Диаграмма направленности линейных и плоских коммутационных решеток

В антеннах с непрерывными фазовращателями фази­рование излучающих элементов осуществляется таким об­разом, чтобы поля от вcex излучателей в дальней зоне в заданном направлении складывались синфазно. Для решеток, изображенных на рис. 3.5, 3.6, требуемое фазо­вое распределение имеет вид:

линейная решетка излучателей

плоская решётка излучателей

Здесь — координаты n-го излучателя в решетке; , —углы, определяющие направление максимума диаграммы направленности в пространстве; – волновое число; —постоянный фазовый сдвиг, величина кото­рого зависит от выбора начала отсчета фазы.

В коммутационных решетках в силу дискретного ха­рактера изменения фазы токов в излучающих элементах требуемое фазовое распределение не может быть реали­зовано точно, вследствие чего возникают специфические фазовые ошибки, которые в дальнейшем будут называть­ся коммутационными.

Фазовое распределение, реализуемое в коммутацион­ной решетке, определяемся следующим выражением:

в котором — так называемое начальное фазовое рас­пределение в решетке, которое имеет место в том случае, когда все коммутационные фазовращатели находятся в одной и той же позиции; Δ — дискрет изменения фазы, обеспечиваемый коммутационным фазовращателем; — число последовательных переключений коммутационного фазовращателя от исходной позиции с дискретом измене­ния фазы Δ.

В качестве начального фазового распределения может быть выбрано фазовое распределение на выходе распределительного устройства. Например, в линейных решетках с последовательным распределением энергии путем подключения излучателей с фазовращателями к пи­тающему фидеру с бегущей волной за начальное фазовое распределение может быть принято распределение фаз и в питающем фидере:

где — продольная координата; — замедление фазо­вой скорости в питающем фидере, а выбор знака опре­деляется направлением движения волны в фидере.

В плоских решетках начальное фазовое распределе­ние может быть линейной функцией двух координат

)

В схемах квазиоптического типа (см. рис. 3.4) за началь­ное фазовое распределение может быть принято распре­деление фаз волны, излучаемой облучателем, на обра­щенной к облучателю поверхности управляемой линзы. В частности, если плоская управляемая линза находится в раскрыве секториального или пирамидального рупора, т. е. если на внутреннюю сторону линзы падает цилин­дрическая или сферическая волна, начальное фазовое распределение имеет вид

где R длина рупора.

Коммутационные фазовые ошибки определяются сле­дующим выражением:

Дискретный характер работы фазовращателей приводит к увеличению уровня бокового излучения и к скачкооб­разному движению луча. Фазирование коммутационной антенной решетки может осуществляться различными способами в зависимости от требуемой точности установ­ки луча или уровня бокового излучения в заданном сек­торе углов. Одним из распространенных способов являет­ся фазирование по наименьшей фазовой ошибке, когда для любого излучателя в решетке выполняется условие

В дальнейшем будут рассматриваться коммутацион­ные решетки, фазирование которых осуществляется ука­занным способом. Максимальная величина коммутаци­онных фазовых ошибок не превышает в данном случае половины дискрета изменения фазы, обеспечиваемого фа­зовращателем, т. е. .

При фазировании коммутационной решетки в задан­ном направлении необходимо определить число последо­вательных переключений каждого фазовращателя от ис­ходной позиции. Эта величина согласно (3.21) определя­ется следующим неравенством:

В реальных коммутационных решетках это неравенст­во решается электронным вычислителем и результат пе­редается в устройство, управляющее фазовращателями.

В случае линейной решетки с начальным распределением фаз (3.16) функция распределения коммутационных фазовых ошибок и реализуемое распределение фаз в решетке имеют вид

При этом величина определяется неравенством

. (3.25)

Формулы (3.23) — (3.25) соответствуют движению вол­ны в питающем фидере в положительном направлении оси X. Указанные формулы справедливы также для пло­ских решеток, когда начальное фазовое распределение является функцией одной координаты, а луч решетки от­клоняется только лишь в главных плоскостях.

Реализуемое фазовое распределение, а также распределение коммутационных фазовых ошибок в решетке для произвольного направления луча могут быть найдены по формулам (3.15), (3.20) или графическим способом.

