Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 87
Текст из файла (страница 87)
С уменьшением дискрета фазы до нуля интенсивность паразитиых составляющих стремится к нулю. Попытаемся найти направление, в котором паразнтная ДН с номером т имеет максимум. Для этого следует положить равным Подставляя в эту формулу конкретные значения разности хода и идеальной фазы, можно получить развернутые выражения для множителей направленности линейной, плоской или произвольной антенной решетки с дискретным фазированием. Этот множитель оказывается представленным бесконечной суммой парциальных ДН гас(6.
тр). Главный вес в этой сумме имеет нулевой член га (О, !р), представляющий ДН решетки с идеальным фазнроааннем. Однако главный максимум этой ДН уменьшен в Сс —— нулю показатель экспоненты в (15.4) и тем самым исследовать возможность синфазиого сложения полей от всех излучателей решетки для данного т. Для плоской антенной решетки условие рЯ сока +Ф а(1+2пш/АФ) =О эквивалентно равенству Р з!и ()м (х«соз 'Ьи+ У«з!и В«) Р з!и За(х«соз 'Ра+ У«з1о та) Х х (1+ 2пт/йФ) =О, (15.5) где 6«, (га — направление фазирования решетки; х„, у„— координа- ты излучателя с номером и; 6, ч~ — направление максимального излучения паразитиой ДН.
Так как (15.5) должно одновременно выполняться для любых х„, у„, то решение имеет вид з!и З„=(1+2птйФ) з1п 6; з!и йа >» 0; г=~+8 т; В= 11 при т <.О, (О при т)0. Таким образом, максимумы паразитных ДН при любых лтчьО рас- полол е~ ы а плоскости отклонения луча от нормали к раскрыау, а сами царазитные ДН представляют собой ДН плоской решетки, идеально сфазированной а направлении 6, ~р„. Абсолютный уровень наибольших паразитных максимумов т=--!-1, со~звено (15.3), составляет Мп (йФ/2) . Например, в слуя ~ йФ!2 чае ЬФ=п/2 (четыре положения фазы) уровень наибольшего па- разитного максимума может составлять примерно — 9,6 дБ, а при АФ=п/4 — примерно — 16,6 дБ.
Паразитные лепестки заметного уровня характерны лишь для линейных и плоских ФАР с дискрет- ным фазированием. В неплоскнх ФАР уравнение (15.5) не имеет одинакового решения для всех пар элементов решетки и происхо- дит своеобразное рассеивание мощности паразитиых ДН в широ- кой зоне углов. Аналогичного эффекта можно добиться и для ли- нейных и плоских ФАР путем создания нелинейного начального фазового распределения — фазовой подставки. Естественно, что начальное фазовое распределение должно компенсироваться фазо- вращателями при сканировании.
Снижение коэффициента использования поверхности ФАР с дискретным сканированием дается приближенной формулой а|па (йФ!2) К = , справедливой как при наличии начальной фа(йв/2)з вовой подставки, так и при ее отсутствии. й !Ь4. МНОГОЛРЧЕВЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКН Миоголучевыми называют антенны с несколькими независимы,м и входами„каждому из которых соответствует своя ДН, для краткости называемая «лучом». Наиболее простым и наглядным при- мером многолучевой аитеииы является линза Люиеберга с системой независимых облучателей (см. рис. 14.11). Моиоимпульсные аитенны с суммарными и разностными ДН, формируемыми общим раскрывом зеркала, являются также примером многолучевой антенны. Миоголучевые аитеины можно строить и иа основе аитеииых решеток с помощью специальных проходных миогополюсников, часть входов которых присоединяется к излучателям решетки, а другая часть входов соответствует независимым каналам с различающимися ДН.
Проходной многополюсиик, примеияемый для питания многолучевых аитеииых решеток, носит назваиие диаграм.иообразующей схемьс (ДОС). Обычно с целью сохранения высокого КПД антенны ДОС выполняются из реактивиых элемеитов: напр авлеииых отнетвителей, фиксироваиных фазосдвигателей, отрезков ливий передачи и др. Однако иногда в ДОС вводят и поглощающие нагрузки. Как правило, в миоголучевой антенне стремятся получить систему остронаправленных лучей, равномерио заполняющих заданный сектор пространства.
Переключением этих лучей реализуют амплитудиый способ сканирования. Система управления при амплитудиом способе сканирования получается зиачительио проще, чем при фазовом способе, так как иеобходимые амплитуднофазовые возбуждения различных лучей «запоминаются> в ДОС, а роль системы управления сводится только к выбору ДН с иужиым номером. В многолучевых антеннах возможна одновременная параллельная обработка информации, поступаюшей по различным каналам, и это позволяет существенно увеличить быстродействие радиотехнической системы. Недостатками амплитудного способа сканироваиия являются необходимость примеиеиия сравиительно сложиых ДОС и некоторое ограиичеиие возможностей создания ДН иной формы, отличной от формы имеющихся лучей.
Рассмотрим иаиболее распростраиенные ДОС, используемые для возбуждения линейных эквидистантных аитениых решеток. Последовательная диаграммообразующая схема (матрица Бласса). Эта ДОС состоит из двух взаимно пересекающихся систем линий передачи, связаииых в местах пересечеиий направленными ответвителями со слабой связью (рис. 15.9, а). Выходы вертикальных линий присоединяются к излучателям, входы горкзонтальной и наклонных ливий представляют собой входы антенны. Свободные концы линий нагружены на согласованные поглотители.
