Автореферат (Широкополосные антенные решетки с широким сектором обзора), страница 3

Кольцевые концентрические антенные решетки представляютсобой неэквидистантную структуру с одной стороны и регулярную структурус другой стороны. При этом необходимое число излучателей длясканирования в заданном пространственном секторе согласуется с ранееприведенными соотношениями и определяется по формуле:  N   ск  1 ск  1 2 0.7  2 0.7 (2)Однако, при сканировании в двух плоскостях происходит изменениеширины ДН в вертикальной плоскости, пропорциональное изменениюэквивалентной апертуры. Принцип построения ККАР с широкоугольнымсканированием применим к антенным решеткам с произвольной геометриейразмещения элементов, например к решеткам с прямоугольным раскрывом игексагональной структурой размещения элементов..Таким образом, во второй главе предложены и исследованыхарактеристики направленности ККАР как антенн с широкоугольным19сканированием.

Найдены зависимости ширины ДН и УБЛ от относительныхразмеров решетки и числа элементов. Определены зависимости КНД ККАРот числа и направленности элементов.Выявлены диапазонные и широкополосные свойства ККАР, которыесущественно превышают аналогичные характеристики плоских антенн.Полоса в ККАР ограничена не частотным смешением луча, а ростом УБЛ иуменьшением КНД.Предложены схемы возбуждения: фидерные и с помощью радиальноговолновода.Приведены антенны с двумерным сканированием, которое реализуетсяна ККАР, а так же набором дисковых антенн.В третьей главе «Волноводные распределительные системыволнойтипаТ»приводятсяхарактеристикиразличныхстиповраспределительных систем с волной типа Т, определяются их частотныесвойства и требования к габаритным размерам для практической реализации.Однимперспективныхнаправленийявляетсяпостроениераспределительных систем на основе линий с волной типа Т. Такиевозбуждающие системы могут быть выполнены в виде коаксиальныхделителей, радиальных или концентрических сферических волноводов (КСв),обеспечивающих возможность возбуждения конформных решеток.Вработеразработаныраспределительныесистемыввидекоаксиального рис.4 и радиального волноводов рис.5, который удобен длявозбуждениябортовыхФАРсширокоугольнымсканированиемимоноимпульсным возбуждением.

Рассматриваемые в диссертационной работеширокополосные многоканальные делители мощности, позволяют повыситьэнергетические характеристики. Особенностью, таких возбудителей являетсясочетание способов фидерного и оптического возбуждения, позволяющееминимизироватьпотери.Кроме20того,всерассматриваемыераспределительные системы имеют малые продольные габариты, чтонемаловажно при использовании антенных систем на мобильных носителях.В работе проведено исследование таких распределительных систем иопределены структуры полей.Рис.4. Коаксиальный многоканальный делительРис.5.Распределительная система на радиальном волноводеТакие возбудители обладают преимуществами фидерного способавозбуждения, но в отличие от него имеют значительно меньшее затухание,так как используют практически свободное пространство.

В отличие отпространственноговозбуждениярадиальныйволноводобладаеткомпактностью, экранированием и большим коэффициентом использования.Однако, практическое использование волноводов требует определениедопусков возбуждающейсистемыплоской формы.В рядеслучаеврадиальный волновод должен иметь определенный радиус кривизны для21размещения ККАР на поверхности сферы.

В связи с этим возникает вопрос ораспространении волн в КСв.Для решения этой задачи в работе подробно рассмотрено решениеуравнений Максвелла в сферической системе координат для КСв.Электромагнитное поле волн в прямом волноводе произвольногопоперечного сечения обычно классифицируют по наличию или отсутствиюпродольных составляющих векторов электрического и магнитного полей.При определении структуры поля в КСв необходимо также разделить волнына два типа.

В данном случае в качестве компоненты разделения удобновыбрать радиальную компоненту.Задача решена методом Фурье (метод разделения переменных). Вработе приведены выражения для компонент поля типа Е.Если воспользоваться граничными условиями, то для простейшейволны типа Т должны выполняться условия:E  0, E  0 (при r  R1; r  R2 )(3)где R1- радиус внутренней полусферы, R2- радиус внешней полусферы.Применив граничные условия (3) к полученным компонентам поляE и E , получаем уравнение, из которого определяется порядок функцийБесселя и Неймана при r  R1; r  R2 :2 dc j n kr   c 2 n n kr   0 dr 1(4)где j n kr , nn kr  - сферические функции Бесселя и Неймана.Из граничных условий получаем систему уравнений:     kR  0с1 jn kR  c2nn11 kR  0с1 jn kR  c2nn22Из уравнений (5) можно выразить отношение констант P:22(5)    n  kRn  kRc2P 1  n 1  ncj kRj kR2n 1n2(6)и порядок сферических функций Бесселя и Неймана:        kR j kR  j kR n kR  0nnn 1 n 21 n 2(7)Уравнение (7) может быть приведено к виду:где TnskR1, kR2 Tn kR , kR  012s(8)- большой сферический тангенс.