В том случае, когда начальное и требуемое фазовые распределения являются функцией одной координаты например X, графическое построение рассматриваемое фазового распределения в решетке и распределения ком мутационных фазовых ошибок может быть выполнено следующим образом. Вначале строится график функции (3.15), т. е. на чертеже отмечаются фазовые сдвиги, ко­торые могут быть реализованы в излучателях решетки. Каждому фазовому сдвигу в каком-либо излучателе со­ответствует определенная позиция связанного с ним ком­мутационного фазовращате­ля. График функции (3.15) при каждом значении qn имеет вид отдельных точек, которые для удобства мож­но соединить плавной кри­вой. В полученном семейст­ве каждая кривая сдвинута относительно соседней в на­правлении оси ординат на величину ∆ (рис. 3.8).

Затем на этот же график наносится кривая фазового распределения, требуемого для формирования луча в за­данном направлении. Фазо­вый сдвиг в каждом излуча­теле или позиция соответст­вующего фазовращателя

Рис. 3.8. Реализуемое фазовое распределение (а) и распре­деление фазовых ошибок в коммутационной решет­ке (б).

вы­бирается так, чтобы разность между реализуемым и тре­буемым фазовым распределением была наименьшей. Из графика видно, что максимальная величина фазовых ошибок при данном способе фазирования не превышает половины дискрета изменения фазы. Если излучатели в решетке расположены настолько близко, что их распре­деление можно рассматривать как непрерывное, то гра­фик реализуемого фазового распределения принимает вид ступенчатой кривой (рис. 3,8). Функция распределения фазовых ошибок имеет при этом пилообразный вид (рис. 3.8, б).

Сказанное выше относится как к линейным, так и к плоским коммутационным решеткам при условии, что луч плоской решетки находится в одной из главных пло­скостей, а начальное фазовое распределение является функцией одной координаты.

Если начальное и требуемое фазовые распределения являются функциями двух переменных, то точки, соот­ветствующие реализуемым значениям фазы, в решетке располагаются на семействе поверхностей, определяемом уравнением (3.15). Уравнения (3.14) определяет пло­скость, положение которой зависит от требуемого на­правления луча и выбора точки начала отсчета фазы. Позиции фазовращателей в решетке, обеспечивающие формирование луча в заданном направлении, определя­ются, как и прежде, по наименьшему уклонению реали­зуемого фазового распределения от требуемого. В том случае, когда излучающие элементы решетки расположе­ны настолько близко, что их можно считать непрерывно распределенными, геометрический образ реализуемого фазового распределения имеет вид «ступенчатой» поверх­ности, функция δΦ (х, у) - вид «гофрированной плоско­сти».

Диаграмма направленности коммутационной решетки может быть найдена путем суммирования полей отдель­ных излучателей

Здесь - амплитудный коэффициент n-го излучателя; - нормированная диаграмма направленности из­лучателя решетки.

Однако расчет по формуле (3.26) при большом числе излучателей оказывается достаточно трудоемким. Кроме того, не выполнив детального расчета всей диаграммы направленности, из формулы (3.26) нельзя определить направление и уровень дополнительных боковых лепест­ков, обусловленных коммутационными фазовыми ошиб­ками. Более удобны выражения, которые мо­гут быть получены из (3.26) с помощью метода сумми­рования Пуассона. Для линейных и плоских решеток с линейным начальным распределением указанные вы­ражения имеют соответственно следующий вид:

где

- число позиций фазовращателя.

В зависимости от положения точки начала отсчета фазы величины F₁, F_x, F_y определяются следующими вы­ражениями:

Линейные решетки (см. рис. 3.5). Начало отсчета фа­зы совпадает с крайним излучателем, расположенным в точке

Начало отсчета фазы совпадает с серединой линейной решетки:

N — четное F₁ (u_1ph) = F₁₀ (u_1ph),

N — нечетное F₁ (u_1ph) = (-1)^p F₁₀(u_1ph).

Плоские решетки (см. рис. 3.6). Начало отсчета фазы совпадает с пересечением диагоналей прямоугольника, в пределах которого расположены излучатели:

N_x — четное F_x (u_2ph) = F_x0 (u_2ph),

N_x — нечетное F_x (u_2ph) = (-1)^p F_x0(u_2ph).

