Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 71
Текст из файла (страница 71)
Пусть сектор сканирования (т. е. область, в которой может находиться луч решетки) занимает зону углов 0<8 <Ом, 0<ч <2п. Предположим, что пространственная ДН излучателя (12.18) созВ пРи В (В„хх, 0 (У.С 2п, 0 при В."> В „. Для такой ДН с оптимальным подавлением побочных главных мак- симумов КНД в,„хх =4 ~ ~ Вз(п ВбВФ=4/ что обеспечивает эффективную поверхность одного излучателя ххх орг=ОхлхрхХэ/(4п) =Х~/(пз1П Ошах). Распределяя площадь раскрыва равномерно между оптимальными элементами, получаем оценку их числа в раскрыве с заданной площадью 5: ~~ арр= ~Фвл юрй= ПС)' З111 бп$ах' Сравним площадь, приходящуюся на один элемент с оптимальной ДН, с площадью 5,„, приходящейся на один изотропный элемент ФАР с треугольной сеткой, при условии подавления побочных главных максимумов.
Отношение этих площадей составляет ')~Г(1+з(п Ош )9(2п з)пг Ом.,), н его можно трактовать как выигрыш в сокращении, числа элементов. Вычисления показывают, что заметный эффект (2,5 раза и более) в экономии числа элементов ФАР при использовании оптимальных направленных излучателей может быть достигнут только при узких секторах сканирования: йм (30 . Создание излучателей с оптимальной ДН, приближающейся к аиду (12.18), представляет достаточно сложную техническую задачу. На практике предпочитают несколько увеличивать число излучателей.
Помимо упрощения конструкции излучателей ФАР это дает выигрыш н в надежности. В реальных ФАР прн малых секторах сканирования (меньше 20 — 30') возможен более простой способ уменьшения числа независимо фазируемых элементов — объединение нескольких простых излучателей в синфазные группы, управляемые одним фазовращателем. Каждан синфазная группа имеет более узкую ДН по сравнению с ДН одиночного излучателя, и это позволяет снизить уровень побочных главных максимумов. Нерегулярное размещение излучателей в плоской ФАР. Оказывается, что практически полное подавление побочных главных максимумов плоской ФАР возможно при нерегулярном размещении в раскрыве относительно небольшого числа слабонаправленных излучателей, во много раз меньшего числа элементов в плоских ФАР с регулярной структурой.
Этот способ аналогичен использованию линейных незквидистантных антенных решеток. Выбор нерегулярного расположения элементов в плоском раскрыве чаще всего осуществляется с помощью какой-либо случайной процедуры. Например, раскрыв решетки сначала разбивается прямоугольной сеткой, имеющей УХЖ узлов. В некоторых узлах наугад размещаются М излучателей, причем попадание излучателя в каждый узел имеет равную вероятность М/1У»<1. Если расстояние между узлами исходной сетки не более 0,5Х, то средняя ДН по мощности представляется суммой множителя направленности плоской регулярной решетки и почти равномерного случайного «фона» бокового излучения: ) .р )+ № — М (1 Рр(й )( М (№ — 1) где гот(0, ш) — ДН плотно заполненной регулярной решетки из /т'ХЛ элементов. При №.ьМ средний уровень фона добавочного бокового излучения составляет около 1/М и не зависит от Л'т, т.
е. от размеров раскрыва. Побочные главные максимумы не возникают, так как в любой плоскости сканирования эквивалентная линейная излучающая система представляет собой неэквидистантную антенную решетку, содержащую все М излучателей. Подробный вероятностный анализ показы- л, г'-йюлю гтзлх1 И вает, что в ансамбле плоских нерегулярных случайных решеток с одинаковым числом элементов М подавляющее большинство реализации ДН близко к средней, т.
е. антенны с очень плохими и очень хорошими ДН встречаются крайне редко. Поэтому плохие варианты (например, с кучным расположением элементов в какой-либо зоне раскрывз) легко отсеиваются простым перебором нескольких случайных реализаций. '!Р При выборе допустимого числа элементов М следует исходить из требования от Р 212 К б сутствня боковых лепестков, превышающих некоторый наперед установленный уровень. лярно заполненной алосНа рис. 12.12 приведены графики, показы- коз антенной решетке вающие допустимое уменьшение числа элементов М/№ в зависимости от № при двух фиксированных значениях уровня бокового излучения /т. Сплошными кривыми показаны значения М/№, при которых выбранный уровень превышается во всей области видимости максимум одним случайным выбросом, штриховыми — значения М/№, при которых данный уровень превышается пе более чем ГО выбросами.
