Диссертация (Широкополосные антенные решетки с широким сектором обзора), страница 10

Полученный УБЛ может удовлетворять77требованиям задания, но при наложении амплитудных и фазовых ошибок, онсущественно увеличится. Кроме того, учет амплитудных и фазовых ошибокпозволяет определить требования к точности изготовления элементов антенногополотна и распределительной системы.Причины возникновения фазовых ошибок следующие:- ошибки фазирования с использованием дискретных фазовращателей;- ошибки,вызванныераспределительнойсистемой(возбуждения)–неидентичность питающих линий отдельных излучателей;- ошибки,вносимыеразличнымиэлектрическимидлинамиполупроводниковых усилительных модулей;Амплитудныеошибкивызваныразбросомкоэффициентаусиленияполупроводниковых усилительных модулей.Амплитудно-фазовые ошибки в АФР (амплитудно-фазовом распределении)антенной решетки в первую очередь влияют на УБЛ и на КУ антенны.

ПадениеКУ от ошибок зависит от закона распределения ошибок по раскрыву, величиныдисперсии ошибок и радиуса корреляции ошибки. При общем числе элементовАФАР N, вносящих фазовые ошибки порядка N1+N2+N3 (где N1 – числофазовращателей, N2 – число модулей, N3 – число отрезков линий) можно принятьнормальный закон распределения фазовых ошибок в антенной системе.Из общейстатистической теории антенн известно падение КУ антенн от величиныдисперсии фазовых ошибок. Тогда, задавшись допустимым падением КУ вантенне, можно установить допуски к отдельным элементам АФАР.Определим характеристики направленности антенной решетки с учетомамплитудных ошибок Аn=10 и фазовых ошибок Фn=10.

Графики приводятсядля равномерного распределения амплитудных и фазовых ошибок по излучателямрешетки. На рис.50а показана зависимость фазовой ошибки от номера элемента,на рис.50б показана аналогичная зависимость амплитудной ошибки.78а)б)Рис.50 а - зависимость фазовой ошибки от номера элемента, б - зависимостьамплитудной ошибки от номера строки, в которой расположен элемент.79а)б)Рис.51 а - зависимость фазовой ошибки от номера элемента, б - зависимостьамплитудной ошибки от номера столбца, в котором расположен элемент.80Для более простого определения зависимости величины амплитудной ифазовой ошибки от номера элемента целесообразно применять картографическоеизображение рис.52.а)б)Рис.52.Зависимости амплитудных (а) и фазовых (б) ошибок от номера элементадля фрагмента антенной решетки.81Диаграмма направленности с учетом амплитудных и фазовых ошибок можетбыть определена по формуле:njk  x p, q sin  cos  1  y p, q sin  sin     p,q M pF  ,      f ( )1  А p, q e (18)p  1q  1Также необходимо определить изменение характеристик направленности присканировании.

На рис.53 показаны ДН в горизонтальной плоскости приотклонении луча на 30̊, 60̊,90̊ и 120̊.Рис.53. ДН квадратной АР с гексагональным размещением элементов приотклонении луча в горизонтальной плоскости.Кроме требований к УБЛ в антенне с широкоугольным сканированием важнообеспечивать допустимое изменение крутизны пеленгационной характеристики вмоноимпульсном режиме. Которая определяется по разностным ДН. Простейшийспособ реализации моноимпульсного режима работы – разбиение антенного82полотна на 4 части и возбуждение их в противофазе. Моноимпульсный режимработы можно реализовать по принципу, рассмотренному во второй главе.

Дляувеличения шага излучателей размещаем элементы в узлах гексагональнойструктуры рис.54.Рис.54. Схема размещения элементов в квадратной антенной решетке сгексагональной структурой: а – синфазное возбуждение элементов, б –возбуждение для формирования моноимпульса.На рис. 55 показана схема размещения элементов в ККАР.Рис.55.

Схема размещения элементов в ККАР: а – синфазное возбуждениеэлементов, б – возбуждение для формирования моноимпульса.83На рис.56 приведены суммарные и разностные ДН антенной решетки сквадратным раскрывом и гексагональной структурой размещения элементов приналичии амплитудных и фазовых ошибок.Рис.56. Суммарные и разностные ДН антенной решетки с квадратным раскрывоми гексагональной структурой размещения элементов при наличии амплитудных ифазовых ошибок.При использовании цифровых методов формирования ДН, моноимпульсныйрежим получается без использования мостовых устройств, что существенноупрощает распределительную систему и делает ее более компактной.В вертикальной плоскости сканирование осуществляется в пределах шириныДН элемента. На рис.57 представлены ДН антенной решетки с квадратнымраскрывом и гексагональной структурой размещения элементов в вертикальнойплоскости при отклонении луча от плоскости решетки на 30̊,45̊ и 60̊.84Рис.57. ДН квадратной АР с гексагональным размещением элементов приотклонении луча в вертикальной плоскости на 30̊,45̊ и 60̊ и наличии амплитудныхошибок 10% и фазовых ошибок 10̊.Приведенные выше ДН показывают возможность расширения телесногосектора сканированияв несколько раз безсущественногоуменьшениякоэффициента усиления.2.7.