N_y — четное F_y (u_2ph) = F_y0 (u_2th),

N_y — нечетное F_y (u_2th) = (-1)^t F_y0(u_2th).

Начало отсчета фазы совпадает с крайним излучате­лем, расположённым в вершине прямоугольника с коор­динатами:

В приведенных формулах величина F₁₀ является нор­мированной диаграммой направленности линейной антен­ны без коммутационных фазовых ошибок с непрерывным распределением излучателей и амплитудным распреде­лением, тождественно совпадающим с амплитудным рас­пределением в решетке. Если распределение амплитуд в коммутационной решетке совпадает с одним из распре­делений, приведенных в табл. 3.1, то функция F₁₀ может быть взята из соответствующего столбца указанной та­блицы.

Величины F_x0, F_y0 также являются нормированными диаграммами направленности линейных антенн без ком­мутационных фазовых ошибок с амплитудным распреде­лением, совпадающим соответственно с законом измене­ния амплитуд возбуждения излучателей в плоской решет­ке вдоль координат X, Y.

Главный лепесток диаграммы направленности комму­тационной решетки определяется членом рядов (3.27) с индексами h=p=t =0. Наличие членов с индексами h=0, р, t обусловлено дискретным характером распреде­ления излучателей. В том случае, когда расстояние меж­ду излучателями не превышает максимально допустимое значение, указанные члены практически не влияют на форму диаграммы направленности решетки и их можно не учитывать. Существование остальных членов рядов (3.27) связано с наличием коммутационных фазовых ошибок.

Из формул (3.27), (3.28) следует, что диаграмма на­правленности коммутационной решетки представляет со­бой сумму ряда однотипных диаграмм направленности F₁, F_x, F_y с различным направлением и уровнем максимумов. Направление максимумов определяется уравне­ниями

из которых получаем

Первая формула соответствует онной решетке; две другие — плоской.

Уровни максимумов указанных диаграмм направлен ности определяются множителем вида

где , — значение диаграммы направ­ленности элемента решетки в направлении .

Можно показать, что член рядов (3.27) с индексами p=t=h=0 является диаграммой направленности эквива­лентной антенны без коммутационных фазовых ошибок и с непрерывным распределением излучателей. В даль­нейшем члены указанных рядов с индексам h≠0 и h=0 будут называться соответственно коммутационными и дифракционными лепестками. Если максимумы дифракци­онных лепестков находятся в области действительных углов, то диаграмма направленности коммутационной решетки имеет вторичные главные максимумы. Как уже от­мечалось, в правильно сконструированной решетке вто­ричные главные максимумы отсутствуют, так как направления максимумов дифракционных лепестков лежат вне пределов действительных углов. Для них выполняются условия

| .

Наличие коммутационных фазовых ошибок приводит к снижению/уровня 'главного максимума диаграммы на­правленности антенны, которое согласно (3.27) определяется множителем Уровень коммутационных ле­пестков, отнесенный к максимуму диаграммы направлен­ности эквивалентной антенны без коммутационных фазо­вых ошибок и с непрерывным распределением излучате­лей (член рядов (3.27) с индексами p=t=h=0), равен

Наибольший уровень имеют коммутационные лепест­ки с индексами h=±1. При Δ→0, т. е. при переходе к антенне с плавными фазовращателями, а уровни коммутационных лепестков стремятся к нулю.

При расчете диаграммы направленности коммутаци­онных решеток в большинстве случаев достаточно про­суммировать те члены рядов (3.27), у которых |h|≤2 Значения индексов p, t указанных членов находятся из неравенств

в которых величины , определяются выра­жениями (3.29). При выполнении неравенств (3.32) мак­симумы коммутационных лепестков лежат в области дей­ствительных углов.

Коммутационные лепестки суммируются с диаграм­мой направленности эквивалентной непрерывно возбуж­денной антенны без коммутационных фазовых ошибок и образуют дополнительные боковые лепестки диаграммы направленности решетки, обусловленные дискретным характером работы фазовращателей.

