referat (721890), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

При большом числе излучателей фидерные схемы питания отличаются сложностью и громоздкостью и в основном находят применение на дециметровых и более длинных волнах. В сантиметровом диапазоне волн отдают предпочтение пространственной схеме питания.

2. Пространственное питание состоит в том, что энергия АР поступает от облучателя, например рупора. Различают ФАР проходного (линзового) и отражательного (рефлекторного) типа. В первом случае (рис. 20 3, а) применяются две АР: собирающая и излучающая (рассматривается режим передачи). Излучатели обеих решеток попарно соединены линиями передачи через проходной фазовращатель. Две решетки и фазовращатель образуют аналог линзы с принудительным ходом лучей. Наклонный луч от облучателя до линзы проходит больший путь, чем центральный луч, и потому отстает по фазе на величину

(20.9)

г де x и y - прямоугольные координаты излучателя (начало координат О - в середине линзы; ось Оу направлена на читателя); f - фокусное расстояние

линзы (от облучателя до точки О); k=2/. Для компенсации этой несинфазности, т. е. для формирования плоского фронта волны, нужно предусмотреть соответствующие запаздывания по фазе в фазовращателях либо применить специальные линии задержки. Кроме того, для сканирования луча фазовращатели должны обеспечить сдвиг фаз между соседними элементами излучающей АР в соответствии с формулой (20.8).

В линзе отражательного типа (рис. 20.3, б) сигнал через фазовращатели проходит дважды благодаря отражению от короткозамкнутых концов, а функции приема и излучения волн выполняются одной и той же решеткой.

3. Плавное изменение сдвига фаз между соседними излучателями можно осуществить с помощью плавных (аналоговых) механических или электрических фазовращателей. Первые обеспечивают высокую точность установки фазы, но могут применяться лишь при сравнительно небольшой скорости сканирования. При большой скорости сканирования применяют плавные электрические фазовращатели, например, ферритовые. Недостатками ФАР с плавным электрическим изменением фазы являются большие потери в ферритовых фазовращателях, сложность управляющих схем, трудность обеспечения высокой идентичности и стабильности работы ферритовых фазовращателей, особенно при изменении температуры.

4 . Дискретное изменение сдвига фаз между соседними излучателями можно осуществить с помощью коммутационных фазовращателей. Простейший коммутационный фазовращатель на М позиций состоит из М постоянных фазовращателей и M коммутаторов, при поочередном включении которых фаза напряжения на выходе фазовращателя изменяется скачками через дискреты, равные _и=2/M. Например, при М=4 фаза может принимать значения 0, /2, , З/2.

Предложен ряд вариантов коммутационных антенн [38, 39]. Для пояснения принципа коммутационного сканирования обратимся к рис. 20.4, на котором изображена схема одного варианта коммутационной антенны с фидерным питанием.

По линии питания (волноводу) распространяется бегущая волна с замедлением =/, где  - длина волны в волноводе. На каждый излучатель прямолинейной решетки сигнал поступает через одну из четырех ветвей коммутационного фазовращателя. Распределение фаз по антенне зависит от того, какие из коммутаторов находятся во включенном состоянии.

На рис. 20.5, а на оси абсцисс изображена решетка из N излучателей, а на оси ординат фазовое распределение. Линейный набег фазы питания равен л(х)=kx, а возможные значения фаз излучателей располагаются на прямых, параллельных л(х) и образующих сетку допустимых фазовых уровней (_и, 2_и, 3_и …). Расстояние между соседними уровнями равно дискрету фазы _и.

С огласно формуле (20.8) прямая ₀(x)=kx sin_гл соответствует требуемому фазовому распределению, обеспечивающему отклонение лепестка от нормали на угол _гл. Для наилучшего приближения к требуемому распределению фаз каждый фазовращатель должен быть включен так, чтобы фазовая ошибка  не превышала 0,5_и. Распределение фаз по антенне при идеализированном (с ошибкой 0,5_и) непрерывном расположении излучателей описывается при этом ступенчатой кривой (рис. 20.5, а), а распределение фазовых ошибок представляет собой пилообразную функцию (рис. 20.5, б).

Наличие фазовых ошибок приводит к искажению ДН антенны, уменьшению ее КНД и росту уровня боковых лепестков. Следует отметить, что при коммутационном сканировании главный лепесток перемещается скачками. Величина скачка и фазовые ошибки тем меньше, чем меньше дискрет фазы _и. Однако, уменьшение дискрета фазы ведет к росту числа фазовращателей и усложняет антенну.

В варианте антенны, изображенной на рис. 20.4, число фазовращателей в цепи одного излучателя равно числу фазовых состояний этого излучателя, в данном случае четырем. Общее число фазовращателей в N раз больше. Его можно значительно уменьшить, применяя каскадное включение фазовращателей.

Двухразрядный каскадный фазовращатель схематически изображен на рис. 20.6. Каждый каскад может находиться в двух состояниях, при этом один каскад может обеспечивать сдвиги фаз 0 и /2, а другой — 0 и . Нетрудно видеть, что, управляя каскадами с помощью двоичного кода, можно получить фазовые сдвиги 0, /2, , З/2. При трех каскадах дискрет фазы равен /4, а число фазовых сдвигов 8 и т. д.

Двоичное управление осуществляют с помощью коммутаторов на pin-диодах или ферритовых коммутаторов с внутренней магнитной памятью.