Из этого уравненияопределяется последовательность корней n1,n2,n3…. Каждому из корнейсоответствует свой тип волн. Графиков сферических функций пока неимеется. Применение КСв как возбудителя ФАР требует расчета поляосновной волны типа Т.Решениеотсутствует,нотрансцендентныхприуравнений(kR1,kR2>>1)вида(7)цилиндрическиевматематикефункцииимеютасимптотики, которые применены для решения трансцендентных уравнений(8). При kR1,kR2>>1 функции Бесселя и Неймана в (4) можно заменить ихасимптотическими приближениями.

После замены цилиндрических функцийасимптотическими приближениями граничные условия примут вид:n n d c1 sin kr    c 2 cos kr    0dr 2 2 Из (9) получаем систему уравнений:n n с1 cos kR1   c 2 sin kR1 02 2 nn  c sin kR    0с1 coskR 2 2  2 2 2 (10)23(9)Однородная система уравнений (10) имеет нетривиальное решение, если ееопределитель равен нулю:с1c cos kR1 2n sin kR 22  2n   с c sin kR  n  cos kR  n   0 12  1 2  22 (11)Из (11) можно определить условие, при котором система уравнений (12)имеет нетривиальное решение:R 2  R1   m(12)2где m=0,1,2,3…. .

Каждому из полученных значений m соответствует волнатипа Е. Из решения системы уравнений (10) определяется порядок n:nk R R12(13)При kR1,kR2>>1, с учетом асимптотик, выражения для компонент поляпростейшей волны принимают вид:jk 2 2 A2c2Er  еk R1  R2 sin H k R1  R2 2 A2c2 cos    1 еk R1  R2 sin k R R12 j(14)k R R 12    2  (15)На рис.6 и 7 показаны зависимости амплитуды и фазы векторанапряженности электрического поля простейшей волны от координаты kθ.24Рис.6. Зависимости амплитудывектора напряженностиРис.7. Зависимости фазы вектораэлектрического поля простейшейнапряженности электрического поляволны от координаты kθ при больших простейшей волны от координаты kθзначениях kθ.На рис.8 и 9 показаны зависимости амплитуды и фазы векторанапряженности магнитного поля простейшей волны от координаты kθ.Рис.8.

Зависимости амплитуды фазыРис.9. Зависимости фазы векторавектора напряженности магнитногонапряженности электрического поляполя простейшей волны отпростейшей волны от координаты kθкоординаты kθ при большихпри больших значениях kθ.значениях kθ.25Рассматриваемыевдиссертационнойработеширокополосныемногоканальные делители мощности были внедрены в производство примодернизации телекоммуникационной системы с широким сектором обзора,устанавливаемой на Останкинской башне.Широкополосные распределительные системы также использовалисьпри построении антенного модуля, вторичного обзорного радиолокатора. Нарис.10-11 показаны фотографии антенной системы модуля вторичногорадиолокатора на стадии сборки и изменений. На рис.12-14 приведенырасчетные и экспериментальные результаты исследования характеристикнаправленности двухдиапазонной антенной решетки.Радиальный волновод был внедрен в разработку антенной решеткимобильноймеханическимтелекоммуникационнойсканированием.системысЭкспериментальныеширокоугольнымирасчетныехарактеристики, а также фотографии антенны на измерительном стендеприведены на рис.15-22.Рис.10.

Антенная система модуляРис.11. Испытательный стенд свторичного радиолокатора, стадияэлементом модуля вторичногосборки.радиолокатора26Рис.12.Косекансная диаграммаРис.13. Зависимость КСВ отантенной решеткичастоты, полученнаяэкспериментально.908070605040302010010203040506070380 905Рис.14. ДН линейного1015 222025излучателя скосекансной ДН на303540средних частотах 1-4550ого и 2-ого5560диапазоновF1F2Рис.15. Фотография антенной решетки27Рис.18. Пространственная ДНантенной решетки наРис.17.