Суммируемые члены рядов (3.27), если их рассматри­вать как функции углов θ, φ, имеют явно выраженный главный лепесток, направление максимума которого оп­ределяется формулами (3.29). При численных расчетах дополнительных боковых лепестков, обусловленных ком­мутационными фазовыми ошибками, каждый из сумми­руемых членов в (3.27) достаточно рассчитать в преде­лах соответствующего главного лепестка. Если при h=±l направление максимумов , , коммута­ционных лепестков отличается от направления , не менее чем на три-четыре ширины основного лепестка решетки, то формулы (3.29), а также выражение (3.31) с достаточной степенью точности определяют направленние и уровень дополнительных боковых лепестков диа­граммы направленности коммутационных линейных и плоских решеток.

Наличие дополнительных боковых лепестков, обуслов­ленных коммутационными фазовыми ошибками, являет­ся недостатком решеток рассматриваемого типа. Одним из очевидных способов снижения их уровня является уменьшение величины дискрета изменения фазы Д путем использования более сложных многопозиционных фазо­вращателей.

Из теорий коммутационных решёток следует, что уро­вень указанных лёпестков может быть уменьшен за счет нарушения периодичности распределения коммутацион­ных фазовых ошибок. В рассмотренных выше коммутационных решетках периодический характер распределе­ния коммутационных фазовых ошибок обусловлен линей­ными начальным и требуемым фазовыми распределения­ми. Периодичность коммутационных фазовых ошибок мо­жет быть устранена путем создания нелинейных началь­ных фазовых распределений.

Нелинейные начальные фазовые распределения реа­лизуются различными способами. Например, в линейных решетках с последовательной схемой распределения мощ­ности нелинейное начальное фазовое распределение меж­ду излучателями может быть создано изменением фазо­вой скорости волн, распространяющихся в питающем фи­дере. Нелинейный характер начального фазового распре­деления имеет место при квазиоптической схеме питания (см. рис. 3.4), когда начальное фазовое распределение является приблизительно квадратичной функцией коорди­нат (3.18), (3.19).

При квадратичном изменении начального фазового распределения величины F_10, F_x0, F_y0 определяются сле­дующими выражениями:

Равномерное амплитудное распределение в решетке

Косинусоидальное амплитудное распределение в решетке

, (3.34)

где S(z), С (z) — интегралы Френеля; b_h = a Знак «плюс» в (3.33), (3.34) соответствует индексу h>0, знак «минус» - индексу h<0.

В приведенных формулах использованы следующие обозначения:

Линейные решетки

F₁=F₁₀=F₀, u=u_1ph.

Плоские решетки

F_x=F_x0=F₀, u=u_2ph,

d==d_x, N=N_x; F_y=F_y0=F₀,

u=u_2th, d=d_y, N=N_y.

Величины u_1ph, u_2ph, u_2th определяются выражениями (3.28), в которых необходимо положить γ=γ_x=γ_y = 0.

Выражения (3.23), (3.24) соответствуют начальному фазовому распределению такого вида:

Линейные решетки

Плоские решетки

Предполагается, что точка начала отсчета фазы на­ходится в середине линейной решетки и в точке пересе­чения диагоналей прямоугольника, внутри которого раз­мещаются излучатели плоской решетки.

Степень подавления коммутационных лепестков уве­личивается с ростом величины а².

Например, для схем квазиоптического типа согласно (3.18), (3.19) имеем

где

Поскольку обычно а==0,6 1, то из выражения (3.35) следует, что при увеличении размеров раскрыва решетки с указанной схемой распределения мощности коммута­ционные лепестки, а следовательно, и дополнительные боковые лепестки диаграммы направленности, уменьша­ются.

3.5. Скачки луча коммутационной решетки

Главный максимум диаграммы направленности экви­валентной антенны без коммутационных фазовых ошибок ориентирован точно в заданном направлении θ_гл. При наличии в непосредственной близости от него коммута­ционных лепестков максимум их суммы, т. е. максимум диаграммы направленности решетки, несколько смещается относительно направления θ_гл. Это смещение, обу­словленное коммутационными фазовыми ошибками, опре­деляет погрешность установки луча решетки в заданном направлении. Величина погрешности зависит от уровня коммутационных лучей и, следовательно, от дискрета изменения фазы Δ. Кроме того, на точность установки луча влияет положение точки начала отсчета фазы. Так, например, при выборе в качестве начальной точки коор­динаты одного из крайних излучателей линейной решетки точность установки луча оказывается в четыре раза вы­ше по сравнению с положением отсчета фазы в центре решетки [ЛО 10].

