Диссертация (785868), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

На рис.2 сплошной линией показана зависимость числа элементов от27сектора сканирования для линейной антенной решетки, обеспечивающей ширинулуча на уровне 20,7 и сектор сканирования в пределах 45, для больших угловсканирования рассматривается 2-4 антенных решетки, пунктирной линиейпоказана аналогичная зависимость для ККАР. Минимизация числа излучающихэлементов позволяет также уменьшить число фазовращателейи упроститьраспределительную систему.Увеличение расстояния между излучателями в антенной решетке и принятоеразмещение в ККАР устраняет эффект ослепления и облегчает согласование.При простейшем конструктивном исполнении ККАР печатные, вибраторныеили щелевые излучатели располагаются на проводящем экране в виде диска, подкоторым размещена система полосковых или других питающих линий, в такомслучае антенна имеет линейно поляризованное поле (вертикальной поляризациипри горизонтальном расположении диска).Рис.2.Зависимость числа излучателей от сектора сканирования.28Решетка может быть расположена на экране между дисками рис.3.

Системаиз таких антенн позволяет создать антенну с двумерным сканированием рис.4.Возбуждение системы дисковых антенн может быть выполнено на полосковыхлиниях, размещенных под экранами дисков.Рис.3. Дисковая ФАР.Рис.4.Модели ФАР с двумерным сканированием.В силу центральной симметрии, в эквивалентной апертуре имеет местопостоянное амплитудное распределение и ее ДН практически не искажается присканировании в широком секторе углов. Она обладает широкой полосой идопускает работу в диапазоне. Ширина полосы и перекрытие рабочего диапазонаопределяется направленностью антенны (относительными размерами).В сравнении с плоской решеткой в ККАР существенно изменяетсявзаимодействие,устраняетсяэффект«ослепления»иприсканировании29суммарныйимпедансвсейсистемыостаетсяпостоянным.Кольцевыеконцентрические антенные решетки могут иметь значительный шаг междуизлучателями (2-3) при формировании однолучевого режима работы.Врешетках,предназначенныхдляширокоугольногосканирования,целесообразно располагать излучатели азимутально симметрично и выяснитьзависимости основных характеристик направленности от размещения излучателейв ККАР.

С другой стороны для формирования заданной ширины луча иуменьшения первых боковых лепестков из соображений эквивалентной апертуры[28] необходимо определенным образом размещать излучатели на кольцах имежду кольцами. Для кольцевых концентрических антенных решеток можнорассматривать различные АФР, но наиболее простым и в ряде случаев наиболееэнергетически выгодным является равномерное амплитудное возбуждение.Фазовое распределение целесообразно взять в соответствии с волновой оптикой,так, чтобы поля от разных элементов оказывались синфазными.

В этом случае,рассмотрев задачу о характеристиках излучения в одном направлении, можноутверждать, что они сохранятся и для всех остальных направлений. Диаметррешетки устанавливается исходя из ширины ДН.Пространственная ДН ККАР определяется соотношением: M npF ( , )  F1( , )   exp jkR p cos( p q)  cos(   p q) sin  p1q1- М-число колец в решетке,- np - число излучателей в p-ом кольце,- Rp- радиус кольца,- p- угловой шаг излучателя в p-ом кольце,- k- волновое число,- , - угловые координаты точки в свободном пространстве.(3)30Введенные обозначения поясняются рис.5.Рис.5.

Схема размещения элементов в ККАР.Выражение для ДН получено путем суммирования полей при фазовомвозбуждении, соответствующем арифметическому суммированию полей внаправлении =90,=0.Для формирования луча в плоскости размещения излучателей  =90,  =0решетка должна иметь фазовое распределение: R   R тр  р.х.nnгде  R тр  jkRp cos( pq) nфаза(4)возбужденияэлементарешеткидляформирования луча в направлении  =90,  =0,  р.х.   jkRp cos(   pq) sin   разность хода лучей для точек пространства с координатами .Важнейшей задачей, возникающей при практической реализации антеннойрешетки,являетсяхарактеристикиопределениенаправленности.влиянияПоэтомупогрешностейвсеизготовлениярасчетынахарактеристик31направленностибыли проведены с учетом влияния амплитудных и фазовыхошибок, распределение которых по раскрыву приведено на рис.6.Рис.6. Зависимости амплитудной (a) и фазовой ошибок (б) от номераФорма антенного полотна бортовых антенных решеток зависит от формыпоперечного сечения (миделя) ЛА.

В ряде практических случаев, приходитсяразмещать элементы на поверхности, ограниченной эллипсом. ПространственнаяДНмногокольцевойэллиптическойантеннойрешеткиопределяетсясоотношением:F ( , )  F1( , ) n22M p   exp jk  a cos( q)    b sin( q)  p   pp  pp1q1  cos( q)  cos(   q) sin   pp где ap –большая полуось эллипса, bp – малая полуось эллипса.(5)32На рис.7 и 8 приведены ДН ККАР, построенные для решеток с N=347, 121,61 и 31 излучателем при их размещении с равномерным амплитуднымраспределением.

В таблице 1 даны параметры схем размещения элементов.Рис. 7. ДН ККАР в вертикальной плоскости.Рис.8. ДН ККАР в горизонтальной плоскости.33Таблица 1.Число излучателейШирина лучаШаг излучателей3471312131,756161,2531120,9Таким образом, при расчете ДН ККАР, как и ВФАР, может бытьиспользовано понятие эквивалентного плоского раскрыва, в связи с которымопределяются ширина ДН и УБЛ.

