Диссертация (Двухчастотная фазированная мобильная антенная решётка РЛС L-диапазона), страница 5

В настоящее время проводятсямногочисленные исследования плоских ФАР по оптимизации характеристик, расширению полосы и диапазона рабочих частот, согласованию излучателей и т. д.Однако они не удовлетворяют таким требованиям, предъявляемым к современнымРЭС, как широкополосная или диапазонная работа и достижение заданного УБЛпри высоком энергетическом потенциале системы.Для расширения функциональных возможностей АР в 70-х годах были предложены выпуклые ФАР (ВФАР) с размещением элементов на различных конформных поверхностях [44]. В таких решётках увеличивались сектор сканирования, рабочая полоса и шаг размещения элементов.

Однако это приводило к усложнениюраспределительной системы и неоптимальному использованию излучающей поверхности антенны. В настоящее время существующая цифровая элементная базапозволяет устранить первый недостаток, но второй недостаток остаётся. Крометого, увеличение шага элементов в ВФАР приводит к росту уровня бокового излучения. Методы снижения УБЛ остаются такими же, как и для плоских решёток.25Снижение УБЛ достигается спадающим к краям АФР, которое приводит к падениюусиления.Требуемый уровень бокового излучения, существенное увеличение шага излучателей, а также расширение рабочей полосы частот могут быть реализуемы приразмещении ненаправленных элементов не только на внешней поверхности, но и вобъёме.

Тогда получается трёхмерная пространственная антенная решётка с широкоугольным двумерным сканированием. Если допустить, что поляризация у всехизлучателей одинакова и амплитуды излучающих токов равны, то луч управляетсяв пространстве только фазировкой излучателей, образующих решётку. Возбуждение излучателей такой решётки можно выполнить различными способами, что будет рассмотрено ниже. Задача о построении пространственной трёхмерной решётки была поставлена в 60-х годах 20-го века и для её решения была подробноисследована составная часть этой решётки – система источников, расположенныхна концентрических окружностях [45].Для антенных систем с механическим сканированием и высоким энергетическим потенциалом задача снижения УБЛ может быть также решена, как будет показано ниже, за счёт пространственного размещения излучателей. В пространственных антенных решётках, как и в кольцевых концентрических АР (ККАР) [93],можно увеличить шаг размещения излучателей, но при сохранении их числа.Пространственное размещение излучателей для оптимизации характеристикнаправленности и сканирования представляет одно из направлений, в котором возможно получение новых интересных результатов.Для снижения УБЛ в плоских антенных решётках применяется синтез АФРили оптимизация размещения элементов.

Оба способа приводят к значительномуснижению коэффициента усиления антенны. На рис.1.2 показаны зависимости нормированных значений коэффициента направленного действия (КНД) от величиныУБЛ в плоских антенных решётках для прямоугольного и круглого раскрывов сиспользованием различных амплитудных распределений, полученные в виде аппроксимации данных для различных АФР из [1]. Горизонтальной чертой (пунктир)26на графике отмечено некоторое минимально допустимое значение КНД, при котором дальнейшее снижение УБЛ посредством синтеза АФР нецелесообразно в связис падением усиления и ограничением применимости такой антенной системы. Вэтом случае рекомендуется использовать возможные альтернативные способы минимизации УБЛ, например, использование пространственного размещения излучателей в АР.Как было отмечено выше, в пространственных антенных решётках УБЛ снижается только за счёт оптимального распределения излучателей в пространстве,при этом число элементов и размер эквивалентной апертуры сохраняются.Поскольку в антеннах с пространственной структурой форма эквивалентногоизлучающего раскрыва остаётся постоянной, то и теоретическая зависимость КНДбудет слабо зависеть от УБЛ.Рисунок 1.2 Оценка зависимости нормированного к максимальному значениюкоэффициента направленного действия от УБЛ для прямоугольного и круглогораскрывов с использованием различных АФРДля подтверждения приведённых положительных свойств необходим анализхарактеристик направленности, шага, полосы и других параметров АР с пространственной структурой, приводимой ниже.27К антенным решёткам, полученным за счёт реконструкции излучающего полотна, можно отнести структуру, полученную за счёт смещения половины антенного полотна на некоторую величину.

Кроме того, можно получить дополнительный выигрыш, если построить полотно в виде ступенек и прочих структур, как показано на рис.1.3.Рисунок 1.3 Формы пространственных структур:а) смещение одной половины полотна относительно другой с некоторым шагом;б) ступенчатая форма антенного полотна;в) профиль антенного полотна треугольной формыПереход от плоской излучающей апертуры к некоторой ступенчатой (пространственной) в теории и технике антенн СВЧ давно известен.