Точность установки луча непосредственно связана с его скачкообразным движением, обусловленным ди| скретным изменением фазы. Средняя величина скачка при расположении начальной точки в центре решетки

Необходимо также отметить, что при одной и той же скорости движения луча частота переключений крайних фазовращателей будет различной, в зависимости от по­ложения точки начала отсчета фазы [ЛО 10]. Это следует учитывать при оценке необходимого быстродействия фа­зовращателя.

3.6. Коммутационные фазовращатели

Основным элементом антенн рассматриваемого типа являются коммутационные фазовращатели. В острона­правленных сканирующих решетках их количество может достигать несколько десятков тысяч штук. При этом рас­стояние между фазовращателями обычно лежит в преде­лах

Коммутационные фазовращатели должны иметь вы­сокий к. п. д., достаточную электрическую прочность, стабильность характеристик и потреблять минимальную мощность, необходимую для управления их работой.

Кроме того, предъявляются следующие требования к конструктивным характеристикам фазовращателей:

1. Простота конструкции и технологичность. 2. Малые габариты и вес. 3. Надежность.

Управляемые элементы фазовращателей, обеспечи­вающие изменение фазы, могут быть выполнены на основе ферритов, сегнетоэлектриков, устройств, в которых используется газовый разряд, и полупроводников.

Описание некоторых типов фазовращателей имеется в [ЛО 9, ЛО 10].

Ниже дается описание конструкций коммутационных фазовращателей сантиметрового диапазона волн, управ­ляемым элементом которых является резонансная щель, коммутируемая pin-диодом. Свойства диодов указанного типа описаны в [Л 4].

Рис. 3.9. Коммутируемая резонансная щель: а щелевой модуль; б — схема включения pin-диодов; в — волноводный ком­мутатор СВЧ мощности; г - эквивалентная схема волноводного коммутатора.

Наличие диода эквивалентно включению в центре ще­ли некоторой емкости. Поэтому для настройки в резонанс щель необходимо укоротить. Это укорочение в среднем составляет примерно 25% от резонансной длины щели без диода.

Полупроводниковые диоды размещают попарно меж­ду краями щели в соответствии со схемой, представлен­ной на рис. 3.9,6. Подобная Щель с диодами, прорезан­ная в поперечной перегородке цилиндрического волново­да (см. рис. 3.2,в), в обесточенном состоянии пропускает электромагнитную энергию, поступающую от генератора, с малыми потерями, в то время как при пропускании то­ка через диоды большая часть энергии падающей волны отражается обратно к генератору. В дальнейшем щель с обесточенными диодами будет называться незамкнутой, а щель по диоду которой протекает ток — замкнутой.

В качестве примера ниже приводятся характеристики резонансной щели с полупроводниковыми диодами одного из существующих в настоящее время типов. Указанные ха­рактеристики соответствуют щели, размещенной на попе­речной перегородке в прямоугольном волноводе с размера­ми поперечного сечения при частоте f = 9375 Мгц (λ=3.2 см). Размеры пары диодов Размеры щели . Коэффициент про­хождения в обесточенном состоянии — 0,4 дб; при про­пускании тока —20 дб. Предельная пропускаемая мощ­ность: импульсная 5 квт, средняя 10 вт. Ток управления 100 ма.

На эквивалентной схеме волновод с коммутируемой диафрагмой, о которой шла речь, изображается в виде двухпроводной линии с параллельно включенным в нее переменным активным сопротивлением (см. рис. 3.9,г), которое под действием управляющего тока может ме­няться от до . Отношение

называемое «качеством», является одной из основных .ха­рактеристик полупроводниковых коммутационных дио­дов, определяющей свойства дискретно-коммутационных фазовращателей (к, п. д., точность установки фазы и т. д.). Существующие pin — диоды характеризуются ве­личиной параметра К, изменяющейся в пределах 250-1000.

