ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ФАР

Одной из важнейших характеристик антенн является диаграмма направленности (Д.Н.) антенны, а применительно к ФАР еще и возможность сканирования.

Помимо формы и относительных геометрических размеров ФАР одно из существенных влияний на Д.Н. оказывает распределение поля по апертуре антенны. В зависимости от назначения антенны к ним предъявляются весьма различные технические требования (Т.Т.) по ширине Д.Н., УБЛ, углов сканирования. Эти Т.Т. можно реализовать, несмотря на их, зачастую, противоречивость.

Одной из задач, решаемых в теории антенн, является расчет их Д.Н.. Классическая теория предусматривает непрерывное распределение амплитуд и фаз по апертуре и, вследствие этого, получение точных решений для формулы Д.Н. с ее последующим анализом. Теоретической предпосылкой для названного метода являются уравнения Максвелла в действительной или комплексной формах.

Принципиальное отличие ФАР от других типов антенн с непрерывным распределением заключается в том, что ФАР состоят из отдельных излучателей, каждый из которых характеризуется определенной амплитудой поля или тока, а также фазой. Оба эти параметра могут изменяться во времени. Данная предпосылка сразу ставит задачу расчета Д.Н. принципиально отличной от предыдущей, т.к. Д.Н. ФАР формируется за счет интерференции полей излучения каждого излучателя. Такой класс задач в электродинамике решается принципиально иными методами.

Антенны характеризуются Д.Н. в двух взаимноперпендикулярных плоскостях. Д.Н. в одной плоскости не зависит от Д.Н. в другой плоскости.

Типичное распределение поля представлено в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Таблица 2

Д.Н. равна произведению Д.Н. одного излучателя на множитель решетки, т.е.:

(2.1)

где

f₁(Q) – формула Д.Н. отдельного излучателя, считается по таблице 1;

f₂(Q) – учитывает результат интерференции полей излучения каждого из излучателей и называется множителем решетки.

(2.2)

где

N – число излучателей;

a_n – комплексная амплитуда;

- волновое число;

d_n – расстояние;

Q - угол.

Из формулы следует:

1. При изменении a_n изменяется форма Д.Н. и УБЛ.

2. При изменении j_n происходит сканирование луча (отклонение положения луча от нормали), но при этом меняется и форма Д.Н., и УБЛ.

Фазовое соотношение в излучателях оказывает большее влияние на Д.Н., чем амплитудное распределение. В связи с ростом требований по УБЛ используется распределение Тейлора.

Характерной особенностью распределения Тейлора является, в зависимости от порядка, фиксированный уровень УБЛ.

(2.3)

Уровень УБЛ=-20 lg[ch pA].

Амплитудное распределение по апертуре:

3. КАНАЛИЗИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ФАР

Построение ФАР может быть с последовательным и параллельным питанием. В настоящее время получили развитие схемы с параллельным питанием, т.к. они позволяют по определенным законам распределять энергию по системам излучателей и потери энергии свести к минимуму.

В принципе, любая линия передачи может использоваться в качестве канализатора энергии. Известно, что линии передачи могут работать как на волне типа TEM, так и других типах волн.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Зависимость фазовой скорости от частоты называется дисперсией. В соответствии с этим, канализаторы энергии могут быть недисперсионными (коаксиальные линии) и дисперсионными (волноводные линии).

В зависимости от решаемых задач в ФАР могут использоваться те или иные линии передачи.

Как уже отмечалось, управление лучом (лучами) ФАР может осуществляться изменением частоты с определенным шагом (частотное сканирование) или изменением фаз фазовращателей (фазовое сканирование). Гораздо большие возможности представляет фазо-частотное (частотно-фазовое) сканирование. Вследствие этого, в качестве канализирующей системы целесообразно применять диспергирующие системы, т.е. волноводные тракты. Конструктивно проще выполнить тракт прямоугольного сечения.

