книги из ГПНТБ / Амитей Н. Теория и анализ фазированных антенных решеток

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

В настоящее время фазированные антенные решетки рас­ сматриваются как наиболее перспективный тип остронаправлен­ ных антенн. Различные вопросы теории и конструирования фази­ рованных антенных решеток освещаются в периодической литера­ туре. Монографий же, целиком посвященных фазированным антен­ ным решеткам, пока только три: книга советского специалиста О. Г. Вендика «Антенны с немеханическим движением луча», переведенная на русский язык монография «Сканирующие антен­ ные системы СВЧ» (тома 2 и 3) и, наконец, предлагаемая читателю

врусском переводе книга американских специалистов Амитея, Галиндо, By «Теория и анализ фазированных антенных решеток».

Предлагаемая читателю книга посвящена главным образом анализу одного класса фазированных решеток — плоских реше­ ток из открытых концов волноводов. Такие решетки являются основным типом сканирующих антенн в радиосистемах, характе­ ризуемых большим уровнем передаваемой мощности. Возможность применения точных и приближенных методов для анализа фази­ рованных решеток из открытых концов волноводов позволяет получить ряд важных результатов, общих для сканирующих решеток любого вида.

При изложении материала авторы в основном используют собственные работы, опубликованные в последние 10 лет.

Достоинством книги Амитея, Галиндо и By является то, что

вней уделено первостепенное внимание эффектам взаимной связи между элементами фазированной антенной решетки. Взаимное

влияние излучателей сканирующей решетки приводит к такому неприятному явлению, как «ослепление» решетки под определен­ ными углами. Как известно, это явление связано с пространст­ венными резонансами, возникающими в раскрыве решетки. Авторы книги убедительно показывают, что только строгий электро­ динамический анализ позволяет обнаружить существование про­ странственных резонансов. Это подчеркивает необходимость стро­ гой постановки и возможно более точного решения граничных задач для фазированных антенных решеток.

В первых двух главах книги изложена общая теория антенных решеток и выведены интегральные уравнения для плоских беско-

6 Предисловие к русскому изданию

печных решеток из открытых концов волноводов. В гл. 3 рас­ смотрены аналитические и численные методы решения интеграль­ ных уравнений теории фазированных антенных решеток. Особый интерес представляет обсуждение различных способов проверки правильности получепного решения. В последующих главах кни­ ги приведены многочисленные расчетные результаты, относящиеся к решеткам из открытых концов плоскопараллельных, прямо­ угольных и круглых волноводов.

Рассмотрены такие параметры антенной решетки, как коэф­ фициент отражения в тракте элемента, диаграмма направленности элемента в решетке, входное сопротивление элемента, н показана зависимость этих параметров от угла сканирования. Детально анализируется влияние диэлектрических вставок в волноводах и диэлектрических покрытий в раскрыве решетки. Особое внима­ ние уделено явлениям пространственного резонанса в решетке и способам их устранения. В последних главах рассмотрены крае­ вые эффекты в решетках и методы согласования элементов решетки в дпапазоне углов сканирования. Приводятся экспериментальные результаты, представляющие большой интерес.

При работе над русским переводом книги были сохранены обозначения, введенные авторами, и исправлены ошибки в фор­ мулах.

Книга представляет интерес для широкого круга специалистов прежде всего тем, что в ней приведено много новых результатов. Кинга будет полезна студентам н аспирантам радиотехнических специальностей.

А. Ф. ЧАПЛИН

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ

Современная радиолокация, радиосвязь и радиоастрономия предъявляют постоянно возрастающие требования к антеннам больших апертур, которые могли бы осуществлять быстрое ска­ нирование, а также выполнять одновременно другие функции. Такими возможностями обладают решетки из элементов с незави­ симым управлением фазовым распределением, т. е. фазированные антенные решетки (ФАР). Большинство методов, которые до сих пор использовались при расчете ФАР, основывается на классиче­ ской теории антенных решеток, в которой не учитывается взаимное влияние элементов, на приближенных аналитических методах и экспериментальных результатах. Из практики разработки совре­ менных радиолокационных антенных решеток, сканирующих в ши­ роком диапазоне углов, вытекает, что взаимное влияние антенных элементов играет весьма существенную роль в определении харак­ теристик антенной решетки. В приближенных аналитических методах эффекты взаимного влияния учитываются в недостаточной мере. Разработка с помощью экспериментальных методов больших ФАР, когда используются многие тысячи антенных элементов, представляет собой слишком трудоемкую и дорогостоящую процедуру. Поэтому необходимо выработать ясные представления о возможных характеристиках антенных решеток и разработать эффективные методы расчета, учитывающие эффекты взаимного влияния.