Одним из фазовращателей, в котором используются коммутируемые резонансные щели, является фазовраща­тель так называемого отражательного типа (рис. 3.10). Он состоит из закороченного на одном конце отрезка вол­новода, в котором на определенном расстоянии друг от друга расположены поперечные перегородки с коммути­руемыми щелями. Приходящая со стороны незакороченного конца отрезка волновода электромагнитная волна, отражается от одной из перегородок с замкнутой, с по­мощью диода, щелью. При этом диоды в остальных пе­регородках обесточены. Если теперь пропустить ток через другой диод, а остальные диоды обесточить, то фаза от­раженной волны на открытом конце отрезка волновода изменится из-за изменения пути, проходимого волной внутри волновода. В том случае, когда перегородки рас­положены на одинаковом расстоянии друг от друга, наименьшая величина скачка фазы будет равна

где l₀ — расстояние между перегородками; γ — замедле­ние фазовой скорости.

Выход и вход в фазовращателе рассматриваемого ти­па оказываются совмещёнными.

Рис. 3.10. Коммутационные фазовращатели: а - отражательный; б - проходной на волноводном мосте (1 — волноводный мост; 2 — отражательные фазовращатели).

Количество перегородок ν с коммутируемыми щелями связано с величиной Δ следующим соотношением:

Минимальные потери в фазовращателе при М_ф≤8 приближенно могут быть оценены по формуле [1]

Описанный фазовращатель может быть использован как самостоятельное устройство или как отдельный узел в фазовращателе проходного типа с раздельным входом и выходом. Подобный фазовращатель состоит из трехдецибельного волноводного моста (рис. 3.10,б) и двух отражательных фазовращателей, соединенных с соответствующими плечами моста. Принцип действия трехдецибельного волноводного моста описан в [Л 2]. Подобный фазовращатель имеет механический аналог [ЛО 9], в ко­тором отражательным фазовращателям соответствуют отрезки волноводов с подвижными короткозамыкающими поршнями. Синхронное перемещение поршней обес­печивает плавное изменение фазы на выходе фазовраща­теля.

В коммутационном фазовращателе синхронное пере­ключение перегородок с диодами соответствует скачкооб­разному перемещению поршней в механическом аналоге.

Наименьшая величина фазового скачка в подобном фазовращателе определяется формулой (3.37), а число перегородок с коммутируемыми щелями в каждом из двух отражательных фазовращателей — формулой (3.38).

Минимальные потери в данном случае также могут быть рассчитаны по формуле (3.39).

Рис. 3.11. Коммутационный фазовращатель ответвляющего типа: а — общий вид фазовращателя; б — излучающие щели; в — проходной фазо­вращатель 0—π.

Другим типом, который можно назвать «ответвляю­щим», является фазовращатель, изображенный на рис. 3.11. Принцип его действия состоит в следующем. В питающем волноводе 1 возбуждается бегущая волна. Через коммутируемые щели 2, 3, 4, 5 питающий волновод связан с отрезком волновода 6, в торце которого на зако­рачивающей стенке прорезаны наклонные щели. При ра­боте фазовращателя всё щели связи замкнуты, кроме одной, которая возбуждает электромагнитные колебания в отрезке волновода 6. Фаза возбуждаемых колебаний за­висит от номера незамкнутой щели, так как щели связи разнесены вдоль оси питающего волновода и фаза их возбуждения совпадает с фазой бегущей волны в месте расположения щелей. Для направления движения волны в питающем волноводе и нумерации щелей, показанных на рис. 3.11,а, фаза колебаний, возбуждаемых в отрезке волновода 6 незамкнутой щелью, в зависимости от номе­ра щели равна:

