Устройства СВЧ и Антенны (Д.И. Воскресенский и др) (561333), страница 73
Текст из файла (страница 73)
Амплитуды прошедших волн Д„' находят через Я„. Основная цель математического моделирования волноаодного излучателя в решетке — определение комплексных амплитуд Я„и А„, т е. характеристик излучатевя, в зависимости от шага решетки, размеров волновода и рабочей частоты. Оптимизация характеристик излучателя по выбранным критериям в заданном секторе сканирования и рабочей полосе частот является одной из основных задач автоматизации проектирования ФАР.
Полробное изложение этих задач для различных типов излучателей с полученными результатами приведено в курсе «Автоматизированное проектирование антенн н устройств СВЧв (4). 828 Глава 19 Многолучеаые антенны 19.1. Классификации м схемы построении Миоголучевые аитеииы (МА) представляют собой устройства, способиые формировать в пространстве несколько диаграмм направленности, каждой из которых соответствует определенный входной канал антенны [8]. Миоголучевые антенны примеияются как самостоятельиые передающие или приемные устройства и «ак ыемеиты сложных антенн, например, фазироваииых антенных решеток (ФАР).
Такие антенны имеют болыпие функциональные возможиости и позволяют осуществлять параялельиый обзор простраиства в широком секторе углов с высокой степенью рюрешелих одиовремеииое скаияроваиие иесколькими иезависимыми лучами, расшяреиие сектора одиолучевого сканирования ФАР, управление формой ДН антенны и тл. Сгруктуриая схема МА, представленная иа рис. 19.1, состоит из излучающей части ! (которая может быть выполнена в виде решетки излучателей или раскрыва апертуриой антенны); диа~раммообрюуюшепэ устройства (ДОУ) 2 (осиовиой злемеиг функциональной схемы, прелиазиачеииый двя создаиия требуемых амплитуднофазовых распределеиий (АФР) поли в излучающей части МА) и входов антенны 3, представюпоших собой поперечные сечения линий передачи с единственным распростраияюшимсл типом волны Пря подю~ючеиии генератора к какому-либо входу МА в пространстве формируется соответствующая этому входу ДН.
На рис. 19.2 приведен пример соответствия возбуждаемых входов МА и формируемых при этом ДН. При работе МА в режиме приема часть энергии плоской волны, падающей из направления, соответствующего максимуму какой-либо ДН МА, собирается иа соответствующем входе аитеииы. При этом, если иа остальных входах элекгромагиитиые колебания отсутствуют, то входы такой МА считаются развязанными. Рис. Г9.1. Структурная схема МА Рисд9.2.
Пример соотеетсгекн входов МА я формируемых ДН 329 Критерии классификации МА (рис. ! 93) условно можно разделить иа две группы. в первую входят общие аистемные и антенные критерии такие, как функциональное назначение МА в системе, динамика и способы формирования лучей; вторую составляют критерии, определжощне способы схемного построения МА. Можно выделить два крупных класса МА по способу реализации излучающей части: апертурные и решетки. Апертурные МА обычно реавизуются на основе антенн оптического типа— линзовых или зеркальных антенн.
На рнс. )9.4 приведены возможные схемы построения таких антенн. Рис. !9.4. МА апертурного типа нв аонаве. е — злмеллеюптев линзы, б — линзм люиебергв, е — юрквмно-переболичсскоа антенны г — зерквчьноплрвбшическол мае иы с вынесенными облучвтеплми, д-явухзерквльноя ентенны, е — вервболи некою отрмкюелл пзпв йпесочныс чюы» Диаграммообразуюшее устройство (ДОУ) апертурных антенн представляет собой совокупность облучателей с зеркалом ьши линзой. Входам облучателей, вынесенным нз фокуса зеркала или линзы, соответствуют ДН, отклоненные от нормали к апертуре антенны. Чем больше смещение облучателя из фокуса, тем больше откчонение соответствующей ему ДН от нормали.
