Комягин Р.В., Хандамиров В.Л. Исследование антенны с электрическим сканированием лучом (2015) (1095429), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

ШиринаДН излучателя в решетке должна быть не менее величины секторасканирования луча. Поскольку на практике наиболее эффективныАР с широкоугольным сканированием, в качестве излучателей восновном применяются слабонаправленные антенны (волноводные, диэлектрические стержневые, печатные, щелевые, вибраторные и т. д.).1.3.

Проектирование антенных решетокРасчет и конструирование современных антенн значительноусложнились в последние годы по причине увеличения числа иточности необходимых характеристик. Нахождение оптимального13варианта антенной системы по заданным требованиям значительноувеличивает объем всех расчетов.Известны различные методы расчета антенн. На стадии предварительного проектирования применяют приближенные методы,позволяющие специалистам, знакомым лишь с общей теорией антенн, определять основные характеристики их новых типов. Этопривело к созданию инженерных методик расчета с введением ряда приближений и упрощений, что повлияло на точность расчетахарактеристик антенных решеток и ограничение пределов их применимости.

Наряду с этим интенсивно развиваются строгие компьютерные методы расчета, оптимизирующие проектируемыеустройства по тому или иному критерию. Характеристики антенн,найденные с помощью приближенных инженерных методик, могут быть уточнены строгими методами.При расчете и проектировании антенных систем решение общей задачи приходится искусственно разделять на ряд отдельныхчастных задач. Решение этих задач с учетом их взаимосвязи даетвозможность рассчитывать характеристики сложных антенныхсистем и искать вариант антенны, наиболее соответствующий поставленным требованиям. Такой подход позволил создать независимые методы инженерного расчета АР с электрическим сканированием, АФАР и их элементов.За последнее время в конструировании и производстве антеннпроизошли существенные изменения. Разнообразие используемыхтипов антенн, их существенные различия в зависимости от назначения привели к возникновению ряда самостоятельных отраслейантенностроения с присущими им конструкторскими решениями,используемыми материалами, технологией производства.Остановимся на особенностях проектирования ПФАР и АФАР.Сложность данных антенных систем влечет за собой их высокуюстоимость.

Поэтому процесс проектирования в значительной мересводится к поиску таких решений, которые с учетом класса радиолокационной станции (РЛС), требований размещения, мобильности, серийности производства, изменения внешних воздействийпозволят найти приемлемый компромисс между стоимостью антенной системы и уровнем ее характеристик.При проектировании ФАР на первый план выдвигается вопросневысокой стоимости опытного образца. Поэтому уже в начале14проектирования должны быть рассмотрены технологические возможности производства, необходимые для создания массовой элементной базы ПФАР или АФАР, определены варианты элементной базы для данного типа РЛС и выработаны технические и экономические требования к каждому элементу с учетом его серийного производства.Следующий этап проектирования — разработка вариантовфункциональных схем антенных решеток, отвечающих заданнымтребованиям и конструкторско-технологическим особенностямантенны.

На этом этапе целесообразно рассмотреть существенноразличные варианты, например ПФАР и АФАР (на передачу илиприем), приемную ФАР с обработкой сигнала и управлением лучом на несущей или промежуточной частотах и т. д. Это позволиттщательнее оценить возможности существующей технологии ивыбрать в дальнейшем оптимальный для данного типа РЛС вариант такой сложной системы.Существенным моментом проектирования на этом этапе является расчет энергопотерь, вызванных применением в РЛС той илииной схемы АР. Должны быть учтены как прямые потери энергии,например, в системе распределения мощности или управления лучом, так и потери от снижения коэффициента усиления антенны,вызванные дискретностью фазирования, ступенчатой аппроксимацией линейного фазового фронта: отклонением луча от нормали иошибками амплитудно-фазового распределения. Эти потери существенно влияют на тактические характеристики системы. Прямыепотери можно пересчитать в потери коэффициента усиления ФАРи потенциала РЛС.

На потери потенциала в РЛС с ФАР сильновлияют ошибки фазового распределения, возникающие в раскрыверешетки и достигающие (особенно в АФАР) значительных величин. Статистическая теория антенн позволяет оценить падение коэффициента усиления и других характеристик ФАР в зависимостиот статистики фазового распределения в ее раскрыве. Для получения оценки необходимо знать эту статистику. В многоканальных имногокаскадных системах, какими являются ФАР и АФАР, этазадача решается достаточно сложно. Результаты расчета характеристик нескольких схем ФАР, каждая из которых отвечает заданным техническим требованиям, позволяют на завершающем этапе15проектирования сопоставить их и выбрать наилучшую.

Опыт проектирования ФАР показывает, что такое сопоставление целесообразно делать по энергопотреблению, надежности, стоимости имассогабаритным характеристикам. В зависимости от класса РЛСкаждой из этих характеристик должен быть придан соответствующий вес. Окончательное решение о выборе оптимального вариантаФАР принимают на основе интегральной оценки.1.4. Определение геометрических характеристикфазированных антенных решетокНаибольшее распространение получили линейные и плоскиеФАР.