Графики справедливы для шага исходной сетки 0,5Х. Из графиков, в частности, следует, что если в раскрыве размером 1ООХ100 Х, т. е. при №=40 000, разместить всего 400 элементов, то уровень — !5 дБ будет превышен не более чем 1О лепестками. Определим КИП плоской нерегулярной решетки как отношение ее КНД к КНД плоского сннфазного раскрыва той же площади с равномерным амплитудным распределением. КНД раскрыва составит Р0 —— -4я5/Хт=4п/т" (0,5Х')/1.т=п/тт.
КНД разреженной решетки равен произведению КНД одного излучателя на число элементов: Р=МР,„, так как взаимосвязь элементов при редком расположении практически не сказывается на излучаемой мощности. Для слабонаправленных элементов (полуволновые впбраторы над экраном, полуволновые щели н т. п.) Р:,„, 3 — 4, и для КИП разре. женпой решетки получается оценка К„„М/Ж'. Таким образом, при М~Ут нерегулярные решетки имеют пнзкнй КИП, несмотря на то что форма главного лепестка ДН точно соответствует форме глав- ного лепестка непрерывного раскрыва. Снижение КИП обусловлено рассеянием мощности в почти равномерный фон бокового излучения (см.87.5). Из-за малых значений КИП решетки с большим разрежением редко используются в радиолокации и преимущественно применяются в радиоастрономии, где важна прежде всего разрешающая способность, а недостаточное значение КНД может быть компенсировано увеличением времени наблюдения источника.
й НЬВ. О СВЯЗИ ДН ИЗЛУЧАТЕЛЯ РЕШЕТКИ И РАССОГЛАСОВАНИЯ ВХОДОВ ЗЛЕМЕНТОВ аА НРИ СКАНИРОВАНИИ При небольшом числе элементов влияние взаимосвязи между излучателями ФАР на коэффициент усиления решетки н на входное сопротивление отдельного излучателя при сканировании может быть учтено с помощью «поэлементного» подхода, рассмотренного в З 11.8. Если же регулярно заполненный раскрыв ФАР имеет большие электрические размены н число элементов измеряется сотнями и тысячами, то удобнее применить приближенный подход, при котором используются усредненные характеристики одного элемента.
Тогда полная ДН решетки представляется в виде (12.1), причем в качестве функции Г, (8, Ч~) берется ДН одного элемента в присутствии остальных элементов, входи которых замкнуты на пассивные нагрузки. Сопротивления этих нагрузок должны быть равны внутренним сопротивлениям генераторов (или приемных модулей), подключенных к каждому элементу решетки. При этих условиях возбуждение, поданное только на один элемент„ в результате действия взаимной связи распространяется на соседние элементы н в ннх появляются излучающие токи. Кроме того, происходит потеря части мощности в пассивных нагрузках.
Следовательно, ДН излучателя Г, (О, ~Р) фактически создается наложением на поле одного элемента полей окружающих элементов, причем этой ДН соответствует КПД т1» «.1 из-за отвода мощности в нагрузки соседних элементов. Таким образом, векторной ДН Г, (О, Ф) можно поставить в соответствие угловую зависимость коэффициента усиления одного элемента: 0„(8, Р)=В Ч (1 — )Р,Р)Г!.(О, Р), где ΄— КНД, определяемый по ДН Г'»ь(8, ~Р); р — коэффициент отражения на входе единственно возбуждаемого излучателя в составе всей ФАР.
Входящий в (12.1) множитель направленности системы /а (О, Ч~) прн отсутствии побочных главных максимумов решетки в секторе сканирования можно приближенно считать равным множителю направленности непрерывного раскрыва. Остаются справедливыми все оценки ширины луча при сканировании, а также оценки КИП, обусловленные неравномерным амплитудным распределением, случайными н систематическими фазовыми ошибками. Общий коэффициент усиления ФАР может быть представлен в виде б(8„~,)=Л а,.
(О„р,) К„„ (12. 19) где (8м «р««) — направление сканирования; К„х — результирующее значение, учитывающее неравномерное амплитудное распределение, фазовые ошибки и другие факторы. Влияние взаимной связи элементов на коэффициент усиления уже учтено в функции б, (О, «р). Рассмотрим режим ФАР, когда все элементы возбуждены с одинаковой амплитудой и идеально сфазированы в направлении Ом «р««. Тогда в (12.19) К а=1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
