Секторное сканирование путем смещения точечного облучателя

Принцип действия сканирующих устройств этого типа поясняется на рис. 2.2, а.

Рис. 2.2

При поперечном по отношению к фокальной оси FO смещении облучателя из фокуса зеркальной антенны на величину х₀раскрыв перестает быть синфазным, а фазовое распределение поля на нем принимает вид (рис. 2.2, б):

.

За счет этого главный лепесток амплитудной диаграммы направленности отклоняется от нормали к раскрыву на угол q_т в сторону, противоположную смещению облучателя:

. (2.3)

Помимо линейной составляющей в фазовом распределении имеют место фазовые ошибки второго и третьего порядков, обусловленные нестрогим выполнением всех условий, при которых получена формула (2.3). Фазовые ошибки приводят не только к искажению смещенной АДН (расширению главного и увеличению уровня боковых лепестков, асимметрии результирующей АДН), но и к изменению положения главного максимума по сравнению с расчетной величиной q_т. Для учета этого изменения формулу (2.3) записывают в виде:

. (2.4)

где коэффициент редукции k_ред, зависящий от относительного размера a₀/f, как правило, равен 0,8…0,9.

Аналогичные результаты получаются и при выносе из фокуса облучателя линзовых антенн. Поскольку наклон q_т главного лепестка пропорционален смещению х₀ облучателя, то, меняя положение последнего, можно изменять направление главного максимума АДН зеркальной (линзовой) антенны.

В обычных параболических зеркальных антеннах имеется только одна поверхность, изменяющая путь луча, которая должна удовлетворять условию фокусировки. Поэтому в таких антеннах сканирование в секторе, в несколько раз превышающем ширину главного лепестка, связано с появлением значительных искажений характеристики направленности. Для увеличения этого сектора используются сферические или сферопараболические зеркальные антенны, которые позволяют осуществлять сканирование в секторе »100°. Однако такие зеркала имеют на раскрыве квадратичную фазовую ошибку (профиль зеркала является не параболой, а окружностью) и очень низкий КИП (»0,2), так как одновременно может быть использовано около одной трети площади зеркала.

Более удобным является применение для сканирования двухзеркальных антенн. Благодаря наличию двух зеркал кроме выполнения условия фокусировки удается существенно уменьшить нечетные фазовые ошибки путем увеличения эффективного фокусного расстояния. Это делает возможным качание луча в секторе, в несколько раз большем, чем в однозеркальных антеннах. Качание луча производится путем механического качания малого зеркала или смещения облучателя. Так, система со сферическим большим зеркалом обеспечивает качание луча в секторе 90° при КИП³0,7. Кроме того, при наличии двух зеркал можно рассчитать их поверхности, так чтобы полностью скомпенсировать фазовые искажения в раскрыве для двух положений облучателя, симметричных относительно фокальной оси, и значительно уменьшить эти искажения для промежуточных положений облучателя. Такие системы, называемые апланатическими, позволяют путем смещения облучателя обеспечить неискаженное качание ДН в широких пределах.

Вид сканирования определяется законом перемещения облучателя. При вращении облучателя в фокальной плоскости по окружности радиуса х₀ направление главного максимума АДН также будет вращаться, описывая коническую поверхность с углом 2q_т при вершине (коническое сканирование). Вершина конуса совпадает с фазовым центром зеркала (радиолинзы), а его высота – с оптической осью антенны. Очевидно, что мощность, излучаемая или принимаемая антенной в направлении оптической оси, при коническом сканировании не меняется во времени в отличие от мощности в других направлениях. Поэтому направление, задаваемое оптической осью зеркальной (линзовой) антенны, называют также равносигнальным.

Если облучатель зеркальной (линзовой) антенны совершает возвратно-поступательное движение вдоль линии, перпендикулярной фокальной оси, и х₀ – максимальное отклонение облучателя, то направление главного максимума АДН "качается" в той же плоскости, что и облучатель, с наибольшим отклонением q_т, т.е. при таком движении облучателя реализуется плоскостное секторное сканирование с шириной сектора 2q_ск=2q_т.

Возвратно-поступательное движение облучателя при плоскостном секторном сканировании неудобно для реализации. В сканерах Льюиса и роторном плоскостное секторное сканирование обеспечивается путем вращения точечного облучателя.