Большинство плоских ФАР состоит из идентичных излучателей, расположенных в определенном порядке в узлах плоской координатной сетки. Существуют разные виды сеток размещения излучателей в раскрыве решетки, но наиболее распространены прямоугольная и гексагональная (треугольная) сетки (рис. 1.5, а, б).абРис. 1.5. Способы размещения излучателей в раскрыве решетки:а — прямоугольная сетка; б — гексагональная (треугольная) сеткаПри размещении излучателей в узлах координатной сетки сдвойной периодичностью возможно образование дифракционныхмаксимумов высших порядков, пространственная ориентация ко16торых зависит от периода расположения излучателей. При уменьшении периода решетки число дифракционных максимумов, находящихся в области действительных углов, уменьшается. Для нормальной работы решетки необходимо, чтобы в области действительных углов находился лишь один главный максимум.При использовании прямоугольной сетки дифракционные максимумы высших порядков отсутствуют, если расстояния междуизлучателями в направлении координатных осей dх и dу удовлетворяют следующим условиям:dx1, 1  sin  x maxdy1,1  sin  y max(1.1)(1.2)где λ — длина волны;  x max ,  y max — максимальные углы отклонения луча в плоскостях ZOX и ZOY соответственно.Для треугольной сетки аналогичное условие принимает видd21,1sinmax3(1.3)где  max — максимальное отклонение луча от нормали к решетке.Применение треугольной сетки позволяет увеличить расстояниемежду излучателями и уменьшить их число N примерно на 13 % посравнению с числом элементов в решетке с прямоугольной сеткой итем же сектором сканирования.

Условия (1.1), (1.2) и (1.3) не учитывают направленных свойств излучателей решетки и определяютпредельные расстояния в решетке изотропных излучателей. Приограниченном секторе сканирования использование направленныхизлучателей позволяет увеличить расстояние между ними по сравнению с определяемым по формулам (1.1), (1.2) и (1.3) и, соответственно, сократить общее количество излучателей.Размеры полотна излучателей определяются заданными значениями КНД или шириной ДН, длиной волны и выбранным амплитудным распределением поля в раскрыве антенны.171.5. Расчет диаграммы направленностифазированных антенных решетокИсходными данными для расчета ДН ФАР являются:● форма раскрыва и вид амплитудного распределения;● количество излучателей, их координаты и шаг;● дискрет регулировки фазы.За точку начала отсчета следует принять центр поверхностираскрыва.

Координаты излучателей рассчитываются исходя изформы раскрыва, а также с учетом вида координатной сетки, в узлах которой расположены излучатели.Учитывая вышеприведенные факторы, введем формулу длярасчета фазы в mn-м излучателе:mn (гл , гл )  k ( xmn cos гл  ymn sin гл ) sin гл ,(1.4)где xmn , ymn — координаты mn-го излучателя (m и n — соответственно номера строки и столбца решетки, в которых находится излучатель); гл , гл — углы сферической системы координат, определяющие направление главного максимума; k — волновое число.В выражении (1.4) учтена разность электрических длин от точки наблюдения до элементов при отклонении луча. Фаза волны вфазовращателе может меняться в пределах от 0 до 2 , поэтомукогда значение фазы, которое необходимо установить с помощьюфазовращателя, становится больше 2 (например, 2   ), приходится принимать значение  , т. е.

вводить так называемый сбросфазы. Чтобы это обстоятельство учесть, можно воспользоватьсявыражением  ( ,  ) mn (гл , гл )  mn (гл , гл )  E  mn гл гл  2,2(1.5)где Е[…] — целая часть числа, указанного в скобках (число «сбросов» фазы).Для более точных расчетов при использовании дискретных фазовращателей необходимо учитывать дискретность регулировки фазы:18 mn    E mn (гл , гл ) /   0,5 ,(1.6)где  — дискрет регулировки фазы; Е[…] — целая часть числа,указанного в скобках.Таким образом, мы учли дискретность регулировки и наличие«сбросов» фазы. Выражение (1.6) используется для расчета фазовогораспределения в раскрыве решетки. После того как фазовое распределение рассчитано, можно построить амплитудные ДН в главныхплоскостях, воспользовавшись теоремой о перемножении диаграмм:FФАР (, )  F (, ) Fmn (, ) .(1.7)В формуле (1.7) первый сомножитель — это ДН единичногоизлучателя (диэлектрическая стержневая антенна, полуволновыйвибратор, открытый конец волновода и др.).

Второй множитель —это множитель решетки, который и определяет направленныесвойства излучающей системы. Этот множитель вычисляют поформулеFmn (,) M ,N Amn exp ik ( xmn cosгл  ymn sin гл )sin   mn ,(1.8)m ,n1где m, n — индексы, характеризующие положение излучателя наповерхности раскрыва ФАР, имеющей строчно-столбцовую структуру; Amn — амплитуда возбуждения элемента решетки, которыйхарактеризуется индексами m, n; k — волновое число.Фазовая диаграмма направленности — это аргумент выражения для FФАР (, ) .

Амплитудная диаграмма направленности —это модуль FФАР (, ) .В линейной решетке сканирование лучом может осуществляться только в одной плоскости — плоскости размещения излучателей, при этом формула для расчета множителя диаграммынаправленности упрощается:NF ()    An  exp  iknd sin()  i n (гл , гл )  n 1(1.9)191.6. Элементы фазированных антенных решеток1.6.1. Излучатели фазированных антенных решетокВ качестве излучателей ФАР используют вибраторы, открытыеконцы волноводов, диэлектрические стержни, спирали, щели и др.В последние годы большое внимание уделяется печатным излучателям. Выбор типа излучателей определяется рабочим диапазономчастот (как значением центральной частоты рабочего диапазона,так и его шириной), требованиями к форме ДН отдельного элемента, излучаемой мощностью, поляризационными характеристиками.Рассмотрим некоторые типы антенн, применяемых в качестве излучателей ФАР.Открытый конец волноводаНа дециметровых и болеекоротких волнах широкое применение находят рупорные антенны и, в частности, антенны ввиде открытого конца прямоугольного или круглого волновода.

Характеристики

Список файлов книги