Антенні решітки

При організації радіоканалу звуження головної пелюстки ДС антени дозволяє пропорційно зменшувати вихідну потужність радіопередавача, що при вирішенні деяких технічних задач є доцільним або принципово необхідним. Але формування гостроспрямованої однопелюсткової ДС потребує застосування антени з вельми значними поперечними розмірами апертури.

Зазначена задача вирішується шляхом використання замість однієї громіздкої антени просторово впорядкованої сукупності однотипних антен прийнятних габаритів, тобто – антенну решітку (АР). В залежності від геометрії просторового розподілу окремих антен (елементів АР), можуть бути, наприклад, лінійні (рис. 1.20, а), пласкі (рис. 1.20, б) та об’ємні (рис. 1.20, в) антенні решітки.

Розглянемо структуру і фізичний зміст формули, що визначає комплексну характеристику спрямованості антенної решітки. Комплексну напруженість електричного поля , що збуджується S-тим типовим елементом АР у точці спостереження (рис.1.21) формально можна надати виразом:

(1.27)

де E_ms – максимальне значення напруженості поля на відстані r_s в напрямку основного випромінювання S-того типового елементу;

– нормована характеристика спрямованості елемента;

– значення фази S – го випромінювача.

Очевидно, що результуюче поле n когерентних випромінювачів ФАР описується такою формулою:

, (1.28),

де - напруженість базового антенного пристрою;

– комплексна нормована ХС окремого антенного пристрою в будь-якому вузлі ФАР;

- інтерференційний множник системи випромінювачів:

. (1.29)

Зіставляючи обидві останні формули, отримаємо вираз:

, (1.30)

що є комплексною характеристикою спрямованості ФАР.

З останнього виразу (1.30) випливає амплітудна характеристика спрямованості ФАР у вигляді:

. (1.31)

Якщо уявити, що , то буде визначена як характеристика спрямованості упорядкованої системи точкових ізотропних випромінювачів, які містяться у вузлах АР. Співвідношення (1.31) є теоремою множення характеристик спрямованості АР, яка стверджує: ХС упорядкованої системи ідентичних випромінювачів є добутком ХС кожного з них та характеристики спрямованості такої саме системи, але побудованої з неспрямованих (ізотропних) точкових випромінювачів.

Функція зветься множником антенної решітки. Звичайні ФАР містять велику кількість випромінювачів. Тому множник решітки визначає вельми вузьку відносно ширини власну діаграму спрямованості. Це означає, що ширина головної пелюстки ДС ФАР (1.30) визначається множником , а антенний пристрій, що встановлюється у вузлах решітки, забезпечує необхідну геометричну форму головної пелюстки ФАР.

Орієнтація та форма головної пелюстки ДС множника решітки залежить від фази збудження кожного з випромінювачів та відстаней між сусідніми вузлами.

Нехай в лінійній еквідістантній решітці (рис.1.20, а) із зростанням номера вузла S =1, 2, ... , n фази рівноамплітудного збудження елементів зменшуються на величину , тобто . Тоді з (1.29) випливає [1], що є вісесиметричною функцією, в якій кутовий напрям відповідає максимуму головної пелюстки. Якщо , то значення визначається співвідношенням:

, (1.32)

де .

З виразу (1.32) випливає, що при еквідістантна лінійна решітка (рис.1.20, а) стає синфазною, для якої незалежно від горизонтального кута (рис.1.21).

Із розглядання цього рисунку можна простежити еволюцію геометричної форми головної пелюстки в залежності від значень початкової фази збудження вузлів АР.

Прикладом ФАР є хвилеводно-щілинна антена, фрагмент одного з різновидів якої зображений на рис. 1.23. Кожна окрема щілина перетинає лінію струму провідності на широкій стінці хвилеводу із хвилею типу Н₁₀, і тому вона випромінює [1]. Щілина є типовим випромінювачем для конкретних ФАР.

Якщо фазами окремих випромінювачів (1.29) керувати автоматично, то можна змінювати просторове положення головної пелюстки ДС ФАР, тобто отримати антену з автоматичним скануванням без будь-яких механічних пристроїв.

Існує багато специфічних типів ФАР [1], але принципи їх побудови завжди зберігаються загальними. Такі антенні системи використовуються в системах радіолокації та радіонавігації, наприклад, у допплерівських вимірювачах швидкості та куту зносу літаків, у системах активної радіолокації.