Так в линзовыхантеннах такое изменение апертуры позволяет улучшить направленные свойства.Физика процесса уменьшения УБЛ остронаправленных антенн может быть пояснена следующим образом. Разделяя плоское полотно ФАР на части, смещая их друготносительно друга и фазируя их в направлении главного луча, возникает интерференция боковых лепестков. Подбирая необходимые величины «сдвигов» пространственных частей антенны и фазировки частей, можно в определённой областиуменьшить УБЛ. Ранее подобные вопросы не рассматривались, и на данное предложение получены два авторских свидетельства [46, 47]. Общее понижение УБЛобъясняет следующая простейшая модель АР.

Если взять плоскую АР с известнымуровнем боковых лепестков, и над ней разместить некоторое число таких же АР снеобходимым шагом и фазированием для формирования одного луча, то в такой28новой решётке ширина луча практически не изменится, но возрастёт усиление засчёт уменьшения среднего УБЛ.Особенность построения таких антенн и влияние структуры полотна на УБЛможно пояснить следующим элементарным примером рис.1.4.θΔΔ1hθΔ1Рисунок 1.4 Пояснение физики процессаДве половины полотна, смещённые относительно друг друга на некоторую величину ступеньки, фазируются таким образом, чтобы в направлении основногомаксимума при излучении по нормали они были синфазны и давали максимум излучения.

В случае обычной плоской АР под некоторым углом, где формируетсябоковой лепесток, разность хода составила бы некоторую постоянную величину Δ.В случае со ступенчатой формой апертуры к фазовому сдвигу добавится дополнительный, определяемый величиной ступеньки h, что приведёт к дополнительномуфазовому сдвигу между боковым излучением первой и второй ступеньки, такимобразом, что разность хода лучей станет Δ1.

Подбирая высоту h, можно добитьсяинтерференции боковых лепестков, т.е. уменьшения их уровня или в определённойчасти пространства, или среднего уровня.Уменьшение среднего УБЛ при сохранении ширины луча соответствует изменению КНД антенны, что также представляет особый интерес и подлежит рассмотрению.29Особенности расчёта и построения пространственных антенных структур заключаются в следующем. При отказе от плоского размещения излучателей в полотне возможно изменение взаимодействия.

Также изменяется диаграмма направленности всей решётки, меняется коэффициент полезного действия (КПД). Различные изменения структуры могут увеличивать число элементов в решётке. Крометого, при электрическом сканировании возникает эффект экранировки и возможность его устранения в активных ФАР. Все эти вопросы подлежат рассмотрению.Предложенные конструкции не решают проблему взаимодействия элементовв решётке, и это взаимодействие в первом приближении сохраняется.

При разработке общей теории предварительно можно указать особенности практического построения. При построении АР следует воспользоваться ранее проведёнными исследованиями в этом направлении.1.4 Выводы1. Проведён обзор отечественных и зарубежных систем, возможных для построения двухчастотной ФАР ОГП.2. Сформулированы основные технические требования фазированных антенныхрешёток ОГП мобильных ИРЭК.3. Определены общие требования к составным частям ФАР и рассмотрены возможные варианты построения.4.

Рассмотрены способы снижения УБЛ и предложено некоторое уменьшение егопутём изменения формы излучающего полотна.30Глава 2. Излучающее полотно фазированной антенной решёткигосударственного опознавания2.1 Широкополосные излучателиИсходя из условий применения, к излучателям современных мобильныхИРЭК предъявляются достаточно жёсткие требования. Ширина ДН излучателядолжна обеспечивать сектор сканирования в двух диапазонах или широкой полосечастот. Поскольку элементы АР работают в L-диапазоне, важнейшей задачей является минимизация массогабаритных характеристик.

Для увеличения энергетического потенциала необходимо уменьшать потери. Поэтому требуется хорошее согласование излучателей в решётке с коэффициентом стоячей волны (КСВ) не более1,5. Причём это значение должно сохраняться в пределах двух рабочих диапазоновили широкой полосы частот при взаимном влиянии излучателей. Конструкция излучателя должна быть максимально простой и обеспечивающей высокую идентичность излучателей при их производстве. При многодиапазонной или широкополосной работе применяются печатные излучатели с расширяющейся по экспоненциальному закону щелью, получившие в литературе название излучателей Вивальди.Имеются также различные конструкторско-технологические модификации этогоширокополосного излучателя с перекрытием рабочей полосы в несколько октав.Излучатели антенной системы (АС) также должны обладать высокой электрической и механической прочностью и устойчивостью к условиям эксплуатации намобильном объекте.2.1.1 Излучатель ВивальдиВ настоящее время разработаны и широко применяются на практике широкополосные малогабаритные металлодиэлектрические антенны.