от формы ДН излучателя при сканировании могут наблюдаться дополнительные искажения главного лепестка, например смещение _гл.

4. Наименьшее допустимое число излучателей АР. Пусть сектор сканирования лепестка расположен симметрично относительно нормали к АР и составляет _с. При сканировании ширина лепестка не должна превышать заданную величину. Наибольшую ширину лепестка (на границах сектора сканирования) определим для равноамплитудной синфазной АР, подставляя в (13.30) вместо L величину L_э из (13.34)

(20.5)

Из формул (20.2) и (20.5) получим следующее соотношение:

(20.6)

Следовательно, чем уже лепесток и чем больше сектор сканирования, тем большим должно быть число излучателей АР.

Формулы (20.2) и (20.6) справедливы для случая, когда излучатели АР являются изотропными. Если излучатели обладают направленностью, то можно увеличить расстояние d между соседними излучателями, а следовательно, уменьшить общее число излучателей N. Это объясняется тем, что хотя отношение d/ не удовлетворяет условию (20.2), однако ближайший главный лепесток высшего порядка, переместившийся из области мнимых углов в область действительных углов (§ 13.2, п. 2), будет ослаблен из-за направленных свойств одиночного излучателя [12].

5. Наибольшая допустимая частота сканирования. Электрическое сканирование может производиться с большой угловой скоростью. Анализ показывает, что при этом могут происходить искажения ДН из-за нестационарных процессов в раскрыве антенны. Действительно, если период сканирования сравним с временем распространения волны от одного конца раскрыва к другому, то при сканировании распределение фаз в раскрыве не будет «успевать» устанавливаться по линейному закону. Отклонение фазового распределения от линейного закона приводит к искажению ДН. Следовательно, мгновенная ДН (зависимость напряженности поля в равноудаленных от антенны точках в данный момент времени при сканировании) будет отличаться от статической ДН (при отсутствии сканирования).

sitednl.narod.ru/1.zip - база сотовых по Петербургу

Программа для разрезания и сшивания файлов, шифрования, а также удаления файлов с защитой от восстановления специальными утилитами.

acsoftware.narod.ru/download/demo/acdemo.zip

Если фазовые искажения становятся настолько велики, что фаза по раскрыву меняет знак, то ДН содержит более одного главного лепестка. Частота сканирования, при которой ДН распадается на несколько главных лепестков, называется критической.

Для того чтобы ДН не искажалась существенно, частота сканирования должна быть намного меньше критической. При этом отклонение фазового распределения от линейного будет меньше максимально допустимого значения _макс.

Допустимую частоту сканирования в секторе 2_с, симметричном относительно нормали к антенне, можно определить по формуле

(20.7)

где  — рабочая частота генератора;  — рабочая длина волны.

Антенные решетки с фазовым сканированием

Различают фазированные антенные решетки (ФАР) с фидерным питанием и с пространственным (оптическим) питанием, а также с плавным изменением фазы и с дискретным (коммутационным) изменением фазы.

1. Фидерное питание может осуществляться по последовательной (рис. 20.2, а) или параллельной (ветвящейся) (рис. 20.2, б) схемам. Применяются также смешанные схемы.

Н аименьший сдвиг фаз между токами в соседних излучателях соответствует главному лепестку нулевого порядка и может быть определен по формуле (20.1), которую запишем в виде

(20.8)

Пусть сканирование происходит в пределах всей области действительных углов -/2 _гл /2. Тогда _с =/2, а условие единственности главного лепестка (20.2) примет вид d/2. Для обеспечения сканирования величина  должна изменяться в пределах -.

При последовательной схеме питания нарастающее вдоль АР запаздывание фаз токов излучателей обеспечивается благодаря тому, что сигнал к каждому излучателю поступает после прохождения через все предыдущие фазовращетели. При этом фазовый сдвиг в каждом фазовращателе согласно (20.8) должен быть одинаковыми изменяться в пределах ±, т е. интервал изменения фаз должен составлять 2.

При параллельной схеме питания нарастающее вдоль антенной решетки запаздывание фаз токов излучателей обеспечивается благодаря тому, что в каждом последующем (считая от середины) фазовращателе фазовый сдвиг изменяется в больших (на ±) пределах, чем в предыдущем фазовращателе. Следовательно, в крайних фазовращателях фаза должна изменяться в пределах ±0,5(N-1) , т. е. в 0.5(N-1) раз больше, чем при последовательной схеме.

ДН антенны не изменится, если в любом излучателе фазу тока изменить на целое число раз по 2. Поэтому и при параллельной схеме питания пределы изменения фаз в каждом фазовращателе могут составлять , если применить фазовращатели со сбросом фазы на целое число раз по 2л.

Недостаток параллельной схемы - неидентичность фазовращателей и вытекающая из нее сложность системы управления. Недостатки последовательной схемы - пониженная электрическая прочность, так как вся мощность должна проходить через первый фазовращатель, и малая надежность, так как выход из строя одного фазовращателя может нарушить работу всей антенны.