Цель книги — создание математического аппарата для анали­ за и расчета широкого класса ФАР, а также изучение их электро­ динамических характеристик. Авторы надеются, что книга не только поможет понять особенности работы ФАР, но и даст соот­ ветствующую технику анализа и синтеза, необходимую при рациональной разработке дорогостоящих антенн.

Особое внимание в книге уделяется анализу однородной плоской антенной решетки из открытых концов расположенных вплотную волноводов. Строго сформулирована и представлена в виде интегрального уравнения граничная задача для таких решеток. Интегральные уравнения могут быть решены численно (а в отдельных случаях и аналитически) с очень высокой точ­ ностью. На основе решения можно рассчитать все существенные

s Предисловие авторов

параметры антенной решетки: характеристики отражения и излу­ чения (включая поляризационные характеристики), а также коэффициенты взаимной связи. Полученные соотношения и методы вычислений можно распространить на вибраторные излучатели и другие типы антенных элементов. Но поскольку вибраторные

Глава 1 знакомит читателя с терминологией и понятиями теории фазированных антенных решеток. Здесь рассмотрены раз­ личные подходы к анализу антенных решеток, показана зависи­ мость характеристик антенной решетки от взаимного влияния элементов.

Вглаве 2 с помощью теоремы Флоке сформулирована гранич­ ная задача для бесконечной периодической решетки, получены различные интегральные уравнения и вариационные соотношения.

Методы решения этих уравнений описаны в гл. 3. Особое вни­ мание уделяется численным методам, которые могут быть эффек­ тивно реализованы на ЭВМ с достаточно большим объемом памяти. Проведено общее обсуждение различных способов обоснования решений п оценка их точности.

Вглаве 4 получено аналитическое решение для бесконечной ФАР из волноводов с тонкими стенками. Приведены основные расчетные соотношения и некоторые экспериментальные данные для ФАР.

Характеристики плоской антенной решетки из прямоугольных волноводов рассмотрены в гл. 5. Показано существование явно выраженного резонанса поверхностной волны, вызывающей «ослеп­ ление» ФАР. Методика, разработанная в гл. 2 п 3, подробно рас­ сматривается применительно к решетке из плоскопараллельных пластин.

В главе 6 исследовано влияние диэлектрического покрытия и вставок на основные характеристики решетки из параллельных пластин. Подробно изучен вопрос об улучшении импедансного согласования и исследовано возникновение резонансов поверх­ ностной волны,.

Характеристики бесконечных плоских антенных решеток из круглых волноводов с диэлектрическим покрытием и без него рассмотрены в гл. 7. Метод интегральных уравнений обобщен на случай плоских антенных решеток с косоугольной периодиче­ ской сеткой расположения элементов.

В главе 8 метод интегральных уравнений распространен на ан­ тенные решетки конечных размеров с однородной и неоднородной сетками расположения элементов, а также на определенный класс бесконечных апериодических решеток. Получены дисперсионные

соотношения для периодически модулированных поверхностей. Показана связь условий возникновения резонансов поверхностной волны с дисперсионными соотношениями. Исследовано влияние близости излучателя к краю решетки на его характеристики.

Глава 9 посвящена систематическим методам оптимизации согласования антенной решетки при заданных секторе сканиро­ вания и полосе частот. Эти методы являются общими и применимы при любом типе элементов антенной решетки. Рассмотрены также экспериментальные методы определения режима входных парамет­ ров элементов ФАР.

В целом книга представляет собой монографию, в основе которой лежат работы, выполненные в лабораториях фирмы «Бэлл телефон». В конце каждой главы имеется список литера­ туры по вопросам, затронутым в главе. Однако этот список, безусловно, не является полным.

Книга предназначена для инженеров, научных работников, аспирантов и студентов, специализирующихся в области антенн и фазированных антенных решеток. Для чтения книги необходи­ мо знание уравнений Максвелла, теории волноводов и основ тео­ рии антенн.

Н. АМИТЕЙ В. ГАЛИНДО ЧЕН-ПАН ВУ