щель 2 щель 3

щель 4

щель 5

Энергия волны, возбуждаемой в отрезке волновода 6, излучается одной из наклонных щелей 7, 8, коммутируе­мых полупроводниковыми диодами. Для уменьшения по­ляризационных потерь угол наклона щелей берется не­большим, порядка 5-10°. Вследствие малого угла на­клона преобладает по величине одна из составляющих пода щели, а именно — составляющая Е_х. Указанная со­ставляющая является рабочей. Другая составляющая поля является вредной и ее следует всячески уменьшать путем уменьшения угла наклона щелей. Составляющие поля Е_х имеют противоположное направление, поэтому при переключении щелей фаза излученного поля, соответствующая компоненте Е_х, изменяется на 180°. При переключении щелей связи и излучающих наклонных ще­лей происходит дискретное измене фазы ноля излуче­ния. Если расстояние между щелями связи равно то согласно (3.40) Ф₂=0, Ф₃=45°, Ф₄= 90°, Ф₅=135°, т. е. переключение щелей связи позволяет менять возбуждение волновода 6 скачком через 45°. За счёт переключения на­клонных излучающих щелей к каждому из приведенных выше фазовых сдвигов можно добавить фазовый сдвиг ве­личиной 180°. Таким образом, данный фазовращатель обеспечивает изменение фазы скачком на 45°. Если вместо четырех щелей взять три или две щели связи и располо­жить их вдоль оси питающего волновода на расстоянии соответственно и , то получим фазовращатели с изменением фазы скачком на 60 и 90°. Количество ком­мутируемых щелей фазовращателя данного типа равно

Отрезок волновода 6 с уменьшенным размером узкой стенки является четвертьволновым трансформатором. Ве­личина его коэффициента трансформации, а также угол наклона щелей связи выбираются из условия получения максимальной величины к. п. д. и требуемой величины связи с питающим волноводом.

Следует отметить, что отрезок волновода 6 с наклон­ными щелями и четвертьволновым трансформатором можно использовать как самостоятельный проходной фа­зовращатель с дискретом изменения фазы 180°. В этом случае величина коэффициента трансформаций определя­ется из условия согласования.

Минимально достижимые потери в описанном выше фазовращателе определяются формулой (3.39)

3.7. Конструктивные схемы коммутационных решеток

Одним из простейших типов коммутационных решеток является решетка, составленная из отражательных фазо­вращателей (рис. 3.12) и облучаемая первичным облуча­телем.

Другим типом комму­тационных решеток, в ко­торых используются отра­жательные фазовращате­ли, является решетка, изо­браженная на рис. 3.13.

Рис. 3.12: Коммутационная отражательная решетка: 1 — рупорный облучатель; 2 — отражательная решетка.

Данная решетка соот­ветствует последователь­ной схеме распределения энергии с параллельным включением фазовраща­телей. Характерной осо­бенностью в данном слу­чае является использова­ние направленных эле­ментов связи — крестообразных щелей 2. За счет направленной связи извлечённая из питающего волновода 1 энергия направ­ляется в сторону отражательного фазовращателя 3, а затем излучается через открытый конец волновода. При этом некоторая часть энергии попадает обратно в питающий волновод. Величина связи каждого излуча-

Рис. 3.13. Отражательные фазовращатели в коммутационной решетке с последовательным распределением мощности СВЧ.

теля-фазовращателя зависит от требуемого амплитудно­го распределения и определяется по формулам (3.2). Принцип действия крестообразного направленного ответвителя описан в [Л. 3].

Рис. 3.14. Коммутационная решетка с фазовращателями на волноводных мостах: 1 — питающий волновод; 2 — волноводные мосты; 3—отражательные фазо­вращатели; 4 — излучатели открытые концы волноводов; 5 — элементы связи.

Рис. 3.15. Линейная коммутационная решетка с фазовращателями ответвляющего типа.

Решетка с проходными фазовращателями на волноводных мостах представлена на рис. 3.14. В качестве эле­ментов связи здесь могут быть использованы круглые от­верстия, щели и т. д.

Рис. 3.16. Плоская коммутационная решетка с фазовращателями ответвляющего типа.

Рис. 3.17. Распределитель плоской коммутационной решетки.

Рис. 3.18. Коммутационная решетка с фазовращателями на волноводных мостах и распределителем в виде свернутого рупора: 1 — отражательные фазовращатели; 2 - волноводные мосты; 3 — свернутый рупор.

Отличительной особенностью коммутационных реше­ток с фазовращателями ответвляющего типа (рис. 3.15) является то, что питающий фидер используется не только для распределения энергии между излучателями, но и для создания управляемых фазовых сдвигов, так как он является неотъемлемой частью фазовращателя.

Рис. 3.19. Плоская сканирую­щая антенная решетка.

Рис. 3.20. Антенная система с плоской сканирующей решет­кой в качестве вспомогатель­ного зеркала.