Достоинством МА оптического типа является простота конструкции и возможность формирования дН с низким уровнем боковых лепасткоа. К недостаткам относятся низкий уровень пересечения соседних лучей, малое значение коэффициента использования поверхности (КИН), громоздкость конструкции и большой вес. В состав МА с излучающей частью в виде решетки излучателей входит ДОУ в виде диатрвммаобразуюшей схемы (дОС) матричного типа. Известно множество практических схем МА решеток (МАР). Наиболее распространенными являются МАР на основе паравлельной ДОС (матрица Батлера) н последовательной дОС (матрица Бласса).
331 На рис. 19.5 представлены электрические схемы таких антенн. Отличительным признаком и достоинством МАР на основе матрицы Батлера (рис. 19.5,а) является возможность составления ДОС из одинаковых восьмиполюсных делителей мощности (напризгер, волноводно.щелеаых мостов) и набора статических фюовращателей. Зто пре.
допределяет и ряд недостатков такой антенны: отсутствие возможности реализации на решетке амплитудных распределений специальной формы, обеспечивающих формирование 'ДН с низким уровнем боковых лепестков, использование только бинарного числа излучающих элементов (т.е. количество излучателей должно определяться целой степенью числа 2); частотно-зависимое положение лучей в пространстве. Некоторые недостатки таких антенн не свойственны МАР на основе матришв Бласса (рнс. !9.5,5), которая позволяет формировать веер оптимальных в каком-либо смысле ДН лри произвольном числе излучателей и входных каналов антенны.
Направления лучей, формируемых МАР этого типа, могут быть независимыми от частоты. а) е) Рнс. 19.5. МА на основе матрвчньгх ДОС а- чегырехлучевм антенна аа аскезе дОС Баглера, б- чегырсюучеааэ антенна на основе дОС класса. г- чснгуешучсвая впснна ва основе ыоэвфвввроваввоа ДОС Бэагса Наличие диссипативных (тепловых) потерь позволяет обеспечить развязку вхолжш каналов МАР за счет уменьшения КНд. Если количество излучателей МАР послеговательного типа совпадает с количеством ее входов, то можно исключить иэ схемы гоглощаюшие нагрузки (рис. !9.5,е). В такой МАР диаграммообразующую схему на ывают модифицированной мамричей Бласса. Различные фазовые раснрсдсления а оАР с ДОС последовательного типа реализуются за счет рюличных углов наклона гогизонтальных линий передачи (рис.
19.5,б) или эа счет статических фазоврашателей рис. !9.5,в). Общим недостатком МАР на основе матричных ДОС является наличие юльшого числа мостовых устройств, статических фазовращателей и сложной разветвенной фидерной схемы. Количество мостовых устройств Бу„в зависимости от числа юрмируемых лучей гу определяется следующими выражениями; для полной и модиуицированвой матрицы Бласса соответственно М„= Аг, Бб„= г для матрицы г (уу — гу) 2 32 (1ойз У) Аг Батлера Зз„= ' . Количество статических фазоврашателей Зт' лля ма~рицы 2 е (103 !у — !) Батлера определяется соотношением Зу 2 На рис. 19.6 эти зависимости проиллюстрированы графически. Из графиков след! ет, что ДОС параллельного типа п и одинаковом числе входных канатов имеет наименьшее количество эле- и„ ментов по сравнению с ДОС ыиевавв вм последовательного типа.
В этом — преимущество матрицы Батлера перел матрицей м Бл асса. и 32 ммеват Недостатки перечислен- Бэтяьаз ных МА препятствуют их м реализации в диапазоне крайне высоких частот (КВЧ). Это связано с тем, что непосредственное применение метода электродииамического подо- рис.
