Антенны с электрическим сканированием
Остановимся на особенностях построения и расчета электрических сканирующих антенн, которые необходимо учитывать при проектировании. Следует заметить, что к настоящему времени единой общепринятой терминологии в области электрически сканирующих антенн не выработано, так как пока еще отсутствуют завершенные инженерные методы их расчета. Даже в названии рассматриваемого класса антенн нет единообразия: антенны с электрическим сканированием называют также антеннами с немеханическим движением луча [Л 2] или антеннами с электронным сканированием [Л 1]. Ниже будет использована наиболее широко распространенная терминология, соответствующая физике протекающих процессов, которая поясняется в процессе изложения.
Антенны с электрическим сканированием в общем случае могут рассматриваться как решетки с управляемым фазовым или амплитудно-фазовым распреде- лением. В таких антенных решетках применяют различные типы излучателей и канализирующих систем, а также используют разнооб- разные способы возбуждения излучателей и управления амплитудно - фазовым распреде- лением при сканировании. При этом сканирующие антенны имеют самые различные конструктивные решения. Однако направленные свойства этих антенн при правильном их построении могут определяться как для остронаправленных антенн с излучающим раскрывом (апертурой), в которых направленные свойства зависят от относительных (к длине волны) размеров - раскрыва и распределения поля в нём. В линейных и плоских антенных решётках при электрическом сканировании меняется эквивалентный излучающий раскрыв, т.е. проекция раскрыва на плоскость нормальную к направлению луча, и, следовательно, меняются направленные свойства. Эти изменения ширины луча решетки при сканировании доджны -быть учтены при электрическом расчете антенны. На рис. 1.1 приведены графики, иллюстрирующие изменение ширины диаграммы направленности 2θ0.5 в зависимости от относительного размера антенны L/λ и направления луча в пространстве.
Остронаправленное излучение в рассматриваемых антеннах создает система излучателей, которые образуют решетку. Находят применение линейные, плоские или осесимметричные решетки (кольцевые, конические, цилиндрические, сферические), а также, и другие решетки более сложной формы. Решетки могут быть как эквидистантными (с постоянным расстоянием между излучателями), так и неэквидистантными. Ширина диаграммы направленности излучателей, их число и расположение в решетке определяются требованиями к направленности антенны, пространственному сектору сканирования, условиям размещения и эксплуатации антенны. Ниже излагаются только вопросы проектирования линейных и плоских эквидистантных решеток как наиболее простых по конструкции, расчёту и устройству управления луча, и имеющих максимальный сектор сканирования 100—120°. Линейные решетки представляют интерес не только как самостоятельные антенны, но и как элементы более сложных плоских, цилиндрических, конических и других решеток.
Обеспечение заданных требований к электрически сканирующей антенне при проектировании может быть достигнуто при различных типах излучателей, форме решеток, расстоянии между. излучателями и т.д. Одной из главных задач проектирования рассматриваемых антенн является нахождение оптимального варианта решетки для заданных требований с учетом имеющихся возможностей возбуждения, размещения, изготовления и работы.
Возбуждение излучателей, число которых в антенне может достигать десятки тысяч, возможно с .помощью волноводов, коаксиальных и полосковых - линий и других типов канализирующих систем и осуществимо по параллельной, последовательной, ветвистой и др. схемам питания. Возможен также оптический способ возбуждения, аналогичный возбуждению линз и зеркал, при котором один первичный облучатель возбуждает одновременно все излучатели решетки. Выбор схемы возбуждения при проектировании определяется используемым способом сканирования, величиной допустимых потерь в антенне, а также габаритами и весом.
Качание луча антенны при частотном способе достигается изменением частоты генератора (в передающей) и приемного устройства (в приемной) антенне. С изменением частоты меняется электрическое расстояние между излучателями, возбуждаемыми канализирующими системами с бегущей волной, и, следовательно, меняется фазовое распределение в решетке. К определению характеристик, этих канализирующих систем и сводится в основном расчет частотного способа сканирования. Частотно-сканирующие антенны оказываются конструктивно значительно проще других электрически сканирующих антенн, так как в них кроме канализирующих и излучающих устройств нет никаких других элементов. Наличие генератора и приёмного устройства СВЧ с малоинерционной, например, электрической перестройкой частоты, является необходимым условием для создания радиосистем с электрическим сканированием. Однако реализация частотного метода сканирования при широкоугольном и двумерном сканировании встречает значительные трудности. Кроме того, применение частотного метода допускают не все радиосистемы.
При неизменной рабочей частоте радиосистемы управление фазовым распределением в электрически сканирующей антенне возможно с помощью фазовращателей, в которых применяются электровакуумные или полупроводниковые приборы, а также электрически управляемые среды: феррит, газоразрядная плазма и сегнетоэлектрики.
В настоящее время разработаны ферритовые, полупроводниковые, сегнетоэлектрические и другие фазовращатели, в которых фаза выходящей электромагнитной волны дискретно или непрерывно меняется в пределах 360° в зависимости от управляющего напряжения или тока. Включение системы фазовращателей в возбуждающее антенну устройство позволяет осуществить электричеокое сканирование, причем управление фазовым распределением в большинстве случаев оказывается дискретным. Это получаетсяиз-за дискретного изменения фазового сдвига в дискретном фазовращателе или из-за дискретного изменения управляющего тока или напряжения, обусловленного спецификой работы электронного устройства, управляющего, положением луча. Такой способ злектрического сканирования, получивший название коммутационного (или дискретно-коммутационного), является в настоящее время наиболее перспективным. При коммутационном Способе в результате дискретности изменения фазы изменяются направленные свойства фазированной решетки излучателей. Эти изменения должны быть учтены при проектировании коммутационных антенн.
Управление, фазовым распределением сканирующей антенной решетки может быть получено также с помощью механических фазовращателей, в которых изменение фазы происходит путем механического перемещения или вращения специальных отдельных элементов или частей канализирующей системы фазовращателя [Л 1,Л 6]. При таком способе, сканирования, получившем название электромеханического, максимальная скорость перемещения луча определяется быстродействием фазовращателя, и она из-за малой инерционности перемещаемых устройств может быть значительно большей, чем в механически сканирующих антеннах. Расчет характеристик направленности антенных решеток с электромеханическим сканированием такой же, как и электрически сканирующих.
Выбор того или иного способа сканирования при проектировании антенн определяется не только требуемыми характеристиками, но и располагаемыми возможностями: наличием соответствующих элект-ронных приборов, характеристиками разработанных, фазовращателей и канализирующих систем, располагаемой энергетикой и т. д.
Переход от механического к электрическому способу сканирования привел к усложнению конструкции антенны, обусловленному применением, например, вместо одной зеркальной антенны, решетки излучателей с фазовращателями, и резкому увеличению стоимости антенного устройства. Применение фазовращателей, канализирующих систем и других дополнительных устройств в решетке увеличивает тепловые обтери в антенне и фазовые ошибки и уменьшает усиление. Поэтому переход к электрически сканирующим антенным решеткам целесообразен только в тех случаях, когда механический способ не дает требуемых характеристик управления луча, и допустимо соответствующее ухудшение энергетических характеристик и увеличений стоимости.
Дата добавления: 2015-06-27; просмотров: 1675;