Из линейных решеток, изображенных на рис. 3.14, 3.15, можно набрать пло­ские двумерные решетки. На рис. 3.16 показана пло­ская решетка с фазовраща­телями ответвляющего типа, набранная из отдельных ли­нейных решеток. Распреде­ление энергии между линей­ными решетками осущест­вляется с помощью резо­нансного распределителя 2, который состоит (рис. 3.17) из отрезков волноводов, за­короченных с одного конца и связанных через резонанс­ные щели с питающим вол­новодом, также закорочен­ным с одного конца. Рас­стояние в отрезках волново­дов от закороченных стенок до щели связи и от центра последней щели до закора­чивающей стенки питаю­щего волновода разветвителя . Размеры питающе­го волновода выбираются такими, чтобы расстояние между щелями связи в пи­тающем волноводе было равно половине длины вол­ны в этом волноводе. Поворот щелей связи относитель­но осевой линии питающего волновода выбирается из условия согласования и получения требуемого ампли­тудного распределения.

Для распределения энергии между линейными решет­ками может быть использован также свернутый рупор.

На рис. 3.18 показана коммутационная решетка ква­зиоптического типа с проходными фазовращателями на

Рис. 3.21. Макет 9-элементной скани­рующей решетки из керамических стержневых излучателей: а - стержневая антенна; б – подстроечный статический фазовращатель; в — управляемый фазовращатель; г – распределитель мощности.

волноводных мостах. Облучателем решетки в данном слу­чае является секториальный рупор. Другие конструкции коммутационных решеток представлены на рис. 3.19- 3.21.

3.8. Порядок расчета

Обычно бывают заданными к. н. д. или ширина диа­граммы направленности, сектор сканирования, уровень боковых лепестков и точность установки луча.

Заданная величина уровня боковых лепестков и тре­буемая точность установки луча определяют величину дискрета изменения фазы, т. е. число позиций фазовра­щателей, и амплитудное распределение в решетке.

По заданным значениям к. н. д. или ширины диаграм­мы направленности, выбранному амплитудному распре­делению, а также величине сектора, сканирования с по­мощью формул табл. 3.1, а также (3.3), (3.4) определя­ются размеры антенны. По величине сектора сканирова­ния по формулам (3.7)—(3.9) находится расстояние меж­ду излучателями и число фазовращателей.

При определении числа позиций диекретно-коммутационных фазовращателей по максимальному уровню бо­ковых лепестков целесообразно представить заданное значение уровня боковых лепестков в виде суммы двух слагаемых, одно из которых принимается за максималь­ный уровень коммутационных лепестков, а другое — за уровень боковых лепестков антенны без коммутацион­ных фазовых ошибок. Тогда по величине первого слагае­мого по формулам (3.29), (3.31) можно будет определить Δ, по величине второго - характер амплитудного распре­деления в решетке согласно данным табл. 3.1.

Максимальный уровень коммутационных лепестков выбирается таким, чтобы число требуемых позиций фазовращателя было меньшим. Это позволяет использо­вать наиболее простые по конструкции фазовращатели. С другой стороны, нельзя брать слишком малым второе слагаемое, т. е. уровень боковых лепестков идеальной ан­тенны, так как в антенне потребуется использовать рез­ко спадающие к краям распределения амплитуд, что при­ведет к необходимости увеличить размеры решетки для обеспечения заданной ширины диаграммы направленно­сти или величины к. н. д.

В зависимости от конкретных требований к антенной решетке в каждом случае находится компромиссное ре­шение.

Далее выбирается схема распределения энергии и включения фазовращателей, тип фазовращателей, излу­чателей, элементов связи и т. д., производится расчет этих узлов, диаграммы направленности и разрабатыва­ется конструкция.

Литература

1. «Современные проблемы антенно-волноводной техники». Сб. статей под ред. А. А. Пистолькорса. Изд-во «Наука», 1967.

2. Власов В. И., Берман В. И. Проектирование высокочастотных узлов радиолокационных станций. Судпромгиз, 1961.

3. Фрадин А. 3., Рыжков К. В. Измерение параметров антенн. Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1962.

4. «Устройства СВЧ с полупроводниковыми приборами». Проек­тирование и расчет. Под ред. Мальского И. В. и Сестрорецкого Б. В. Изд-во «Советское радио», 1969.

Глава 4