Лекции по антеннам

171

1)Одномерные – одномерное качание луча ДH

2)Двухмерные – двумерное сканирование ДH

(в секторе углов 450 расширение ДН и снижение КНД становятся недопустимыми)

3)Трехмерные (объемные) – простейший вариант системы из двух параллельно расположенных плоскостных решеток.

Конформные решетки – повторяют форму объекта, на котором установлены.

Сканирование ДH

осуществляется путем коммутации группы работающих излучателей. Поскольку одновременно используется лишь часть излучателей, то КИП антенны невелик. Кроме того ФАР с искривленной поверхностью труднее изготовить. Потому для увеличения зоны обзора в подвижных РЛС используются плоские ФАР с механическим вращение их относительно двух

осей, а в стационарных РЛС несколько плоских ФАР,

размещаются под некоторым углом друг к другу.

По способу возбуждения ФАР подразделяются на решетки с фидерным и оптическим питанием. Фидерное питание осуществляется по последовательной (Рис.14.2) или параллельной (Рис.14.3)схеме.

При оптическом питании излучатели решетки возбуждаются через пространство волной излученной

облучателем– способ простой дешевый, удобный для реализации моноимпульсных систем.

Недостаток: «выливание» энергии за края решетки. Можно «бороться»,

например, за счет установки ФАР в экранированную систему типа рупора.

При этом уменьшается КИП, и увеличивается УБЛ .

172

Выделяют 3 типа схем ФАР:

1)пассивные:

–проходная ФАР (линзового типа) – трудно генерировать большие мощности.

–отражательная ФАР (зеркального типа) облучатель находится в поле

отраженной волны, что уменьшает КИП и увеличивает УБЛ, а так же

PС

ухудшается (уменьшается отношение) PШ из-за потерь в фазовращателе.

2)активная – в канале питания каждого элемента решетки имеется фазируемый генератор или усилитель мощности.

3)полуактивная – полуактивная ФАР объединяет достоинства и недостатки

схем с пассивными и активными элементами.Многолучевые А.Р.

Соседние ДH пересекаются на уровне 4Дб (при равномерных амплитуд H.

распределения).

Многолучевые АР

173

Соседние ДH пересекаются на уровне 4дБ (при равномерных амплитудных распределения). Различают параллельные и последовательные ДОС

(матрицы Батлера (рис. 14.7) и Бласса соответственно (рис.14.8)).

Матрица Батлера параллельная ДОС (рис. 14.4) число излучателей

2n (n= 2,3…). Матрица Бласса последовательная ДОС (рис, 14.5).

Недостатки: большое число направленных ответвителей, снижение КИП

из-за потерь мощности в поглощающих нагрузках.

Способы электрического качания луча в фазированных антенных

решетках.

В направлениях, определяемых углами m , набег фазы на участке компенсируется (с точностью до величины, кратной 2 ). Из-за сдвига фазы питания на величину кратную 2π, поля всех элементов складываются в фазе.

При изменении f (несущей частоты генератора) направление главного максимума перемещается как за счет изменения величины , так и за счет зависимости от f (частоты) величины (сдвига фазы питания).

Эффективность частотного способа качания характеризуется углочастотной чувствительностью.

174

определяет отклонение луча в градусах на 1% изменения частоты.

Современные генераторы допускают перестройку по частоте в пределах нескольких процентов от несущей. Для перемещения луча в достаточно

фаз при заданном изменения частоты приводит к большому изменению крутизны линейного фазового распределения в антенне и соответствуют большему отклонению луча.

В антеннах с частотным сканированием используют две схемы возбуждения излучателей:

1)Последовательная

2)Параллельная

В последовательной схеме (рис. 5.9) излучатели питаются бегущей волной и сдвиг по фазе будет

175

При этом соотношение (14.4) преобразуется к виду

еѐ использование. Схемы последовательного питания конструктивно просты.

Основные недостатки: большое затухание и ограничения по пропускаемой мощности, а так же высокие требования к точности изготовления элементов

176

системы, (т.к. фазовые ошибки обусловленные неточными изготовлениями накапливаются).

В параллельной схеме частотного сканирования питание излучателей производится через отдельные фидеры, длина которых различна и линейно увеличивается при переходе от одного излучателя к другому.

d

Если l - разность длин соседних фидеров, то и df определяются выражениями (14.3), (14.4). Отсюда, чем больше l , тем выше g . Схема более сложна и требует применения большого числа диапазонных делителей мощности хотя и пропускает большую мощность и менее чувствительна к неточностям изготовления.

В настоящее время чаще используется последовательная схема частотного сканирования.