Для получения высокой углочастотной зависимости, расстояния между точками ответвления вдоль тракта должны составлять несколько длин волн (2÷5). Чем больше указанное расстояние, тем выше углочастотная чувствительность. С целью уменьшения габаритов, канализирующий тракт (волновод) выполняется в виде «змейки», и его называют «змейковый» или «синусоидальный» волновод. Ответвление энергии осуществляется с помощью направленных ответвителей.

Конструкция «змейки» изображена на рисунке 3-1.

Рис. 3-1

Изгиб волновода осуществлен в плоскости Е. Длина одной секции L (геометрический размер).

Ответвление энергии осуществляется с помощью направленного ответвителя и характеризуется величиной направленности:

(3.3)

Наиболее распространенной конструкцией направленного ответвителя (НО) являются отверстия в общей широкой стенке прямоугольных волноводов (взаимно-перпендикулярных). Для расширения полосы пропускания отверстия выполняются в виде «крестов». Их может быть от одного до четырех.

Конструктивно антенный Н.О. и расположение «крестов» приведены на рис. 3-2.

Рис. 3-2

Если принять ; переходное ослабление

(3.4)

где функция F_m учитывает общую толщину стенки t

(3.5)

Из (3.4) и (3.5) следует, что изменяя размер l можно в широких пределах изменять переходное затухание. В некоторых случаях «кресты» выполняют со скругленными краями, либо частями окружностей (рис. 3-3)

а) б) в)

Рис. 3-3

Н.О. с «крестом» рис. 3-3 в обладает наибольшей полосой пропускания.

Анализ (3.4) и (3.5) показывает, что в Н.О. проявляется сильнейшая зависимость С от частоты (длины волны), т.е. они являются узкополосными. Это приводит к нарушению законов распределения энергии по излучателям. Кроме этого, Н.О. обладает дисперсией, что приводит к фазовым сдвигам вдоль «змейки». Эти два фактора искажают диаграмму направленности ФАР в угломестной плоскости.

Как в азимутальной, так и в угломестной плоскости возможно сканирование луча. Но в угломестной плоскости возможности сканирования гораздо шире за счет не только частотного, но и фазового управления.

Алгоритм управления в угломестной плоскости:

где

L – физическая длина элемента «змейки»;

d_y – физическое расстояние между центрами излучателей в угломестной плоскости;

Ф – фазовый сдвиг, создаваемый фазовращателями (22,5⁰, 45⁰, 67,5⁰ и т.д.).

Например, на средней частоте, только за счет фазового управления можно изменять угол Θ в пределах от -85⁰ до 13,8⁰ (почти на 100⁰).

Однако, такой широкий диапазон сканирования использовать нецелесообразно по двум причинам:

1. Шаг изменения угла максимума диаграммы направленности колеблется от 5⁰ до 20⁰.

2. Эффективная площадь антенны уменьшается, что приводит к расширению диаграммы направленности при больших углах отклонения луча.

Эти два положения иллюстрируются рис. 3-4 и не нуждаются в комментариях.

Рис. 3-4

Размер l_i уменьшается по закону

Кроме всего прочего, при больших углах сканирования в диаграмме направленности при некоторых фазовых состояниях появляются коммутационные боковые лепестки, уровень которых равен уровню основного лепестка, т.е. 0 дБ.

Для расширения полосы пропускания ФАР в последнее время стали разрабатываться канализирующие системы на ненормированных ответвителях. Основой работы таких ответвителей является коаксиально-волноводный переход (КВП), рабочая полоса которого значительно шире, чем щелевых направленных ответвителей.

Схематическое изображение элемента такого ответвителя приведено на рис. 3-5

Рис. 3-5

Зонд может перемещаться в вертикальной плоскости, частично входя в основной волновод I, чем регулируется уровень отбираемой мощности.

Рис.3-6

Изменяя величину h, регулируют отбираемую мощность из основного волновода I в волноводы II, которые запитывают излучатели.

Чем больше h, тем большая энергия отбирается.

Данная конструкция значительно проще «змейкового» волновода, но обладает существенными недостатками:

1. Требует многократной индивидуальной настройки.

2. Дисперсия такой системы невелика, а потому частотное управление положением луча ФАР ограничено.

Поиск по сайту: