Характеристики фар

Расчет характеристик ФАР по сравнению с расчетом ранее рассмотренных антенн значительно усложняется, так как характеристики определяются не только в заданной полосе частот, но и в угловом секторе сканирования, а также с учетом возможных погрешностей в фазовом распределении и размещении излучателей. Прямые численные методы суммирования полей элементов ФАР малопригодны для выявлений основных закономерностей ее работы. Поэтому в теории ФАР развиты приближенные, но достаточно точные методы анализа, позволяющие установить влияние дискретности размещения элементов и управления ФВ, полосы частот и сектора сканирования на основные характеристики ФАР [3—5, 14, 47].

Сектор сканирования и число управляющих элементов ФАР

Пространственный сектор сканирования ФАР может быть задан предельным отклонением ДН по азимуту и углу места или телесным углом обзора в стерадианах. Зная требуемую рабочую длину волны и характеристики направленности (ширину ДН по напряженности поля и или КНД ), можно оценить минимальное число излучателей ФАР N. Размер антенны L в заданной плоскости (Е, Н) связан с шириной ДН приближенным соотношением [4, 14, 47]

. (11.3)

Ширина ДН элемента ФАР по нулевому уровню должна быть больше сектора сканирования по крайней мере, на значение ширины ДН, тогда размер элемента L_э определяется выражением [4, 14, 47]

. ( 11.4)

Соответственно, минимальное число излучателей [4, 14, 47]

(11.5)

и при двухкоординатном сканировании [4, 14, 47]

. (11.6) Известны и другие подходы к определению N, например по заданному КНД в телесном угле сканирования :

. (11.7)

Практически число излучателей в ФАР превышает найденное по формулам (11.6) и (11.7) и связано с допустимым возрастанием УБЛ и изменением формы ДН в секторе сканирования. В плоской ФАР при сканировании изменяется ширина и УБЛ ДН, КНД, что ограничивает реализуемый на практике сектор сканирования значениями ±(45—60)°. Для получения больших секторов сканирования возможно применение системы плоских решеток или выпуклой ФАР.

Необходимое число управляющих фазовращателей в плоской ФАР будет найдено из условия дискретизации излучающего раскрыва.

Полоса пропускания ФАР

Рассмотрим частотные свойства, связанные с построением ФАР, в предположении, что элементная база (фазовращатель, излучатель, линия передачи и т. д.) не ограничивает полосу пропускания. В ФАР с параллельным питанием с помощью ЛП равной электрической длины начальное фазовое распределение не зависит от частоты и может быть равномерным. Широкополосные (диапазонные) фазовращатели создают фазовые сдвиги, также не зависимые от частоты. Для отклонения луча от нормали к плоскости раскрыва ФАР на угол θ_гл необходим фазовый сдвиг Ψ в соседних излучателях, отстоящих друг от друга на величину шага решетки d в плоскости сканирования, определяемый по формуле (см. раздел 3)

. (11.8)

Изменение длины волны  на величину  приведет к отклонению ДН на угол θ_гл, определяемый из условия (11.8), и тогда частотное отклонение ДН описывается выражением [4, 47]

, (11.9)

которое не зависит от размера антенны и возрастает с отклонением ДН θ_гл. В результате этого изменяется направленность излучения ФАР — растет УБЛ ДН и снижается КНД. Задавшись допустимым изменением характеристик, можно найти рабочую полосу частот ФАР. Если принять, что частотное отклонение ДН не должно превышать половины ее ширины, то

. (11.10)

Если задаться допустимым падением КНД на 1 дБ в секторе ± 60°, то расчеты позволяют установить простую связь между шириной рабочей полосы частот в процентах и шириной ДН ФАР в градусах [4, 47]:

. (11.11)

При определении ширины рабочей полосы частот необходимо также учитывать характеристики излучаемых или принимаемых ФАР радиосигналов (сверхкороткие импульсы, длинные импульсы с меняющейся частотой и т. д.). Узкая рабочая полоса и ее сужение с ростом направленности излучения являются существенными недостатками ФАР.

Известны два способа построения широкополосных ФАР. В первом случае фазовращатели в ФАР заменяют управляемыми линиями задержки в виде отрезков ЛП с волной типа Т, плавно (дискретно) изменяющими длину в пределах половины длины раскрыва антенны. В такой антенне разность хода лучей до точки наблюдения компенсируется длиной питающих ЛП. Такие ФАР реализуются в ВЧ диапазоне.