Сканер Льюиса

Сканер Льюиса ("улитка"), представленный на рис. 2.3 построен на базе геодезической линзы. Штриховой линией отмечено положение проекции "горба" радиолинзы. Отрезок АВ (рис. 2.3, а) представляет собой траекторию возвратно-поступательного вращения облучателя. С помощью плоского зеркала, введенного в плоскую часть радиолинзы (рис. 2.3, б), дуга АВ радиуса f выносится на боковую поверхность рупора (дуга А'В' является зеркальным изображением дуги АВ). Для преобразования возвратно-поступательного движения облучателя во вращательное плоская начальная часть рупора сворачивается в конус (рис. 2.3, в). При этом дуга А'В' превращается в окружность в основании конуса. Полный цикл качания по пилообразному закону реализуется за один оборот облучателя. С помощью сканера Льюиса можно обеспечить сканирование в секторе до 30°.

Рис. 2.3

Роторный сканер

Роторный сканер (рис. 2.4) состоит из двух систем волноводов – неподвижной (статора) и подвижной (ротора). Ротор сканера представляет собой волноводный или рупорный облучатель, возбуждающий одновременно 2–4 соседних волновода статора. Волноводы статора имеют одинаковую длину и изогнуты так, что при вращении ротора максимум амплитудного рас-

Рис. 2.4

распределения перемещается по дуге АВ. За один оборот ротора обеспечивается полный цикл качания АДН. Достоинством роторного сканера по сравнению со сканером Льюиса являются малые габариты. Однако в роторном сканере значительны потери мощности.

2.2.2. Секторное сканирование путем перемещения
линейного облучателя

Возможности сканеров, использующих перемещение точечного облучателя, ограниченны. При увеличении выноса облучателя (для расширения сектора сканирования) возрастают фазовые ошибки, что приводит к существенному искажению АДН. На практике не удается получить сектор сканирования, превышающий 40°. От этого недостатка свободны ЭМСУ, использующие перемещение линейного облучателя. Основная идея, положенная в основу устройств этой группы, иллюстрируется на рис. 2.5.

Рис. 2.5

Линейный облучатель (многощелевая антенна, секториальный рупор и т. п.) возбуждает плоский волновод трапецеидальной формы. Длина лучей от возбуждающего до излучающего раскрыва (штриховые линии) неодинакова, вследствие чего поле на излучающем раскрыве имеет линейное фазовое распределение. Для уменьшения габаритов плоский волновод можно свернуть в конус.

Эта идея реализована в сканере Фостера, который представляет собой два соосных усеченных конуса (рис. 2.6, а). Внешний конус является статором, а внутренний – ротором. Межконусное пространство образует волновод (ср. с рис. 2.5), возбуждаемый облучателем с равномерным фазовым распределением. Неподвижный облучатель располагается вдоль образующей статора. Электромагнитная волна распространяется в межконусном пространстве и излучается через линейный раскрыв, прорезанный вдоль образующей статора, расположенный диаметрально противоположно по отношению к облуча-

Рис. 2.6

телю. Так как основания усеченных конусов имеют разные диаметры, то длины путей различных лучей в межконусном пространстве, как и в волноводе на рис. 2.5, неодинаковы. В результате поле на излучающем раскрыве имеет линейное фазовое распределение. На роторе закрепляется гребенка плоских зеркал, направляющих волну по пути, показанному на рис. 2.6 пунктирной линией. Очевидно, что при вращении ротора длины путей изменяются, что приводит к изменению крутизны фазового распределения поля на раскрыве и, следовательно, к качанию луча. Недостатком этого варианта конусного сканера является необходимость прецизионной установки плоских зеркал на роторе, вращающихся вместе с ним с большой скоростью. Указанного недостатка лишен вариант, показанный на рис. 2.6, б. Здесь вместо роторных зеркал применена запирающая канавка, прорезанная вдоль направляющей ротора, однако облучатель в этом варианте помещается внутри ротора и является подвижным, что требует применения вращающегося сочленения.

Общим недостатком конусных сканеров являются большие габариты роторов (что затрудняет получение высоких скоростей сканирования), а также жесткие требования к их установке и регулировке. Фазовые ошибки в данном случае малы, что позволяет получить значительный (до 90°) сектор сканирования.