Достоинством коммутационной антенны по сравнению с ФАР, в которых применяются фазовращатели с плавным изменением фазы, является более простое управляющее устройство, которое при необходимости относительно легко сопрягается с цифровой вычислительной машиной. Кроме того, коммутационная антенна отличается большей стабильностью электрических параметров.

Антенные решетки с частотным сканированием

Различают два типа АР с частотным сканированием: с последовательным и параллельным питанием. На практике преимущественно применяется первый тип. Поясним принцип действия такой антенны с помощью рис. 20.7, на котором изображен змейковый волновод, питающий решетку излучателей.

Ориентация главного лепестка определяется формулой (20.1), а коэффициент замедления может быть вычислен по формуле (13.24).

Следовательно,

(20.10)

Важным параметром антенны с частотным сканированием является углочастотная чувствительность, равная величине поворота лепестка (в градусах или радианах), приходящейся на относительное (например, на один процент) изменение частоты (длины волны). Дифференцируя (20.1), можно получить

(20.11)

Величина fd/df характеризует дисперсию в волноводе. Следовательно, углочастотная чувствительность растет с увеличением замедления и дисперсии и, кроме того, зависит от направления главного лепестка.

Расчеты показывают, что при использовании прямолинейного отрезка прямоугольного волновода максимальный сектор сканирования лепестка при отсутствии лепестков высших порядков находится в пределах углов от -90 до +14°. При этом средняя углочастотная чувствительность составляет лишь 1°, 61 на 1% изменения частоты.

Д
ля того чтобы можно было осуществлять сканирование в пределах большого сектора и при этом мало менять частоту генератора, нужно использовать антенны с большим замедлением. Это достигают, увеличивая отношение l/d (например, применяя змейковые волноводы или спиральные волноводы) либо уменьшая  (помещая внутрь волновода замедляющую, например, ребристую структуру).

Анализ показывает, что при увеличении  падает к. п. д. антенны из-за роста потерь в линии питания АР. Это ограничивает длину антенны, а следовательно, и минимально достижимую ширину главного лепестка.

Многолучевые антенные решетки

Принцип действия многолучевой антенны можно пояснить с помощью рис. 20.8. На нем изображена АР, состоящая из N излучателей. Сигнал от генератора подается на любой из М входов и распределяется между излучателями с помощью пассивного многополюсника. Он представляет собой схему, обеспечивающую линейное изменение фазы вдоль АР, причем величина сдвига фаз  между соседними излучателями, а следовательно, и ориентация главного лепестка определяются номером входа, на который поступает сигнал.

Таким образом, диаграмма направленности антенны зависит от типа схемы, получившей поэтому наименование диаграммоообразующей или матричной схемы. Предложено много разновидностей таких схем [38]. Рассмотрим две из них.

На рис. 20.9, а изображена антенна последовательного питания в которой линии передачи, подсоединенные ко входам антенны, и линии передачи, присоединенные к излучателям, связаны в местах пересечения с помощью направленных ответвителей. Направления ответвления энергии показаны стрелками.

К каждому излучателю по сравнению с предыдущим излучателем сигнал проходит дополнительный путь, равный

(20.12)

где  — угол между линией передачи и осью антенной решетки (рис.20.9).

Тогда согласно формуле (20.10) ориентация главного лепестка может быть определена с помощью выражения

(20.13)

Следовательно, каждому значению  (каждому входу антенны) соответствует свой главный лепесток (рис. 20.9, б). Переключая (механически или электрически) входы антенны, можно осуществить скачкообразное сканирование луча. При подаче питания одновременно на несколько входов можно сформировать веер лучей.

На рис. 20.10, а изображен вариант антенны параллельного питания. Диаграммообразующая схема содержит отрезки волновода, длина которых от входа к выходу одинакова, два постоянных фазовращателя и четыре делителя мощности, у каждого из которых на двух выходах сигналы одинаковы по величине, но сдвинуты по фазе на /2.

В качестве таких делителей мощности могут быть использованы щелевые мосты. Можно считать, что при прохождении сигнала через делитель в прямом направлении фаза не меняется, а в диагональном направлении она отстает на /2.

При подаче сигнала на любой вход антенны распределение фаз на АР является линейным, но сдвиг фаз  между соседними излучателями зависит от номера входа. Например, при подаче сигнала на вход 1 распределение фаз на АР соответствует рис. 20.10, а, т. е. сдвиг фаз =/4. Если d=/2, то лепесток (нулевого порядка) согласно формулам (20.1) и (13.9) отклонен от нормали к антенне на угол _гл=arcsin 0,25 (рис. 20.10, б). При подаче сигнала на вход 4, симметричный входу 7, луч отклонится на угол _гл=-arcsin 0,25.

Нетрудно показать, что при подаче сигнала на входы 2 или 3 сдвиг фаз между соседними излучателями составляет соответственно 3/4, а лепесток отклонен от нормали на угол _гл=arcsin 0,75.

При возрастании числа излучателей резко растет необходимое число делителей и фазовращателей, что является недостатком многолучевых антенн такого типа.

Антенные решетки с обработкой сигнала

1. Методы обработки сигнала. Во всех рассмотренных выше типах АР сигналы, принятые отдельными излучателями, складывались на выходе антенны (рассматривается режим приема). Это простейший вид обработки сигналов. АР с такой обработкой сигналов называются аддитивными. Предложен ряд других методов обработки сигналов» в результате чего удается создать антенны, имеющие известные преимущества в сравнении с аддитивными антеннами.

Характеристики

Список файлов реферата