Фазовый способ качания.

Фаза излучателей изменяется по заданному закону с помощью электрически управляемых фазовращателей, линий задержки и других фазосдвигающих устройств. ГЛ f ( ) Существует две основные схемы решеток с фазовым управлением: последовательная и параллельная.

Возможна и смешанная схема. 1)последовательная схема.

Здесь на участках питающей линии между соседними излучателями включены одинаковые фазовращатели. Каждый фазовращатель изменяет фазу на один и тот же угол.Поэтому для управления фазовращателями нужен только один управляющий сигнал.

Система управления проста – это основное достоинство.

Недостаток схемы– малая пропускаемая мощность (она целиком проходит через первый фазовращатель), большие потери, малая величина допусков изготовления из-за накопления ошибок фазовращателя. Это требует высокой стабильности работы фазовращателя и их источников питания.

177

Поэтому последовательная схема используется в небольших антенн с механическимифазовращателями, стабильность которых высока, потери малы, а пропускаемая мощность достаточно велика.

2)параллельная схема.

Здесь основное достоинство состоит в том, что через каждый фазовращатель

проходит 1 N часть мощности. Отсюда ограничения по мощности ослаблены,

общие потери энергии примерно равны потерям в отдельномфазовращателе в последовательной схеме. Ослаблены требования к стабильности

фазовращателей. Основной недостаток схемы – сложность системы

управления. Т.к. каждый фазовращатель должен управляться по своему

закону. При этом крайние фазовращатели должны обеспечить весьма большой сдвиг по фазе.

Пусть 0 - угол отклонения луча антенны. Учитывая, что величина d -

представляет собой изменение фазы на единицу длины и используя соотношение (2) при m = 0 , получаем для величины сдвига фазы на половине длины антенны

Соотношение (1.8) показывает, что чем уже ДН, тем требуется большее изменение фазы, если например сканирования превышает ширину ДH в 20

до 18000 .

Осуществить такое изменение фазы технически очень сложно. Обычно применяют фазовращатели с изменением фазы до 2 . При этом для управления фазовым распределением в решетке используют схемы со «сбросом» фазы на величину кратную 2 .«Сброс» фазы дополнительно усложняет схему управления, кроме того решетка становится узкополосной.

178

Действительно, время запаздывания сигналов в крайних излучателей равно N 1 d sin 0 . Если

C

это время больше T- периода высокой частоты, то перемещение сигналов на временной оси в пределах одного периода Т, обеспечиваемое фазовращателем с поворотом фазы на 2 не приведет к полному совмещению сигналов во времени. Суммарный сигнал окажется искаженным. С

уменьшением длительности импульсов (увеличивается ширина спектра сигнала) рассовмещение сигналов во времени становится все более ощутимым. С увеличением длины решетки эти эффекты оказываются все более выраженными. Все рассуждения проводились в предположении, что все фазовращатели и другие элементы тракта СВЧ являются широкополосными. Таким образомузкополосность решетки является следствием использования «сброса» фазы.

В первом случае:

Фаза на выходе фазовращателя изменяется плавно. В каждом излучателе устанавливается значение фазы соответствующее линейному фазовому распределению, необходимому для отклонения луча на заданный угол.

Способы управления фазой

Различают два способа управления фазой:

1)непрерывный

2)дискретный

Непрерывный способ.

Непрерывный способ управления фазой дает «чистую» ДH, однако сложен в осуществлении, т.к. на фазовращатель надо подавать плавно меняющиеся управляющие сигналы. Кроме того при непрерывном способе

управления фазой на характеристики fСИСТ. влияют температурные нестабильности.

Дискретный способ.

179

Схема управления существенно упрощается, т.к. теперь управляющее устройство должно вырабатывать квантовые сигналы (особенно удобно при управлении с ЭВМ). Поэтому М Ф выбирают равным 2V ,

где V 1,2,3... разрядность фазовращателя. Однако при дискретном способе управления фазой в раскрыве антенны появляются фазовые ошибки, которые приводят к искажениям ДН, увеличению УБЛ, снижению КНД.

Пусть ТР (Z ) kzsin 0 (14.9)

требуемое идеальное фазовое распределение, обеспечивающее отклонение луча на угол 0 :

реальное фазовое распределение при дискретномфазировании,

где i имеет вид, i 0,1...MФ 1.

При аппроксимации функции ТР (Z ) ступенчатой функцией в раскрыве антенны проявляются фазовые ошибки Р ТР .

Если ступеньки выбираются одинаковой длины, то максимальное значение ошибки не превышает по модулю половины дискрета.

Откуда