Сканирующие антенные решетки

Рассмотрим способы сканирования главного лепестка антенной решетки на примере системы идентичных излучателей, параллельных друг другу и расположенных на одной прямой. Предположим, что амплитуды токов в излучателях одинаковы, а фаза тока в любом излучателе отличается от фазы тока предыдущего излучателя на одну и ту же величину .

После суммирования полей отдельных излучателей получим, что множитель решетки будет описываться выражением вида:

. (8.13)

Максимум излучения в такой антенне имеет место для тех направлений в пространстве , для которых поля всех излучателей складываются в фазе, т.е. разность фаз полей излучателей, вызванная разностью хода лучей, полностью компенсируется разностью фаз токов излучателей. Это будет происходить при выполнении условия

, . (8.14)

Из выражения (8.14) получим уравнение качания луча:

, (8.15)

где - номер луча максимального излучения.

Из анализа соотношения (8.15) можно сделать вывод о том, что управление положением луча (сканирование луча) может осуществляться:

1) изменением частоты колебаний генератора или приемника;

2) изменением фазового сдвига между излучателя с использованием системы фазовращателей;

3) коммутацией излучающих элементов решетки (т.е. управлением шага между излучателями).

Эти способы управления могут реализовываться с помощью электрических переключений. В этом случае говорят об антеннах с электрическим сканированием луча. Электрически сканирующие антенны способны осуществлять безинерционный обзор пространства.

Если изменение фазового распределения осуществляется механическими фазовращателями или коммутаторами, то такие антенны относятся к антеннам с электромеханическим сканированием.

Частотно-сканирующие антенны конструктивно наиболее просты, но управление лучом в них, как правило, возможно только по одной координате.

Антенные решетки, в которых управление фазовым распределением осуществляется с помощью фазовращателей называются фазированными антенными решетками. Данный тип антенных решеток является наиболее распространенным. Для их реализации создан широкий спектр фазовращателей, реализующих непрерывный или дискретный способы управления фазовым распределением.

При непрерывном сканировании фаза плавно меняется в зависимости от управляющего воздействия – изменения тока или напряжения. При дискретном управлении фаза изменяется скачкообразно через определенное число градусов с дискретом . Дискретные фазовращатели можно получить из плавных, если на характеристике управления их фазой использовать ряд отдельных точек.

При дискретном фазировании решетки в направлении для каждого излучателя рассчитывается точное ("идеальное") значение фазы

. (8.16)

Здесь учтено, что решетка перпендикулярна оси z. Затем округляется до ближайшего целого числа дискретов по формуле

, (8.17)

где Е(х) ‑ операция округления (выделения целой части числа); q ‑ константа округления (обычно q= 0,5).

Величина дискрета выбирается обычно равной 2 /М, причем М=2^р, где p=1,2,3,4... . В этом случае для реализации любого фазового состояния (с дискретом ) в интервале требуется р разрядов проходного фазовращателя, причем каждый разряд с номером m (m=1,2,...р) находится в одном из двух состояний, характеризуемых вносимым фазовым сдвигом 0 или . Для управления каждым фазовращателем требуется р сигналов, принимающих условное значение 0 или 1.

Коммутационные антенны имеют и ряд недостатков, важнейшим из которых является наличие фазовых ошибок, возникающих в связи с тем, что фазы излучателей меняются только скачком, в связи счем в раскрыве АР реализуется ступенчатое фазовое распределение. Это влечет за собой снижение КНД решетки, рост уровня боковых лепестков, ошибку ориентации максимума луча относительно произвольного заданного направления, скачкообразное перемещение луча.

В частности, уменьшение КНД происходит до величины

, (8.18)

где D₀ – КНД решетки с "идеальным" фазированием.

Это равносильно снижению КИП до величины . При =45° КНД уменьшается до 0,95 своего исходного значения, т.е. на 5%.

Абсолютный уровень наибольших паразитных максимумов, обусловленных ступенчатым фазированием, составляет . Например, при уровень наибольшего паразитного лепестка составляет -9,6 дБ, а при -16,6 дБ.

Существует ряд методов уменьшения отрицательных последствий ступенчатого фазирования. К ним относятся метод нелинейной фазовой подставки (когда константа округления q изменяется по некоторому нелинейному закону), метод изменения константы округления по случайному закону, а также перенос ошибок округления из одного фазовращателя в соседний.

Активные ФАР.

Активная ФАР – многоэлементная сканирующая антенна, в тракт каждого излучателя которой (или группы излучателей) включены активные элементы: усилитель, синхронизируемый генератор, преобразователь частоты на активном приборе.

Антенное полотно состоит из однотипных излучателей (вибраторных, щелевых, рупорных, волноводных, спиральных и др.). Требуемый уровень излучаемой мощности и необходимое АФР сигналов, определяющее форму ДН, обеспечивается диаграммоформирующей схемой , показанной на рисунке 8.5, которая преобразует сигнал возбудителя Г в совокупность сигналов, поступающих на входы излучателей.

Диаграммообразующая схема АФАР состоит из активных элементов, фазирующей и распределительной систем. Элементы , относящиеся к каналу одного излучателя, часто конструктивно оформляют в виде единого модуля. В состав модуля могут входить излучатель с согласующими и развязывающими цепями (согласованный излучатель), активные элементы и фазовращатель. Если излучатели оформлены в виде самостоятельного узла, они не входят в состав модуля.

Активная часть модуля (активный модуль) – это цепочка активных элементов. Ими могут быть: усилительные, усилительно-умножительные каскады, синхронизируемые автогенераторы и преобразователи частоты на активных приборах. Принципиальные схемы активной части модулей зависят от диапазона частот, уровня мощности, режима работы и др. Стабильность амплитудно-фазовых характеристик АФАР обеспечивается высокостабильными элементами, цепями автоматической подстройки фазы и коэффициента усиления каждого модуля или схемотехническими решениями.

В состав АФАР входят также блоки управления лучом, формой ДН, питания, функционального контроля и ряд других. В основу построения АФАР положено три фактора:

‑ место расположения фазовращателей в канале каждого излучателя;

‑ число распределительных систем;

‑ наличие в активном модуле каскадов преобразования (умножения) частоты.

Так, в передающей АФАР для уменьшения потерь в тракте питания управляемые фазовращатели включены в цепи с низким уровнем ВЧ мощности.

Распределительная система АФАР бывает пассивной или активной. Пассивная РС строится по параллельной, последовательной или другой многоэтажной схеме с использованием различных типов делителей мощности (фидерное возбуждение) либо по оптической схеме (пространственное возбуждение). Активная РС предполагает включение на разных ее ступнях (этажах) усилительных каскадов.

Теория АФАР в значительной степени совпадает с теорией ФАР, однако для активной характерен ряд особенностей, связанных:

‑ с необходимостью учитывать наряду со свойствами излучающего полотна характеристики активных элементов, обычно нелинейные;

‑ с существенным ослаблением взаимной связи между входами излучателей по внутренним цепям СВЧ, обусловленным невзаимными свойствами усилительных каскадов модулей.

Преимущества АФАР по сравнению с пассивными ФАР:

‑ возможность получения высоких уровней мощности излучения при ограниченной мощности усилителей (генераторов) в каналах излучателей;

‑ значительно более высокое быстродействие из-за возможности применения маломощных фазовращателей и наличия дополнительной степени свободы для управления уровнем амплитуды на выходе активного модуля;

‑ более высокий КПД из-за снижения потерь мощности в распределительной системе и фазоращателях;

‑ повышенная эксплуатационная надежность за счет избыточности активных элементов.