Пусть источник колебаиий подключеи к входу 1 антенной системы. Высокочастотная мошиость распространяется по горизоитальиой линии передачи, частично ответвляясь в каждом пересечении в стороиу излучателей. Излучатели оказываются возбужденными с линейным фазовым распределением. Коэффициент замедления фазоаой скорости возбуждения зависит от длины линий задержки (фиксированных фазосдвигателей), устаиовленных иа входах излучателей.
Если коэффициенты связи в направленных ответвителях одинаковы, то амплитудное распределение возбуждения экспоненциально спадает к правому концу решетки, причем некоторая часть мощности ()Π— 20%) поглощается в оконечной нагрузке. Вся остальная мощность идет на формирование остронаправленного излучения с ориентацией главного максимума в б1 Рис. 15.9. Многолученая антенная решетка с послелоиательиыи пита- нием направлении 1 (рис. (5.9, б), а другие входы антенной системы и остальные согласованные нагрузки остаются невозбужденными.
Таким образом, с входа 1 многолучевая антенна работает как простая линейная решетка, питаемая по последовательной схеме от горизонтальной линии передачи через направленные ответвители. Пусть теперь источник колебаний подключен к входу 2. Так как идущий от входа 2 тракт имеет наклон по отношению к первому тракту, то на излучателях решетки создается распределение возбуждения с иным коэффициентом замедления фазовой скорости, поскольку возбуждения левых излучателей происходят с дополнительным запаздыванием по отношению к правым излучателям. Поэтому в пространстве появляется остронаправленное излучение с ориентацией главного максимума в направлении 2 (рис, )5.9, б).
При возбуждении входа 2 мощность, распространяющаяся в вертикальных линиях передачи в сторону излучателей, проходит через ряд направленных ответвителей верхнего этажа ДОС. С перВого взг да то должно ослабить мощность, поступающую к излу- чателям, а кроме того, должна появкться волна, движущаяся вправо в горизонтальном тракте верхнего этажа, часть мощности которой может теряться в нагрузке. На этом основании можно было бы ожидать ухудшения КПД второго луча по отношению к первому и точно так же третьего по отношению ко второму и т. д. Однако имеется благоприятный фактор, который мешает проявлению этих нежелательных последствий.
Горизонтальные тракты верхних этажей возбуждаются одновременно многими расфазированнымн сигналами нижних этажей, причем расфазироваиие вызвано взаимным наклоном соседних горизонтальных линий. При достаточном смещении максимумов соседних лучей (не менее ширины одного луча по половинной мощности) суммы ответвившихся расфазированных сигналов в согласованных нагрузках верхних этажей оказываются близкими нулю. Поэтому верхние этажи практически не уменьшают мощности, идущей к излучателям от нижних этажей, и только создают небольшие искажения амплитудно-фазового распределения возбуждения излучателей решетки, Расчеты показывают, что вследствие влияния верхних этажей амплитудное распределение в раскрыве решетки для всех входов, кроме верхнего, выравнивается, а фазовая ошибка, т.
е. отклонение фазы от линейного закона, хотя и увеличивается для нижних входов, но все же остается незначительной. Аналогичное рассмотрение можно провести для каждого последующего входа. Итак, с помощью последовательной ДОС имеется возможность создать систему одновременно существующих и не взаимодействующих между собой остронаправленных лучей, причем их число не должно превышать числа элементов решетки (во избежание снижения КПД схемы).
Известны примеры применения многолучевых решеток с последовательными ДОС в аэродромных радиолокационных станциях определения высоты самолетов (в секторе углов места 0,5 в 40' располагается до 110 независимых лучей). Преимуществом последовательной ДОС является возможность ее реализации при любом числе элементов решетки и такого подбора длин линий на входах излучателей и между направленными ответвителями, при котором направления лучей оказываются не завнсяшими от частоты. Недостатком последовательной ДОС является слишком большое число направленных ответвителей и снижение КПД из-за потерь мощности в нагрузках.
Параллельная диаграммообразующая схема (матрица Батлера). Для этой ДОС характерно, что прохождение высокочастотной мощности от каждого входа многолучевой антенны к излучателям решетки напоминает прохождение мощности в схеме двоично-этажного питания, т.
е. в «елочке». Проще всего уяснить принцип действия параллельной ДОС на конкретном примере, ограничив число излучателей эквидистантной линейной решетки восемью (рис. 15.10, а, б). Основными «строительными элементами» ДОС являются квадратурные 3-дВ направленные ответвителн. В каждом ответвителе мощность с любого нижнего входа поровну распределяется между верхними входами с дополнительной задержкой по фазе и/2 при прохождении мощности «по диагонали» ответвителя.
Наряду с ответвителямн в параллельной ДОС используются также фиксированные фазосдвигатели (линии задержки), показанные квадратиками с вписанной в иих величиной фазовой / т' Х е Х 6 у Л Уl а 2 ал Гл Ь) ал ал гл Ат Фл Юханы а) Рис. 1ЬЛО. Мнотплучевая антенная решетка с параллельным пита- нием задержки в радианах. Электрические длины всех остальных отрезков линий передачи для простоты можно условно считать нулевыми.
Осуществляя мысленно подачу колебаний ВЧ иа любой вход ДОС и прослеживая пути движения мощности к каждому излучателю решетки, можно легко найти возникающие амплитудно-фазоаые распределения возбуждения. Для примера на рис. 15.10, а заптрихованы ответвители, через которые мощность к излучателям передается при возбуждении входов с номерами 1п и 4л. Во всех :лучаях мощность делится поровну между всеми излучателями >ешетки и все нижние входы оказываются развязанными между :обой огласованными (если пренебречь возможными отраже- н с анямн от излучателей).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