Уровень дальних боковых лепестков и внаправлении, обратном главному максимуму, существенно превышает этувеличину для линейных и плоских антенных решеток. В отличии от плоскихантенных решеток, уровень дальних боковых лепестков не убывает с ростом углаи наблюдается излучение в направлении, обратном главному максимуму, чтообъясняетсяотсутствиемнаправлении.Применениенаправленностинаправленныхизлучателяизлучателейврассматриваемом(открытыйконецволновода) устраняет обратное излучение, но ограничивает сектор сканирования.Кольцевые концентрические решетки обладают направленностью и во второйплоскости.

Ширина ДН во второй плоскости соответствует теории антеннбегущей волны. Спадающий УБЛ в пределах 0-90 объясняется направленностьюизлучателя во второй плоскости. Однако, в пределах 90-180 УБЛ опятьнарастает. В связи с этим ниже будет рассмотрена возможность минимизациибоковых лепестков.Численноеисследованиерешетоксоспадающимамплитуднымраспределением, как и следует из общей теории, приводит к расширению34главного максимума и уменьшению дальних боковых лепестков, но по-прежнемуостаетсявысокийсоотношении(4),УБЛ.наЗаменафазовогораспределение,распределения,приводящеекпринятоговограниченнойсверхнаправленности, или попытки найти уменьшение дальних боковыхлепестков сводятся к известным задачам для системы линейных антенныхрешеток с осевым излучением. В системе таких линеек можно снизить УБЛ, нотогда возникают трудности при обеспечении широкополосной работы иширокоугольного сканирования.В кольцевых концентрических антенных решетках, в ряде случаев возникаетнеобходимость сканирования в пределах 360.

Размещение излучателей накольцах и число колец при построении подобных антенн проводится из условиязаданного амплитудного распределения в эквивалентном плоском раскрыве. Вкачестве примера, для которого рассчитаны ДН и даны параметры простейшихвариантов ККАР (таблица 1), приводится график зависимости шага излучателейот ширины луча ККАР - рис.9.Рис.9.Зависимость шага излучателей от ширины луча ККАР.С увеличением направленности шаг между излучателями в плоских решеткахне меняется. В кольцевых концентрических антенных решетках дело обстоит35иначе.

С увеличением направленности шаг между излучателями в ККАРвозрастает, так как излучатели размещаются на плоскости круга, котораяпропорциональна диаметру в квадрате. Увеличение шага весьма удобно с точкизрения согласования конструкции и широкополосной работы. Расположениеизлучателей с шагом d=3 не приводит к возникновению побочных главныхмаксимумов.Изменение шага между излучателями, необходимого для однолучевогорежима работы, объясняется следующими обстоятельствами: шаг междуизлучателями в эквивалентной линейной апертуре должен быть порядка длиныволны, в ККАР излучатели размещаются на площади круга, которая растетпропорционально квадрату радиуса, что иллюстрируется графиком на рис.8.

Сограничением сектора сканирования в пределах ск<360, необходимое числоизлучателей уменьшается в соответствии с выражением:N  12ск20,7(6)где 2ск- сектор сканирования, 20,7- ширина луча.Известно и другое выражение для числа излучателей:ND4 0(7)где - телесный сектор сканирования.Применение направленных излучателей позволяет уменьшить УБЛ иослабить взаимодействие между излучателями. Однако, при этом возникаетэффект затенения одного излучателя другим. Для устранения эффекта затенения,излучатели размещаются не на всей площади, а в определенном секторе. На рис.10, показан эквивалентный плоский раскрыв для разных положений луча, длякоторых требуется обеспечить заданное амплитудное распределение.

Приограниченномсекторесканированиявозможназаменаизлучателейс36ненаправленной ДН в плоскости решетки на излучатели с направленной ДН,соответствующей сектору сканирования.Рис.10.Эквивалентный плоский раскрыв для разных положений луча.Пример построения антенны с широкоугольным сканированием в пределах 90показан на рис.11.а)б)Рис.11.Общий вид ККАР из волноводных излучателей.Решетка образована излучателями в виде открытых концов волноводов. Дляустранения эффекта экранирования одного излучателя питающим волноводомдругогоизлучателяплоскаяконструкциязаменяетсяпространственной.Подробный анализ предложенной конструкции опубликован в [66]. Антеннаярешетка может быть также построена на основе широкополосных ленточныхизлучателей Вивальди, как показано на рис.10б.37Коэффициент направленного действия зависит от типа и числа излучателей.Ниже приводятся результаты расчета КНД дляККАР, состоящих изнесимметричных четвертьволновых вибраторов.

В силу центральной симметриирешетки выражение для КНД может быть записано в виде:D4F (0,0)22 22  ( F ( , )) cos( )dd0 2(8)Для оценки найденного КНД для ККАР воспользуемся известной [67]формулойD  (3  4)10000 / 20.720.7.РезультатырасчетовКНДпоприближенной формуле и путем интегрирования по формуле (8) для вариантовККАР (таблица 1), приведены на рис.12 и показывают, что с увеличением числаизлучателей КНД возрастает.Рис.12.Зависимость КНД от ширины луча ККАР.КНД антенны может быть ориентировочно найден как произведение КНДодиночного излучателя на число излучателей и его величина может какпревышать полученные значения, так и быть меньше за счет различного УБЛ,38который реализуется в конкретной антенне. Так как рассматривается решетка,состоящая из вибраторов, расположенных над бесконечным экраном, то КНДодиночного излучателя будет равен КНД=3,2.

Характеристики

Список файлов диссертации