Основные требования к антенным системам СВЧ и возможности применения антенных решеток
Основные требования, предъявляемые к антенне, определяются объемом обрабатываемой (или извлекаемой) информации и связаны с дальностью действия, разрешающей способностью, точностью определения координат, быстродействием, надежностью, помехозащищенностью и другими характеристиками радиотехнической системы. Установление взаимосвязи между характеристиками различных радиотехнических систем и характеристиками антенно-фидерного устройства приводится в соответствующих курсах по радиолокации, радиоуправлению и т. д. Не вдаваясь в подробности работы этих систем и установления отмеченной выше, взаимосвязи, можем считать, что в конечном счете антенно-фидерные устройства должны обеспечить соответствующие: направленность действия, энергетические, частотные, пеленгационные характеристики, характеристики управления, а также другие общетехнические, эксплуатационные и экономические характеристики.
Требования к направленности действия антенны определяют форму и ширину пространственной диаграммы направленности (в двух главных плоскостях), допустимый уровень боковых лепестков, коэффициент направленного действия (к. н. д.) и поляризационную характеристику антенны. В диапазоне СВЧ антенны имеют игольчатые, косекансные, веерные, воронкообразные и другие виды диаграмм направленности. Поляризационная характеристика определяет: поляризацию излучаемых и принимаемых волн, допустимый коэффициент равномерности поляризационного эллипса при использовании волн с вращающейся поляризацией и допустимый уровень кросс-поляризационного Излучения при линейной поляризации поля излучения. При проектировании антенны вид диаграммы направленности, ее ширина, уровень боковых лепестков, к. н. д. и поляризационная характеристика могут быть заданными. Следует отметить, что между этими величинами, характеризующими направленность действия. существует связь [ЛО 5], и при проектировании часто бывают заданы только некоторые из этих величин. Так, например, при электрическом расчете исходными величинами, характеризующими направленность действия, могут быть ширина диаграммы направленности (ширина луча) и к. н. д. При этом может оговариваться, что уровень боковых лепестков и кросс-поляризационное излучение при данных относительных размерах антенны желательно иметь минимальными.
Энергетические характеристики передающих и приемных антенн позволяют определить: мощность сигнала на входе приемного устройства, максимально допустимую мощность излучения, при которой обеспечиваются электрическая прочность и допустимый тепловой режим, мощность, требуемую для управления положением луча в пространстве, мощность СВЧ потерь в антенно-фидерном тракте и мощность шумов в приемной антенне. Величины этих мощностей характеризуются, как известно [ЛО1, ЛО2, ЛОЗ, ЛО4, ЛО5, ЛО9, ЛО11], следующими параметрами: коэффициентом усиления антенны, коэффициентом полезного действия антенны и используемых устройств СВЧ, температурой шума антенны, входным сопротивлением антенны (степенью согласования в питающем тракте), добротностью антенны [Л 5] и допустимой величиной напряженности электрического поля. В отличие от механически сканирующих антенн, в которых мощность, потребляемая для управления положением луча в пространстве, связана с ра'счетом электропривода, в антеннах с электрическим сканированием эта мощность связана с потерями в управляемых СВЧ устройствах и поэтому может влиять на тепловой режим антенны. При расчете сканирующих антенн СВЧ бывают заданы только отдельные величины, характеризующие энергетику антенны. Так, например, бывают заданы мощность (импульсная и средняя) радиопередающего устройства или чувствительность радиоприемного устройства. Одной из задач проектирования является оптимизация энергетических, характеристик разрабатываемой антенны с учетом располагаемых возможностей и конкретных требований. Оптимизация сводится к приближению реализуемых характеристик к предельно-достижимым теоретическим характеристикам, найденным для заданных критериев оптимальности. Такими критериями могут быть, например, максимальный коэффициент усиления или минимальная шумовая температура при заданных относительных размерах, потерях в используемых элементах СВЧ т. д.
