Диссертация (Широкополосные антенные решетки с широким сектором обзора), страница 7

Входноесопротивление i-го элемента определяется по формуле : j ijnZi   Zij ej 1(9)где Zij- взаимное сопротивление между двумя любыми вибраторами, ij - фазовыйсдвиг токов вибраторов.48Рис.24. Зависимости входного сопротивления от номера кольца иазимутальной координаты излучателя.Из полученного массива данных, для решеток из 31,61,121 и 347 элементовпостроены графики входных сопротивлений излучателей в кольцах в зависимостиот номера кольца и азимута. На рис. 24 показаны зависимости активной(сплошная темная линия) и реактивной (пунктирная темная линия) составляющихвходного сопротивления излучателей 2,3 и 4 колец решетки из N=61 элемента отазимутальной координаты.

На том же рисунке приведены аналогичныезависимости для решетки из N=347 элементов (сплошная светлая и пунктирнаясветлая линии).На рис.25 показана зависимость среднего коэффициентаотражения излучателей, согласованных со средним входным сопротивлением, отазимутальной координаты.49Рис.25. Зависимость среднего коэффициента отражения от азимутальнойкоординаты излучателя.Рассогласование в результате взаимодействия приводит к рассогласованию влиниипередачи.Какпоказалирезультатычисленныхисследований,взаимодействие излучателей в ККАР приводит к меньшему изменению входногосопротивления, чем в плоских решетках.Из рис.24 видно, что взаимодействие излучателей на внешних кольцах,отстоящих друг от друга на одну (для решетки из N=61 элемента) и три длиныволны (для решетки из N=347 элементов), не проявляется и поэтому зависимостивходного сопротивления излучателей на внешних кольцах от направленияглавного максимума не отмечены.

Наиболее сильное взаимодействие имеет местодля излучателей, размещенных на внутренних кольцах, однако, и разброс величинсопротивлений не превышает . Этому же вопросу посвящен и следующийграфик на рис.25, на котором построены зависимости коэффициента отраженияколец, согласованных на среднее сопротивление входного импеданса излучателя.Проведенные расчеты входных сопротивлений позволяют сделать вывод овозможности согласования решетки и питающей системы для любого положениялуча, которое в силу азимутальной симметрии системы не будет изменяться.

Сростом направленности, в отличии от плоских решеток, в ККАР согласованиеизлучателя упрощается, так как расстояние между элементами возрастает ивзаимодействиеослабляется.Взаимодействиеэлементовврешеткес50ограниченным сектором сканирования  также больше ослабляется врезультатепространственногоразносаотдельныхэлементов.Приэтомрасстояние между излучателями в решетке еще больше увеличивается из-запространственного разноса.

С увеличением направленности каждый элементбудет возбуждаться меньшей амплитудой тока (поля) от соседнего элемента,число элементов будет меньше и в среднем согласование может быть улучшено.Такимобразом,рассматриваемыеККАРобладаютопределеннымипреимуществами при согласовании излучателей в широком секторе сканированияи в них отсутствует эффект ослепления.2.4. Излучатели, обеспечивающие широкоугольное сканированиеПриведенные выше результаты показывают возможность расширениярабочей полосы и сектора сканирования путем пространственного размещенияэлементов в антенной решетке.

Однако построение широкополосных антенн сширокоугольнымсоответствующимисканированиемчастотнымивозможноприналичиихарактеристикамиизлучателейсихарактеристикамималымимассогабаритныминаправленности.Излучатель бортовой АР должен обладатьпараметрами, обеспечивать требуемое изменение характеристик направленностив рабочей полосе частот и перекрытие сектора сканирования. Помимо хорошихмассогабаритных характеристик, антенны должны обладать ещё и высокойнадёжностью. Решение этой задачи, как правило, сводится к использованиюлёгких материалов с низкими температурными коэффициентами и высокоймеханической прочностью,атакжеприменениюприихпроизводствесовременных технологий изготовления.Для широкоугольного сканирования в горизонтальной плоскости необходимненаправленный излучатель в этой плоскости.

В случае узкой рабочей полосы, вкачестве излучателя подходит несимметричный вибратор. Он получил широкоеприменение в радиолокации, радиосвязи и радиовещании [73-76]. Расширение51полосы пропускаемых частот и снижение макс. напряжённости поля достигаютсятакже увеличением диаметра провода антенны или применением несколькихпараллельно соединённых проводов антенны. Такая антенна создает равномерноеполе излучения в азимутальной плоскости.Чертеж и модель излучателяприведены на рис.26 и рис.27 соответственно.Рис.26.Чертеж несимметричного вибратора.Рис.27.Общий вид вибратора.52Результаты моделирования представлены на рис.28 и 29.

На рис.29 показаназависимость КСВ от частоты, иллюстрирующая согласование излучателя врабочей полосе частот. На рис.29 показана ДН элемента.Рис.28.Зависимость КСВ от частоты.Рис.29.Зависимость КСВ от частоты.53Современныемобильныетелекоммуникационныесистемы интенсивноразвиваются в направлении увеличения информационной ёмкости и скоростипередачи данных, что приводит к необходимости расширения рабочей полосычастот антенн или работы в нескольких частотных диапазонах.Кчислуширокополосныхантеннотносятсялогопериодические,биконические антенны и взаимодополняющие структуры [77]. Биконическиеантенны показаны на рис.30.

