Диссертация (Широкополосные антенные решетки с широким сектором обзора), страница 12

Коэффициенты разложения функции F() в ряд Шлемильхаопределяются по формулам:4  2 J u sin a0  2    2d du 00sin4  2 J 2 u sin coskua   d duk 00sinгде  4Rmax , u sin   sin    - подстановки. 2(41)100На рис.64. приведены результаты численного исследования ККАР смаксимальным радиусом R=1,2 при УБЛ-18при различном амплитудномраспределении и размещении излучателей на кольцах. На рис.64: 1-ДН ККАР сравномерным амплитудным распределением и непрерывным размещениемизлучателей на кольцах, при расстоянии между кольцами /4; 2- ДН ККАР сравномернымамплитуднымраспределениемидискретнымразмещениемизлучателей на кольцах с шагом /4, при расстоянии между кольцами /4; 3- ДНККАР с амплитудным распределением (41) и дискретным размещениемизлучателей на кольцах с шагом /4, при расстоянии между кольцами /4; 4- 1-ДНККАР с амплитудным распределением (41) и непрерывным размещениемизлучателей на кольцах, при расстоянии между кольцами /4.Рис.64.

ДН ККАР при амплитудном распределении (41) и равномерномамплитудном распределении.Аналогично можно определить амплитудное распределение для УБЛ –24 дБ.При этом ДН ККАР запишется в виде 2-функции второго порядка (39).Коэффициенты разложения ДН ККАР в ряд Шлемильха определяются поформулам:10116  2 J 3 u sin a0  2   d du 0 0 u sin 2 (42)16  2 J u sin coskua    3d duk2 00u sin На рис.65 приведены результаты численного исследования ККАР смаксимальным радиусом R=1,2 при УБЛ-24 дБ при различном амплитудномраспределении и размещении излучателей на кольцах. На рис.65: 1-ДН ККАР сравномерным амплитудным распределением и непрерывным размещениемизлучателей на кольцах, при расстоянии между кольцами /4; 2- ДН ККАР сравномернымамплитуднымраспределениемидискретнымразмещениемизлучателей на кольцах с шагом /4, при расстоянии между кольцами /4; 3- ДНККАР с амплитудным распределением (42) и дискретным размещениемизлучателей на кольцах с шагом /4, при расстоянии между кольцами /4; 4- 1-ДНККАР с амплитудным распределением (42) и непрерывным размещениемизлучателей на кольцах, при расстоянии между кольцами /4.Рис.65.

ДН ККАР при амплитудном распределении (42) и равномерномамплитудном распределении.102Те же ДН с низким УБЛ можно получить при равномерном возбуждении,если число излучателей на кольцах пропорционально коэффициентам ak. Нарис.66: 1- равномерное амплитудное распределение и эквидистантное размещениеизлучателей на кольцах; 2- 1- амплитудное распределение (41) и эквидистантноеразмещение излучателей на кольцах; 3- равномерное амплитудное распределениеи размещение излучателей на кольцах, пропорционально коэффициентам ak (41).На рис.67: 1- равномерное амплитудное распределение и эквидистантноеразмещение излучателей на кольцах; 2- 1- амплитудное распределение (42) иэквидистантноеамплитудноеразмещениераспределениеизлучателейинаразмещениекольцах;3-излучателейравномерноенакольцах,пропорционально коэффициентам ak (42).На рис.68 б показана схема размещения элементов при равномерномвозбуждении и неэквидистантном размещении.

На рис.64 а показана схемаразмещенияэлементовприэквидистантномразмещенииэлементовамплитудном распределением на кольцах пропорциональным коэффициентам ak.Рис.66. ДН ККАР при различном амплитудном распределении иразмещении излучателей на кольцах.и10367. ДН ККАР при различном амплитудном распределении и размещенииизлучателей на кольцах.Рис.68. Схема размещения элементов ККАР.104Разработаны методы синтеза сканирующей кольцевой концентрическойантенной решетки по заданному УБЛ с использованием разложения Шлемильха иряда Фурье-Бесселя.Выявлена возможность минимизации УБЛ в кольцевых концентрическихантенных решетках путем увеличения числа элементов в системе. Показаноувеличение числа элементов, по сравнению с минимальным, при обеспечениизаданного максимального УБЛ и уровня бокового излучения.Приведеныпримерырасчетаконцентрическойдискретнойсистемыизлучателей с заданным УБЛ –18 и –24 дБ2.10.

