sazonov_d_m__antenny_i_ustroistva_svch_1 988 (561328), страница 70
Текст из файла (страница 70)
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. Далее, пусть при постоянном шаге решетки площадь раскрыва неограниченно увеличивается и А«-«-оо. Все элементы оказываются в одинаковых условиях, и зависимость входного коэффициента отражения каждого из ннх от направления сканирования Ом «р, описывается одной н той же функцией р(0, «р).
Вклад каждого элемента в общий коэффициент усиления ФАР можно представить произведением трех сомножйтелей: 1) 4нЗ, /Хх— КНД участка раскрыва с площадью, приходящейся ня один элемент; 2) соз8о — закон убывания КНД при отклонении луча ФАР от нормали к поверхности ее раскрыва; 3) ! — ' (р(Оо, «ро) (з — уменьшение излучаемой мощности нз-за рассогласования входов излучателей при сканировании. Принимая во внимание (12.19) и предполагая отсутствие побочных главных максимумов, можно записать: б (8 ~)=(4нЯ „/)т) соз 8 [! — ~р(8, «р)Я (12.20) Эта формула является одной из важнейших в теории ФАР. Она устанавливает связь двух режимов: 1) режима возбуждения одного излучателя бесконечной решетки при пассивной нагрузке других элементов; этому режиму соответствует ДН б, (8, «р) в масштабе коэффициента усиления; 2) режима равноамплитудного возбуждения всех элементов бесконечной решетки с линейным фазированием в направлении О, Ч«; этому режиму соответствует динамический входной коэффи«(иент отражения в виде функции р(8, тр).
Из (12.20) следует, что рельеф функции 1 — ~р(0, «р) 1~ повторяет форму ДН одного элемента в бесконечной ФАР с точностью до сов О. Поэтому нет необходимости исследовать функции б,а (О, «р) и р (О, «р) отдельно, достаточно ограничиться какой-либо одной из них. Весьма удобно, что функция динамического коэффициента отражения р (О, «р) должна определяться в бесконечной решетке — это позволяет использовать в расчетах ФАР хорошо развитую в электродинамике теорию бесконечных периодических структур, Итак, исследование и разработка больших регулярных плоских ФАР должны вестись с одновременным использованием двух электродинамических моделей: 1) модели плоского непрерывного рас.
крыва, в которой учитываются форма н размеры раскрыва, а также вид амплитудно-фазового распределения и его искажения; 2) модели бесконечной регулярной решетки. В этой модели определяются параметры одного излучателя, в частности зависимости динамического коэффициента отражения от угла сканирования н от частоты, и осуществляется подбор и оптимизация согласующих цепей на входах излучателей. При этом точность расчета ФАР больших размеров повышается, поскольку число обособленных краевых элементов таких ФАР составляет лишь небольшую часть от общего числа излучателей.
Удовлетворительные результаты получаются для ФАР с числом элементов 10Х10 н более. Установлено, что ДН одного излучателя б,е (О, Ч>) в бесконечной решетке прн неудачном конструировании может убывать по углу О быстрее, чем это определяется множителем сов О. Возможно даже появление «аномальных» нулей излучения при 0=25 — 50. когда еше не выполняются условия возникновения побочных главных максимумов. Аномальные нули соответствуют полному рассогласованию излучателей из-за неблагоприятной интерференции о>.- раженных волн, проникающих на вход каждого излучателя через каналы взаимной связи с другими излучателями (эффект «ослепления» ФАР).
$ !2.9. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ РАСКРЫВА В ПРОМЕЖУТОЧНОА ОБЛАСТИ. СФОКУСИРОВАННЫЕ РАСКРЫВЫ В промежуточной области при удалениях от излучающей системы на расстояние 0<20»/Х, где Р— наибольший размер раскрыва, расчет электромагнитных полей обычно проводят на основе приближения Френеля (см. формулы (7.10) и соответствую>цие комментарии). Для модели раскрыва в виде отверстия в плоском экране (см. рнс. 12.2) поле в приближении Френеля записывается в виде, аналогичном выражению (12.6), с единственным отличием, состонщим в том, что к разности хода з!и О (хсоз ч>+угйп ч>) в показателе подыптегральиой экспоненты добавляется зависящая от расстояния /1 квадратичная поправка — р»(1 — созз п)/(2/1), где р=) х'+у'-- радиальное расстояние ст центра раскрыва до текущей точки интегрированна па раскрыве; а — угол, под которым нз центра раскрывз видны точка наблюдения и точка интегрирования па раскрыве.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