Частотные свойства антенн определяются наибольшим изменением частоты, при котором основные параметры антенны, зависящие от частоты, не выходят за допустимые пределы. Частотные свойства зависят от требования к радиосистеме,' в которой используется проектируемая антенна, и определяются по изменению направленности действия или энергетических характеристик. При расчете частотных свойств рассматриваемых ниже антенн целесообразно различать требования к рабочему диапазону и полосе частот. Требуемая полоса частот - определяется спектром передаваемого антенной сигнала, т. е. условием одновременного излучения или приема антенной заданного спектра частот. Диапазон частот определяется условием работы антенны последовательно во времени на различных участках этого диапазона, т.е. допускает в принципе при изменении рабочей частоты радиосистемы синхронное изменение некоторых параметров антенны. Так, например, в электрически сканирующей антенне типа фазируемой решетки при изменении рабочей частоты передатчика изменяется фазовое распределение вдоль решетки для сохранения направления луча в пространстве.
В антенно-фидерных устройствах предъявляется ряд требований к характеристикам сканирования в пространстве (таким, как сектор обзора, время обзора и др.), изменению направленных свойств в процессе работы и переключению антенны с передачи на прием. Эти требования и определяют необходимые характеристики управления антенно-фидерного устройства. Исходными при выборе того или иного способа, механического, электромеханического или электрического сканирования и проведении расчетов электрически сканирующих антенн являются следующие требования: пространственный сектор обзор луча, период (темп) обзора или время установки луча в заданную точку пространства, метод обзор пространства, точность установки луча в заданную точку пространства и др. К характеристикам управления следует также отнести время переключения антенны с передачи на прием, и возникающие в ряде случаев требования к изменению при работе поляризации поля излучения или формы диаграммы направленности (например, с игольчатой на косекансную). В антеннах с механическим сканированием характеристики управления луча не связаны с электрическим расчетом антенны и являются определяющими при (проектировании механизмов вращения.
Для получения заданной точности определения угловых координат в радиолокации, радиопеленгации, радиоастрономии и- т. д. предъявляют ряд требований к характеристикам антенн, называемым пеленгационными. Эти требования существенно зависят от используемого способа пеленгации (моноимпульсный, равносигнальный, амплитудный, фазовый и др.). В последнее время широкое распространение в радиолокации получили антенны с моноимпульсным способом (моноимпульсные антенны), пеленгационными характеристиками которых являются крутизна и линейность характеристики, глубина «нуля» разностной диаграммы и точность его установки в заданную, точку пространства. Эти требования, за исключением последнего, сводятся к требованиям специальной формы и симметрии диаграмм направленности, а также получению максимального усиления антенны в режиме приема (см. гл.11). Требуемая точность установки "нуля" разностной диаграммы в заданное направление в пределах сектора сканирования определяется выбором способа сканирования и характеристиками устройств, управляющих (положением луча антенны. Реализадия требуемых пеленгационных характеристик для многих антенных устройств является наиболее важной и трудной задачей.
К антенне, как и к любому радиотехническому устройству, предъявляется ряд общетехнических и экономических требований, таких, как: заданные габариты, малый вес; минимальная стоимость, надежноеть работы, приспособленность к заданным условиям. Удобство контроля, ремонта и т. д. 3адание требований общего характера разрабатываемой антенне; не менее важно чем электрических требований, и выполнение их достигается не только соответствующими конструктивными решениями, технологией изготовления, применением необходимых материалов, но и выбором соответствующего способа сканирования, электрической схемы 'построения, режима работы системы и применяемых устройств СВЧ, например фазовращателей.
С развитием различных радиотехнических систем и усложнением решаемых ими тактико-технических задач возрастают требования к антенным характеристикам и в ряде случаев они становятся противоречивыми и вовсе неразрешимыми новые антенны по аналогии с разработанными ранее и находящимися в эксплуатации. Так, например, стремление увеличить дальность и точность определения угловых координат в радиолокации приводит к требованию увеличения направленности антенн, что вызывает увеличение их размеров и веса. Рост скоростей полета летательных аппаратов приводит к необходимости увеличения скорости движения луча в пространстве. Совмещение требований увеличения направленности скорости движения луча в широко используемых антеннах с механическим сканированием не представляется возможным из-за инерционности последних. Подобные противоречия возникают и при попытках одновременно обеспечить высокие направленные свойства и заданные частотные, энергетические, пеленгационные характеристики. Эти обстоятельства заставляют отказываться от «традиционного» типа антенн для данного класса радио- систем и переходить к антенным решеткам.