19.б. зависимость количества деявтелев мощности бия к построению МА мат- огчисяаяучейвдОСразтичиыхтипее ричного н оптического типов в диапазоне КВЧ ограничено конструкторско-технологическими трудностями и большими погонными потерями в одноволновых линиях передачи. Одно из возможных решений задачи построения МА в этом диапазоне состоит в использовании в качестве ДОС линий передачи с несколькими распространяющимися тинами волн.
Антенны иа основе таких линий передачи называются многомодовыми. Управление формой и положением ДН в таких антеннах, а также формирование веера дН происходит за счет изменения амплитуд и фаз волн, распространяющихся по многоволновой линии передачи. Многомодовые антенны состоят из отрезка миоговолнового волновода и устройства возбуждения волн в нем; излучающая часть выполняется в виде открытого конца многовсшиового волновода. Анализ показывает, что электромагнитные процессы в многоволновых линиях передачи без потерь имеют почти периодический характер, т.е.
поперечные АФР поля на продольной оси многоволновой линии передачи повторяются с определенной степенью точности через определенные расстояния, называемые локти. иерходаии. При этом, чем более высокую точность требуется обеспечить между повторшощимися АФР, тем латыше на продольной осн волновода они находятся др!т от друга, т.е, тем больше значение лочщилериоза. Кроме того, в многоволновых линиях перелачи происходит фокусировка полей, т.е. синфазное сложение полей отдельных распространяющихся волн, На рис. !9.7 представлены упрощенные конструкции трех- и четырехлучевых антенн на основе прямоугольных волноаодов с волнами Ом. Мноюволновый волиоаод в таких антеннах аыполюмт роль фокусирующей линзы и преобразует последовательность АФР поля а раскрыае, соответствующую вееру ортогоиальных лучей, в последовательность сфокусироваиных распределений поля возле металлических перегородок.
Каждое сфокусированное распределение из этой последовательности определяет амплитуду вол- 333 ны Ни на соответствующем зтоыу распределению входе антенны. Главный недостаток таких антенн — быстрое увеличение их продольного размера с ростом числа лучей. Рис. 19га МА ва основе прямоугольных миоговоллевых волноводов: а- трехаучевм ангежга, Л- чегирехлучиив аегеака 19.2.
Основные характеристики МАР К основным характеристикам МА относятсв нормированпал комплексная ДН по полю, соответствующая л-му входу г„(9,9) при я= 1, 2, ..., Ф, называемая иарчисиьноа ДН; сектор формирования ДН О; уровень пересечения соседних лучей ь) КПД антенны лля каждого канала г)„, п=1, 2, ..., л'. Основываясь на законе сохранение знергии, можно показать, что входы МА без потерь развязаны только в том случае, если формируемые ею ДН ортогональны, т.е. для двух любых ДН МА должно выполняться соотношение гг ( 0 при тел, ) ~Р'„(Н,р)Р„(9,9)5)ПО~Лф9= ал ее В (19.!) где )З вЂ” КНД а направлении максимума м -й ДН. Часто рассматриваются МАР с равномерным амплитудным и линейным фюовым распределениями. Зто соответствует вееру одинаковых по форме дН, разнесенных в пРостРанстве иа угол, определяемый условием ортогональности (19.1).
диаграмма направленности линейной эквидистантной МАР, соответствующая л -му входу, без учета эффектов взаимодействия излучателей определяется вырюкением Г„(Ст,р)=Д(О,Р)~Яо ~ е'т"1"' '1, «=1, 2,...,АГ, (19.2) 1 где Ц6,9) — нормированная диаграмма направленности одиночного излучатевя; И— количество излучателей в решетке; и — комплексная амшгитуда поля в т -м излуча. теле решетки при возбуждении л-го входа дОС волной единичной амплитулы' рг„=Из(об-р„; а=2я/2; й — расстояние между юлучателями; О -угол, отсчиты- ваемый от нормали к решетке; Є— разность фаз полей соседних излучателей при возбуждении н -го входа МАР.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
