Фазовый способ качания луча

При использовании названного способа фаза излучателей изменяется по заданному закону с помощью электрически управляемых фазовращателей, линий задержки и других фазосдвигающих устройств. Изменение фазового сдвига между излучателями (величины a) приводит к изменению направления главного максимума ДН решетки.

При последовательной схеме на участках питающей линии между соседними излучателями включены одинаковые фазовращатели (рис. 2.8, а), поэтому для управления ими нужен только один сигнал. Система управления решеткой весьма проста, что является основным достоинством последовательной схемы.

Параллельная схема может иметь фидерное (см. рис. 2.8, б) или пространственное (см. рис. 2.9) питание. Ее основной недостаток – сложность системы управления, так как каждый фазовращатель должен управляться по своему закону.

Нетрудно показать, что чем уже диаграмма направленности ФАР, тем большее изменение фазы требуется при сканировании. Если, например, сектор сканирования превышает ширину диаграммы в 20 раз, то фаза в крайних излучателях должна изменяться от -1800° до +1800°. Осуществить такие изменения фазы технически весьма сложно. Обычно применяют фазовращатели с изменением фазы до 2p. При этом для управления фазовым распределением в решетке используют схемы со "сбросом" фазы на величину, кратную 2p (рис. 2.13). Управление фазой может осуществляться как непрерывно (см. рис. 2.13, а), так и дискретно (см. рис. 2.13, б). Использование "сброса" фазы дополнительно усложняет схему управления. Кроме того, имеется и принципиальный недостаток – решетка становится узкополосной.

В целях обеспечения двумерного качания луча применяют различные комбинации устройств с одномерным качанием. Для управления решеткой может быть использована схема автонмного (индивидуального) управления

Рис. 2.13

либо схема управления по строкам и столбцам (строчно-столбцевая система фазирования).

2.3.2.4. Временной способ сканирования.
Широкополосные ФАР

В настоящее время в связи с применением в радиолокации широкополосных сигналов и необходимостью перестройки РЛС по частоте в широком диапазоне волн весьма актуальна задача увеличения полосы пропускания ФАР. Помимо создания необходимой полосы пропускания по входному сопротивлению необходимо обеспечить также диапазонность ФАР по направленным свойствам.

Для обеспечения частотно-независимого сканирования применяется временной способ, который можно рассматривать как разновидность фазового способа сканирования. При этом в каждом из каналов решетки устанавливаются управляемые линии задержки (УЛЗ). Если время задержки , то сигналы, принятые отдельными излучателями с направления , в общем фидерном тракте будут полностью совмещены во времени. Это обеспечивает широкополосность ФАР как по положению направленияглавного максимума, так и по форме сигнала.

Реализация временного способа сканирования на несущей частоте связана с необходимостью выполнения требования малых потерь и высокой точности регулировки УЛЗ. Данную проблему можно решить, перенеся процесс управления фазовым распределением (фазирование) на промежуточную частоту.

Схема приемной ФАР такого типа приведена на рис. 2.14. УЛЗ включены в выходную цепь промежуточной частоты. В этом случае допустимо использование линий задержки со значительно большими потерями и меньшей

Рис. 2.14

точностью регулировки. Последнее связано с тем, что неточности регулировки времени задержки вносят на промежуточной частоте фазовые ошибки в раз меньшие, чем на высокой частоте . Однако при использовании линий задержки на про-

межуточной частоте в схему необходимо добавлять управляемые фазовращатели, которые компенсируют набег фазы (одинаковый на каждом модуле) при запаздывании во времени сигналов, принятых соседними излучателями.

Варианты размещения излучателей в раскрыве ФАР

Возможны различные варианты размещения элементов фазированной антенной решетки в излучающем раскрыве. С геометрической точки зрения, наиболее естественно размещать элементы (точнее, их фазовые центры) в узлах прямоугольной (рис. 2.15, а) или треугольной (гексагональной, рис. 2.15, б) сетки. В обоих случаях фазовые центры излучателей располагаются на одинаковых расстояниях и равномерно покрывают раскрыв, т.е. на каждый элемент (за исключением расположенных вблизи границы раскрыва) приходится одна и та же часть площади раскрыва – прямоугольник с площадью для прямоугольной сетки и шестиугольник с площадью для треугольной сетки. При этом расстояния между элементами не должны быть меньше поперечных габаритных размеров излучателей.

Расстояние между элементами определим из условия обеспечения единственности главного максимума :

, (2.9)

где – положение главного максимума.

Рис. 2.15

Воспользуемся методом эквивалентной линейной решетки. Согласно этому методу ДН двумерной ФАР в произвольной плоскости равна ДН эквивалентной линейной решетки, представляющей собой отрезок прямой в пределах раскрыва с излучателями, местоположение которых определяется путем проекции координат реальных излучателей на эту прямую (см. рис. 2.15, а) с сохранением амплитуд и фаз возбуждения. Очевидно, что для отсутствия побочных лепестков при сканировании в плоскости необходимо, чтобы расстояния между излучателями в эквивалентной линейной решетке удовлетворяли условию единственности главного максимума для максимального угла сканирования .

Для прямоугольной сетки (см. рис. 2.15, а) наибольшие расстояния между элементами эквивалентных линеек излучателей обеспечиваются при и и равны соответственно d_x и d_y. Все остальные направления имеют более частое расположение излучателей. Отсюда следует, что требование единственности главного лепестка примет вид:

, (2.10)

где – максимальные углы сканирования в плоскостях (XZ) и (YZ) соответственно.

При следует использовать квадратную сетку d_x=d_y=d, в которой на один элемент решетки приходится площадь

. (2.11)

Для треугольной сетки (рис. 2.15, б) наиболее неблагоприятной является плоскость . Расстояние между элементами в соответствующей эквивалентной решетке наибольшее и равно .

Следовательно, при выборе расстояния а в треугольной решетке необходимо руководствоваться неравенством:

. (2.12)

На один элемент в решетке с треугольной структурой приходится площадь

, (2.13)

примерно на 15% превышающая площадь элемента в квадратной сетке ( ). Следовательно, размещение элементов ФАР в узлах треугольной сетки более экономно. Соответственно число элементов в треугольной сетке меньше, чем число элементов в решетке с прямоугольной сеткой ( – геометрическая площадь решетки). Увеличение площади, приходящейся на один элемент, в решетке с треугольной сеткой облегчает размещение фазирующих устройств вблизи облучателей, уменьшает взаимное влияние элементов. Однако при размещении излучателей в узлах треугольной сетки затрудняется управление фазой по строкам и столбцам. Поэтому в настоящее время используется преимущественно прямоугольная сетка.

С целью определения числа элементов в решетке можно получить удобные для инженерной практики оценочные формулы. Поскольку , то, например, для прямоугольной решётки получим:

. (2.14)

Учитывая в этом равенстве соотношение , при и после вычислений получаем:

. (2.15)

Например, при и находим, что .

Как уже отмечалось, помимо регулярного возможно и нерегулярное размещение излучателей в решетке. Последнее позволяет добиться практически полного подавления побочных главных максимумов при относительно небольшом числе слабонаправленных излучателей, которое во много раз меньше числа излучателей в ФАР с регулярной структурой. Этот способ аналогичен использованию линейных неэквидистантных антенных решеток. Серьезными недостатками разреженных решеток с нерегулярным расположением излучателей являются низкий коэффициент использования площади, а также необходимость индивидуального управления фазой каждого излучателя.