Второй способ основан на использовании выпуклых ФАР. Как следует из соотношений (3) и (4), расширение полосы рабочих частот достигается уменьшением θ_гл. В этих ФАР широкоугольное сканирование обеспечивается коммутацией излучающей части антенны, а формирование ДН происходит в условиях, близких к излучению по нормали в плоских АР. В осесимметричных выпуклых ФАР удается не только ослабить или устранить частотное отклонение ДН в широкой полосе частот, но и уменьшить частотное изменение ширины ДН. Однако конструкция таких антенн значительно усложняется по сравнению с конструкцией плоских антенн, так как кроме ФВ необходима система коммутаторов, управляющая излучающими секторами ФАР и растет число управляемых элементов ФАР [4, 14, 47, 48].

Вычисление фазовых сдвигов для управления ДН ФАР

Для расчета требуемых фазовых сдвигов токов (полей), возбуждающих элементы плоской ФАР, используется известное выражение [2, 3—5, 14]

, (11.12)

где x_n и y_n — координаты излучателя в решетке, θ₀ и φ₀ — требуемое направление максимального излучения ФАР, . Для ФАР с прямоугольной сеткой размещения элементов сначала вычисляются разности фаз колебаний в соседних элементах по осям x и y [3, 5]

, . (11.13)

Требуемое значение фазы для каждого элемента при начальном синфазном распределении вычисляется по формуле [2—5]

, (11.14)

где m — номер столбца и n — номер строки, на пересечении которых находится излучающий элемент АР; если значение превышает 2π рад., то из него обычно вычитается целое число 2π (при этом фазовое распределение становится пилообразным). При таком способе расчета значений фаз строится удобная система управления ФАР по строкам и столбцам (рис. 11.5). К элементу с номером mn по двум независимым каналам управления подводятся два сигнала, содержащие закодированные значения и . Сумматоры, располагаемые рядом с ФВ, производят сложение и . При этом полное число управляющих шин для ФАР с числом элементов MN составит M+N. Система управления ФАР оказывается простой, надежной и быстродействующей [4, 5].

Рис. 11.5. Способ фазирования излучателей ФАР по строкам и столбцам

Управление фазовым распределением в ФАР возможно с помощью дискретных или непрерывных ФВ. В обоих случаях возможно появление фазовых ошибок в раскрыве ФАР и ухудшение КНД, УБЛ и точности ориентации ДН в заданном направлении. В непрерывных фазовращателях ошибки установки фазовых сдвигов вызываются различными дестабилизирующими факторами (старением, повышенной температурой, флуктуацией управляющих токов и т. д.), для борьбы с которыми требуются специальные меры. Это является основным недостатком непрерывных фазовращателей.

Указанные недостатки в значительной степени устраняются в случае дискретно-коммутационного сканирования. При этом фазирование осуществляется с помощью коммутаторов или дискретных фазовращателей, имеющих фиксированные значения фазы, устойчивые к различным дестабилизирующим факторам. Это обеспечивается выбором режимов работы, при которых используются устойчивые (крайние) участки характеристик ФВ (насыщения, гистерезиса в ферритах и т. д.). Управление ДН в этом случае сводится к простейшим операциям включения или выключения отдельных коммутаторов. Этот способ сканирования приводит к появлению коммутационных фазовых ошибок, равных половине дискрета изменения фазы в ФВ, т. е. /2. Коммутационные фазовые ошибки вызывают снижение КНД, увеличение УБЛ и дискретность углового перемещения ДН при сканировании. Аналогичное ухудшение направленности имеет место в ФАР с непрерывными фазовращателями в результате дискретности фазирования при сопряжении с дискретной системой управления ДН (процессором).

Влияние коммутационных ошибок на характеристики ФАР зависит от начального фазового распределения в ФАР, положения точки начала отсчета фаз и числа излучателей. При дискретном управлении фазовым сдвигом ФВ с дискретом фазы Δ КНД ФАР уменьшается по закону [4, 14, 47]

, (11.15)

где D₀ — КНД эквивалентной ФАР без коммутационных фазовых ошибок.