Минимизация уровня боковых лепестковМинимизация боковых лепестков может быть реализована различнымиметодами. В настоящее время широкое распространение получили методы,основанные на синтезе ДН требуемой формы. В плоских антенных решеткахзадача синтеза обычно формулируется следующим образом: задан размерантенной решетки и ищется возбуждение излучателей, обеспечивающее85наилучшее приближение ДН к заданной. Существует ряд фундаментальных работ[84-86], в которых рассматриваются общие вопросы синтеза антенн. ИзвестноДольф-Чебышевское возбуждение [67,84], которое позволяет при заданнойширине ДН минимизировать УБЛ и наоборот при заданном УБЛ минимизироватьширину ДН.В работах [87,88] предложен метод амплитудно-фазового синтеза антенныхрешеток произвольной геометрии по заданной ДН.

Применение этого метода ксканирующим ФАР не представляется возможным, так как он позволяет найтиоптимальное АФР только для одного фиксированного направления луча. Дляполучения оптимального АФР при произвольном направлении луча необходимоиметь управляемое АФР при сканировании, что весьма трудно выполнимо.В статье [89] рассматривается методика определения токов возбуждениякольцевой передающей телевизионной антенной решетки из диполей по заданнойформе ДН в горизонтальной плоскости.Вопросам синтеза многокольцевых антенных решеток, излучающих понормали к плоскости размещения излучателей, посвящены работы [90, 91]. Встатье [90] рассматривается задача оптимизации основных характеристик ККАР сравномерным амплитудным распределением, путем оптимального выборарадиусов концентрических окружностей.

В работе приводятся результатыоптимизации радиусов ККАР, полученные симплекс-методом.В статье [91] рассматривается задача оптимизации размещения элементов сцелью получения минимального УБЛ в заданной зоне углов. Элементы антеннойрешетки располагаются в узлах ломаных, образующих N- лучевую звезду. Дляэтой системы приводится описание алгоритма оптимизации и результаты расчетахарактеристик при разном числе элементов.В кольцевых концентрических антенных решетках с электрическимсканированием возникает задача, связанная с минимизацией УБЛ в антенныхрешетках с минимальным для заданного сектора сканирования числом элементовили близким к нему, рассмотренных ранее.86При синтезе ДН ККАР с заданным УБЛ необходимо искать амплитуднофазовое распределение и координаты размещения элементов в апертуре. В такойпостановке задача синтеза существенно усложняется, так как подлежатопределению радиусы колец R1...Rp, угловой шаг излучателей на кольце 1...

p,угловое смещение начала координат для каждого кольца 11...1p – рис.58, а такжеамплитуда и фаза каждого излучателя. Задачу можно упростить, если определятьамплитудное распределение по кольцам в предположении, что фазовоераспределение известно и соответствует соотношению (19).Для формирования луча в плоскости размещения излучателей  =90,  =0решетка должна иметь фазовое распределение: R   R тр  р.х.nnгде  R тр  jkRp cos( pq) nфазавозбуждения(19)элементарешеткидляформирования луча в направлении  =90,  =0,  р.х.   jkRp cos(   pq) sin   разность хода лучей для точек пространства с координатами .Рис.58.К расчету фазового распределения в ККАР.Представляет интерес выяснить возможность минимизации боковогоизлучения в решетке при заданном максимальном диаметре 2R, что, очевидно,будет связано с увеличением числа колец и элементов.

В отличии от традиционно87рассматриваемых работ, в этой работе необходимо обеспечить азимутальнуюсимметрию расположения излучателей в антенне. Как отмечалось ранее, такоерасположение излучателей позволяет осуществлять неискаженное сканирование вширокомсекторе(360),вплоскостирешетки.Поэтомунеобходимоминимизировать УБЛ при условии сохранения УБЛ при широкоугольномсканированиичтобудетсоответствоватьэквидистантномуразмещениюизлучателей внутри колец.Задача синтеза ДН в плоскости решетки при известных фазах возбужденияэлементов (19) сводится к трехмерной задаче поиска радиусов колец, угловогошага излучателей и амплитудного распределения, необходимых для получениязаданного УБЛ. Размерность задачи можно снизить, если перейти от дискретныхэлементов, расположенных по концентрическим окружностям к системенепрерывных излучающих колец, обеспечивающих формирование максимума вплоскости кольца.Для этого необходимо представить в замкнутом виде ДНнепрерывного кольцевого излучателя с фазовым распределением (19).