Шостак А.С. Антенны и устройства СВЧ. Часть 2. Антенны (2012), страница 12

Подставляя в первое неравенствозначение из уравнения качания (3.13) при условии р = 0, получаем2   kd  kd sin  ГЛ , откуда( 3.15)d   1  sin ГЛ .Направления нулевых значений поля в ДН антенны можно найти из выражения (3.12), приравняв числитель нулю [2].Из уравнения (3.13) следует, что перемещение луча в антенной решеткев пространстве может быть осуществлено:641) изменением частоты колебаний подключенного генератора или приемника;2) изменением фазового сдвига между излучателями с помощьюсистемы фазовращателей, включаемых в питающий тракт;3) коммутацией (переключением) излучающих элементов решетки, шагаизлучателей или отрезков питающих трактов.Если эти управления положением луча осуществляются электрически, то такие антенны называются электрически сканирующими.

Остронаправленные электрически сканирующие антенны позволяют осуществлятьбыстрый (безынерционный) обзор пространства, установку луча в заданнуюточку пространства, сопровождение цели и т.д.В антеннах с механическим сканированием управление лучом достигается поворотом, вращением, качанием и т.д. всей антенной системы, чтоограничивает скорость сканирования.Если в решетке изменение фазового распределения осуществляется механическими фазовращателями или коммутаторами, то такие антенныназываются электромеханическими сканирующими. В остронаправленнойантенне с электромеханическим сканированием при неподвижности всей антенной системы вращаются или перемещаются (механически) малоинерционные элементы, что позволяет увеличить скорости движения луча.Частотно-сканирующая антенна конструктивно наиболее проста,но электрическое управление положением ДН осуществляется, как правило,только по одной угловой координате.При фазовом способе сканирования в плоских решетках (изменениемфазового сдвига между излучателями по столбцам и строкам) луч перемещается по двум угловым координатам.

Под воздействием управляющего тока(напряжения) фаза в фазовращателе изменяется или дискретно дискретнымфазовращателем, или плавно. При управлении фазовым распределением в антенне при сканировании - фазировании антенны - дискретный фазовращательдает ошибки в установке фазы. Фазовращатель с плавной характеристикойуправления таких ошибок не имеет, однако сопряжение плавного фазовращателя с системой управления лучом (ЭВМ) приводит, как правило, к дискретности изменения фазы. Дискретность фазирования антенны, происходящая придискретно-коммутационном способе сканирования и фазовом сканировании сдискретным фазовращателем, имеет определенные преимущества, как например, возможность уменьшения влияния различных дестабилизирующих факторов на характеристики направленности.Антенные решетки с фазовым или дискретно-коммутационным способом управления лучом называют фазированными антенными решетками. Такие антенны находят широкое практическое применение.3.6Расчет антенных решеток радиосистем65В зависимости от назначения системы и требований к направленнымсвойствам используемые антенны могут существенно отличаться от простейших моделей.

Амплитудное распределениепо решетке бывает спадающим к краямрешетки (рис. 3.13) для уменьшения уровня боковых лепестков, затухающим поэкспоненте при последовательном возбуждении линией передачи (см. рис. 3.11,б)или другой сложной формы. Излучателимогут располагаться на выпуклых поверхностях (см. рис. 3.1,д-ж), иметь различнуюРисунок 3.13 – Спадающееориентацию в пространстве и размещатьсянеэквидистантно.

В этих случаях для амплитудное распределениепо элементам решеткиопределения поля излучения в дальнейзоне необходимо суммировать поля отдельных излучателей с учетом поляриNзации, различия амплитуд и фаз, т.е. E   En . Обозначив для  - и  n 1составляющих поля n-го излучателя диаграммы направленности черезFn  n ,  , Fn  ,n  ; комплексные амплитуды через An , An ; фазы возбуждения через  n , получим по аналогии с (3.11)E  An Fn exp   jkrn   n  ;E  An Fn exp   jkrn   n  ; E  0 E  0 E .Здесь 0 , 0 - единичные орты сферической системы координат.В этих выражениях не удается вынести за знак суммы амплитуду и ДНэлемента, а фазовое распределение в решетке получается сложным. Поэтомуне представляется возможным свернуть эти суммы в замкнутые выражения,удобные для анализа.Решить задачу синтеза антенной решетки, т.е.

определения параметроврешетки по заданной диаграмме направленности, из анализа сумм не удается.Редким исключением из этого является синтез линейных оптимальных эквидистантных решеток с дольф - чебышевским амплитудным распределением.Такие решетки с линейным фазовым распределением позволяют получить минимально возможный уровень боковых лепестков (УБЛ) при заданной ширинелуча или при заданном уровне боковых лепестков минимальную ширину луча[3].