Пространственные антенные решеткиПерспективным направлением создания бортовых антенных систем являютсяАФАРспространственнымразмещениемэлементовицифровымдиаграммообразованием [99]. При ограниченном секторе сканирования ииспользовании направленных излучателей можно уменьшить УБЛ и ослабитьвзаимодействие между излучателями. Однако, при этом возникает необходимостьразмещения элементов таким образом, чтобы они не затеняли друг друга. Дляустранения эффекта затенения, излучатели размещаются не на всей площади, а вопределенном секторе.Пространственное размещение элементов и соответствующее управлениеАФРпозволяютуменьшитьчислоэлементоввантеннойрешеткеираспределительной системе и исключить из схемы построения коммутирующиеустройства, что существенно упрощает распределительную систему антенны.Пространственное размещение имеет ряд преимуществ по сравнению сплоскостнымиповерхностным.Этипреимуществаперечисляютсявмонографиях, начиная с 70-х.

В работах также отмечены трудности, связанные спрактической реализацией антенного полотна, распределительнойсистемы иуправляющих устройств. Одним из основных преимуществ можно считатьувеличение шага излучателей в решетке особенно это требуется для АФАР105миллиметрового диапазона волн.

Эти же проблемы относятся и к совмещеннымФАР с плотной упаковкой элементов в антенном полотне.В современных бортовых антенных системах уровень бокового и обратногоизлучения не должен превышать -20дБ при достаточно жестких требованиях кэнергетическим и массогабаритным характеристикам. Размеры раскрыва такихсистем определяются размерами поперечного сечения ЛА. Использованиеспадающего амплитудного распределения для уменьшения УБЛ приводит ксильному уменьшению усиления АР. Известны различные законы измененияАФР, а также широко применяется синтез АФР для получения требуемого УБЛпри минимальном падении усиления. Для решения задач синтеза наиболееэффективными оказываются численные методы оптимизации, такие, например,как генетический алгоритм.

Однако, численные методы оптимизации применимыпри работе антенной системы в узкой полосе частот. Поэтому целесообразноиспользоватькомбинированныеметодысинтезаамплитудно-фазовогораспределения и пространственного размещения элементов АР.Для сравнения преимуществ пространственных антенных решеток сплоскими антенными решетками можно показать зависимость КНД от УБЛ приразличных амплитудных распределениях.пространственныхантенныхрешеткахКак было отмечено выше, вУБЛснижаетсятолькозасчетоптимального распределения излучателей в пространстве, при этом числоэлементов и размер эквивалентной апертуры сохраняются, поэтому значение КНДпри любом УБЛ будет не меньше значения КНД для плоской АР с равномернымамплитудным распределением.

Для снижения УБЛ в плоских антенных решеткахприменяется синтез АФР или оптимизация размещения элементов. Оба способаприводяткснижениюкоэффициентаусиленияантенны.Этоможнопроиллюстрировать зависимостью КНД от УБЛ рис.69 при различных формахамплитудного распределения в плоских антенных решетках с прямоугольным икруглым раскрывом. На рис.69: а- зависимости КНД от УБЛ для прямоугольного106раскрыва при различных амплитудных распределениях, б- зависимости КНД отУБЛ для круглого раскрыва при различных амплитудных распределениях.Рис.

69. Зависимость коэффициента направленного действия от УБЛ приувеличении размеров излучающего раскрыва.107Посколькувпространственныхантеннахформаэквивалентногоизлучающего раскрыва остается постоянной, то и теоретическая зависимостьКНД от УБЛ будет постоянной.2.11.Исследованиехарактеристикнаправленностикольцевойконцентрической антенной решетки с широкоугольным сканированием длясотового телефонаМногослойнаятехнологияизготовленияпечатныхплатпозволяетминиатюризировать антенное полотно и распределительную систему ККАР, атакже совместить антенное полотно и устройство управления лучом. В этомслучае целесообразно применять цифровое диаграммообразование и управлениелучом. Активная фазированная антенная решетка работает следующим образом.Двухдиапазонная работа обеспечивается схемой построения ФАР, цифровымформированием и управлением луча, а также широкополосными элементами.Модель антенной решетки приведена на рис.70.Рис.70.Модель ККАР в корпусе сотового телефона.108В качестве элементов ФАР необходимо использовать широкополосныеизлучатели с круговой ДН в азимутальной плоскости.

Этим требованиямудовлетворяют несимметричные биконические вибраторы и их модификации.Формирование ДН осуществляется в плоскости размещения элементовфазовым методом. Фазирование элементов реализуется схемой цифровогодиаграммообразования, таким образом, чтобы обеспечить пространственноеформирование лучей с плоской апертуры. Шаг размещения элементов составляетпримерно одну длину волны в диапазоне – 57-66 ГГц и две длины волны вдиапазоне 27-30 ГГц.