Применение сложных антенн в виде решеток, состоящих из систем слабонаправленных или направленных излучателей, значительно расширяет возможности реализации требуемых характеристик.
Система излучателей с электрически управляемым фазовым распределением - фазируемая антенная решетка (ФАР) осуществляет электрическое сканирование луча в пространстве со скоростью, которая может быть на несколько порядков выше скорости механически сканирующих антенн. Время установки в заданную точку пространства луча фазируемых решеток практически определяется быстродействием электрического фазовращателя или перестройкой частоты при частотном сканировании и не связано с весом и размерами антенны. При таком «безынерционном» сканировании возможны новые, ранее не применявшиеся методы обзорa пространства и многоцелевая работа (одновременное сопровождение нескольких целей в пространстве).
Решетки из остронаправленных антенн позволяют увеличить предельно-реализуемую разрешающую способность, усиление и максимальную мощность антенны. Созданы и строятся решетки из больших зеркал для антенн радиотелескопов и космической связи, имеющие разрешающую способность до единиц минут в сантиметровом диапазоне [JI 1]. Решетки позволяют создать многофункциональные антенны, в которых с помощью электрически управляемых устройств СВЧ меняется форма и ширина диаграммы направленности в зависимости от выполняемых радиосистемой функций.
Реализация различных видов амплитудно - фазовых распределений в антенной решетке значительно проще, чем в зеркальных, рупорных, линзовых и других антеннах СВЧ, так как в возбуждающее излучатели устройство можно включать различные делители, направленные ответвители, фазовращатели, коммутаторы и другие элементы, обеспечивающие требуемое распределение или управление. Практические возможности выполнения различных видов амплитудно-фазовых распределений позволяют применять антенные решётки для минимизации бокового излучения, т.е. для построения так называемых антенн с оптимальными диаграммами направленности.
В конструктивном отношении применение решеток создает возможности уменьшить предельные размеры (в направлении нормали к плоскости решетки) остронаправленных антенн, а следовательно, и занимаемые ими объемы, и использовать для излучения наружную проводящую поверхность объекта. Остронаправленная рещетка из рупоров или зеркал имеет меньший продольный размер, чем одна рупорная или зеркальная антенна той же направленности. Щелевая решетка излучателей на выпуклой (конической, цилиндрической, сферической и др.) наружной поверхности летательного аппарата [JIO 7], не увеличивая аэродинамического сопротивления, позволяет существенно сократить занимаемый объем по сравнению с соответствующей апертурной антенной, расположенной в обтекателе.
В последнее время радиоспециалистами уделяется значительное внимание так называемым активным решёткам, в которых к каждому излучателю или группе их подключаются активные элементы: автогенератор, усилитель, преобразователь, смеситель и т.д. Такой новый подход на основе антенной решетки к построению всей радиосистемы, в случае, когда нельзя выделить, как отдельные устройства, приемник, передатчик и т.д., позволяет существенно расширить возможности системы в обработке поступающей информации, построить адаптирующиеся (самонастраивающиеся) антенны и достигнуть лучшего сопряжения радиосистемы с ЭВМ.
Вышеприведенные соображения отчетливо показывают роль антенных решеток в современных радиотехнических системах, их возможности в обеспечении требуемых характеристик антенн и всей радиосистемы. Поэтому в настоящей книге основное внимание уделяется различным антенным решеткам и их элементам. Ниже приводятся инженерные методы расчета щелевых, вибраторных и рупорных решеток, а также одиночных спиральных, диэлектрических стержневых и других антенн, которые используются как элементы решеток СВЧ. В работе излагаются также расчеты электрических сканирующих антенных решеток, разработке теории и техники которых в последний период развития антенно-фидерных устройств уделяется основное внимание специалистов.
Дата добавления: 2015-06-27; просмотров: 2303;