В инженерной практике для построения антенных решеток радиосистемиспользуют следующий подход. На стадии предварительных расчетов длянахождения формы, размеров решетки, амплитудного распределения переходят от дискретной системы к непрерывно излучающей, т.е. решетки заменяютизлучающими раскрывами. В этом случае суммы переходят в определенныеинтегралы, которые могут быть вычислены в удобном для анализа виде.66Характеристики излучающих раскрывов хорошо известны в теории антенн СВЧ [3] и позволяют выбрать различные варианты построения антеннойрешетки по заданным ширине луча, УБЛ, КНД, сектору сканирования, рабочейполосе частот и т.д. Далее проводят дискретизацию, заменяют излучающийраскрыв решеткой излучателей с эквивалентными параметрами и численнымиметодами (путем прямого суммирования полей) определяют основные характеристики.

Используя современные вычислительные средства и варьируя параметры выбранных вариантов антенных решеток, по результатам численныхрасчетов устанавливают оптимальный вариант антенны для принятых критериев качества [3].Взаимодействие излучателей в решеткенаправленности излучателя. Метод наведенных ЭДС3.7идиаграммаВ антенных решетках, состоящих из близко расположенных излучателей, наблюдается эффект взаимного влияния излучателей друг на друга за счетизлучаемых электромагнитных полей.

Взаимодействие между антеннами, размещаемыми в пространстве, имеет место всегда, но проявляется по-разному.Расположение одной антенны относительно другой в дальней зоне невызывает изменения характеристик этих антенн. В антенной решетке слабонаправленных излучателей с шагом порядка длины волны имеется сильное взаимодействие. В результате этого у одиночного элемента меняются ДН, сопротивление излучения, входное сопротивление, резонансная частота, рабочая полоса и электрическая прочность.

Это взаимодействие будет различным в зависимости от шага решетки, взаимной ориентации и направленности излучателя,места излучателя в решетке (в центре и на краю). В электрически сканирующих антеннах при движении луча взаимодействие излучателей изменяется.Физика происходящего процесса взаимодействия может быть поясненаследующим образом. Возбуждение одного излучателя в решетке наводит токи(поля) в соседних излучателях, которые начинают переизлучать. Поэтому ДНодиночного излучателя формирует фрагмент решетки. При управлении фазовым распределением в ФАР меняются наводимые токи и, соответственно, взаимодействие. В зависимости от типа излучателя в решетке наводимые токи(поля) проявляются по-разному.

В резонансных излучателях (вибраторных,щелевых) распределение тока по элементу сохраняется и в первом приближении остается гармоническим, а изменяется лишь амплитуда тока. В излучателях бегущей волны и апертурных излучателях меняется распределение токаили поля по элементу. Для удобства расчетов решеток с различными типамиизлучателей вводится определение ДН элемента в решетке. В соответствии сГОСТ 23282-78 под ДН излучателя в решетке Fn  ,  понимается ДНвозбуждаемого элемента, при этом все остальные излучатели нагруженына согласованные нагрузки.

Эта ДН может существенно отличаться от ДН67одиночного слабонаправленного элемента наличием глубоких провалов длянекоторых направлений. Эти провалы вызваны интерференцией прямой и переизлученных волн. В ФАР при формировании луча в направлении «провала»ДН элемента резко падает КНД решетки и, следовательно, излучаемая антенной мощность. При этом резко возрастает коэффициент отражения от входаизлучателя вследствие изменения входного сопротивления. Под входным сопротивлением излучателя в решетке понимают входное сопротивлениеэлемента при возбуждении всей решетки плоской волной с линейным фазовым распределением, соответствующим направлению луча  ГЛ ,  ГЛ .Входное сопротивление излучателя зависит от фазового распределения, т.е.

отнаправления формирования луча Z BX  ГЛ , ГЛ  . Существует связь междуFn  ГЛ , ГЛ  и величиной Z BX  ГЛ , ГЛ  из которой можно найти одну величину по другой. Экспериментально удобнее находить Fn  ГЛ , ГЛ  , а расчетноZ BX  ГЛ , ГЛ  .Остановимся на методах расчета взаимодействия излучателей в решетке.Строгое решение этой задачи связано со значительными математическимитрудностями. Так, для простейшей решетки резонансных металлических вибраторов в свободном пространстве (отсутствуют элементы крепления и экран)взаимодействие может быть найдено из совместного решения системы интегральных уравнений, каждое из которых аналогично интегральному уравнению для одиночного симметричного вибратора [2].Для оценки взаимного влияния вибраторных и щелевых излучателей разработан приближенный метод расчета, получивший название метода наведенных ЭДС, или метода наведенных сопротивлений. Этот методбыл предложен в 1922г.