Они широко применяются в измерительныхсистемах, системах радиоэлектронной борьбы (РЭБ) и системах экологическогомониторинга окружающей среды. Перекрытие по диапазону частот таких антеннсоставляет 10 и более раз [78].Рис.30.Биконические антенны.Биконические антенны можно отнести к классу сверхширокополосных(СШП) антенн, поэтому они применяются в радиолокационных системах с СШП54сигналами, предназначенных длявысокого разрешения, а также в системахрадиоразведки и радиопротиводействия.В настоящее время широко используют невыступающие антенны типа щелейи печатных излучателей.

Для формирования остронаправленных диаграммприменяют конформные антенные решетки из таких излучателей [28]. Какщелевые, так и печатные антенны являются резонансными, а, следовательно,узкополосными.Одной из задач современной бортовой радиоэлектроники является созданиеинтегрированных радиоэлектронных комплексов с объединенной антеннойсистемой, т.е.

с антенной совмещенной, многочастотной, работающей натрадиционных используемых частотах для данной радиосистемы. Таким образом,возникает задача разработки антенн, размещаемых на внешней поверхности ЛА иобладающей широким рабочим диапазоном в октавы и даже декады.Широкополосныеслабонаправленныеантенны,излучениекоторыхрассматривается в свободном пространстве, известны, однако изготовленные попечатной технологии, эти антенны теряют свою широкополосность.

Длясохраненияширокополосностиинаправленныхсвойствпредлагаетсяиспользовать известные в радиотехнике композитные материалы, позволяющие вширокихпределахизменятьсвоиэлектрофизическиепараметры:диэлектрическую и магнитную проницаемость, включая и отрицательныезначения. В таких материалах можно создать «запрещенную зону» [79,80], вкоторой отсутствует распространение электромагнитных волн СВЧ и посравнению с проводником знак коэффициента отражения изменяется наобратный.Широкополосная антенна, выполненная над экраном с периодическойструктурой, показана на рис.1.55Рис.31. Широкополосная антенна над экраном с периодической структурой.На рис.31 показан общий вид микрополосковой антенны с кольцевымшлейфом и замедляющей структурой. Здесь обозначены следующие позиции: 1 элемент импедансной поверхности; 2 - бабочка; 3 - кольцевой шлейф, 4 диэлектрик, 5 - коаксиальное питание; 6 - экран; 7 - крепление элементаимпедансной поверхности.На рис.32 показан общий вид и приведены размеры импедансной структурыс высотой 3.46 мм.

На рис.33 представлены диаграммы направленности антенны,приведенной на рис.31, в плоскостях Е и Н. На рис.33 обозначены диаграммынаправленности в плоскостях Е и Н на трех частотах: 1 - 10.7 ГГц; 2 - 12.7 ГГц; 3 14.75 ГГц.Рис.32. Общий вид и размеры импедансной структуры.56а)б)Рис.33. Диаграмма направленности микрополосковой антенны с кольцевымшлейфом, размещенной над экраном с периодической структурой: а - в плоскостиЕ, б - в плоскости Н.57На рис.34 приведена зависимость КСВ от частоты для антенны, показанной нарис.31.Рис.34.

Зависимость КСВ от частоты.Отличие антенны без импедансной структуры и с импедансной структуройпроиллюстрированодиаграммаминаправленностирис.35-38.Нарис.35совмещены диаграммы в Н-плоскости на частоте f=10,7 ГГц для антенны беззамедляющей структуры, обозначенной позицией 1, и с замедляющей структурой,обозначенной позицией 2.Рис.35. Диаграммы в Н-плоскости на частоте f=10,7 ГГц для антенны беззамедляющей структуры и с замедляющей структурой.58На рис.36 совмещены диаграммы в Н-плоскости на частоте f=11,7 ГГц дляантенны без замедляющей структуры, обозначенной позицией 1, и с замедляющейструктурой, обозначенной позицией 2.Рис.36. Диаграммы в Н-плоскости на частоте f=11,7 ГГц для антенны беззамедляющей структуры и с замедляющей структурой.Рис.37. Диаграммы в Н-плоскости на частоте f=12,7 ГГц для антенны беззамедляющей структуры и с замедляющей структурой.59На рис.37 совмещены диаграммы в Н-плоскости на частоте f=12,7 ГГц дляантенны без замедляющей структуры, обозначенной позицией 1, и с замедляющейструктурой, обозначенной позицией 2.Расширениедиаграммыпроисходитприсохранениичастотныххарактеристик согласования, что иллюстрируется рис.38.

График на рис.38,соответствующий антенне без замедляющей структуры обозначен позицией 1, сзамедляющей структурой - позицией 2.Рис.38. Зависимость КСВ от частотыТаким образом, на проводящей поверхности ЛА наносится тонкий слойкомпозита (импеданснаяструктура) в «запрещенной зоне» на которомразмещается антенна. В результате антенна не превращается в печатную, асохраняется распределение тока на наружной поверхности антенны как всвободном пространстве. Это позволяет получить новые характеристики у такоймодифицированной печатной антенны.602.5КольцевыеконцентрическиеантенныерешеткисдвумернымсканированиемПлоское расположение излучателей позволяет обеспечить двумерноесканирование, кроме перемещения луча по азимуту перемещать луч по углуместа. При этом требуемое фазовое распределение определяется соотношением:  R тр  jkRp sin  cos( л   pq)лn(10)где л,л – направление главного максимума.На рис.39 приведены ДН для ККАР при отклонении луча на 20, 30, 40, атакже ДН в горизонтальной плоскости рис.40 для решетки с числом элементовN=1500 без учета ДН элемента.