Содержание к диссертации
Введение
1 Общие свойства кольцевых концентрических антенных решеток
1.1 Сравнение кольцевых концентрических антенных решеток с другими типами антенных решеток 11
1.2 Выводы 16
2 Кольцевые концентрические антенные решетки
2.1 Характеристики направленности кольцевых концентрических антенных решеток
2.2 Частотные характеристики кольцевых концентрических антенных решеток
2.3 Взаимодействие в кольцевых концентрических антенных решетках
2.4 Кольцевые концентрические антенные решетки с двумерным сканированием
2.5 Характеристики направленности кольцевых концентрических антенных решеток сверхкоротких импульсов
2.6 Минимизация уровня боковых лепестков „
2.7 Схемы возбуждения кольцевых концентрических антенных решеток
2.8 Выводы
3 Синтез кольцевых концентрических антенных решеток
3.1 Постановка задачи
3.2 Синтез амплитудного распределения в кольцевых концентрических антенных решетках 76
3.3 Расчет диаграммы направленности кольцевой концентрической антенной решетки с заданным уровнем боковых лепестков с помощью ряда Фурье-Бесселя 79
3.4 Расчет диаграммы направленности кольцевой концентрической антенной решетки с заданным уровнем боковых лепестков с помощью ряда Шлемильха 86
3.5 Выводы 90
4 Концентрический сферический волновод 91
4.1 Предварительные замечания 91
4.2 Уравнения поля в волноводе 91
4.3 Интегрирование волнового уравнения. Компоненты поля типа Е.
4.4 Выводы 112
Заключение 114
Литература 116
- Сравнение кольцевых концентрических антенных решеток с другими типами антенных решеток
- Характеристики направленности кольцевых концентрических антенных решеток сверхкоротких импульсов
- Расчет диаграммы направленности кольцевой концентрической антенной решетки с заданным уровнем боковых лепестков с помощью ряда Фурье-Бесселя
- Интегрирование волнового уравнения. Компоненты поля типа Е.
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Фазированные антенные решетки (ФАР) являются одним из наиболее перспективных типов антенн, находящих все большее применение в различных радиоэлектронных системах. Плоские антенные решетки наряду с преимуществами имеют ряд ограничений, затрудняющих их широкое использование; ограниченный сектор сканирования, узкая полоса, трудности, связанные с размещением излучателей с шагом порядка пол длины волны в полотне антенны и большая стоимость. Известны и ранее исследованы выпуклые ФАР (ВФАР), позволяющие расширить сектор сканирования, полосу и увеличить расстояние между элементами. Однако, при широкоугольном сканировании возникает необходимость коммутации излучающего полотна, поэтому их широкое применение ограничено.
Одной из важнейших задач современного развития теории и техники антенн является изыскание путей построения антенн, обладающих широким сектором сканирования, широкой полосой и числом элементов, приближающимся к теоретически минимальному [1]. В работе рассматриваются кольцевые концентрические антенные решетки (ККАР), позволяющие в определенной мере решить поставленную задачу. Кольцевые концентрические антенные решетки являются дальнейшим развитием ВФАР, которые были исследованы ранее и их положительные свойства известны [2]. Переход от выпуклых поверхностных решеток к выпуклым решеткам с пространственным размещением элементов позволил устранить основной недостаток ВФАР - необходимость коммутации излучающего сектора. При переходе к ККАР удалось сохранить диапазонность и широкополосность ФАР.
В одной из первых работ [4], посвященных ККАР и концентрическим эллиптическим антенным решеткам, приводится описание таких решеток как одной из возможных форм антенн без подробного анализа их характеристик. В работе отсутствует исследование характеристик, включая диапазонность, число элементов, а также исследование возможных преимущества и недостатков подобных антенн.
Ниже приводится обзор существующих работ в этой области.
Наиболее полно исследованы кольцевые решетки (КАР). Работы [2-5,21-27] посвящены теоретическому исследованию характеристик направленности, частотных свойств, ЭПР и других параметров КАР. В литературе также рассмотрены различные варианты построения КАР.
В [6] предложена плоская кольцевая антенная решетка из щелевых излучателей, создающая при любом виде поляризации излучаемых колебаний направленное излучение. Антенна возбуждается радиальным волноводом (РВ), имеющим две проводящие стенки в виде дисков, на одном из которых размещены щелевые излучатели, а на другом - отверстие для круглого возбуждающего волновода. Для возбуждающей системы в виде РВ рассмотрены два варианта возбуждения решетки: стоячей волной, если РВ экранирован кольцом и бегущей волной, если вместо экранирующего кольца использована согласованная нагрузка. В [6] описано антенное устройство, позволяющее осуществить электромеханическое сканирование в плоскости, ортогональной плоскости размещения излучателей.
В статьях [7,8] рассмотрена возможность моноимпульсной работы описанной выше конструкции антенной решетки. Для обеспечения возможности моноимпульсного сопровождения, щели расположены на концентрических окружностях в четырех 90 радиально волноводных секторах, возбуждаемых независимо друг от друга. В каждом из квадрантов распространяется основной тип волны в РВ.
Другой вариант построения КАР предложен в [9]. Антенная решетка состоит из одинаковых несимметричных вибраторов над экраном. На расстоянии четверти длины волны от вибраторов расположен цилиндрический отражатель. В отличии от предыдущих вариантов построения КАР, схема возбуждения обеспечивает широкоугольное сканирование в горизонтальной плоскости путем коммутации излучающего раскрыва.
В [10] рассматривается антенная решетка для навигационной системы TACAN. Антенная решетка состоит из одинаковых несимметричных вибраторов. Питание вибраторов осуществляется при помощи коаксиальных кабелей и формирующего блока, который состоит из цилиндрического резонатора, возбуждаемого в центре
коаксиальной линией. Верхняя стенка цилиндрического резонатора неподвижна, а нижняя - вращается. На нижней стенке цилиндрического резонатора размещены диэлектрические вставки для создания ДН специальной формы. Вращение нижней стенки цилиндрического резонатора обеспечивает поворот ДН по азимуту.
В [11] рассматривается антенна, образованная кольцевым волноводом. Излучатели (продольные полуволновые щели) размещены на внешней стороне кольца -широкой стенке волновода. Возбуждение щелей осуществляется штырями, которые помещаются в противоположной широкой стенке волновода и являются одновременно элементами крепления антенны к корпусу ракеты. Цилиндрическая антенная решетка, образованная кольцевыми волноводами рассмотрена в [12].
В [13] приводится описание конструкции ККАР, сканирующей в одной плоскости. Сканирование осуществляется в плоскости размещения излучателей. Решетка состоит из РВ, раскрыв которого для согласования со свободным пространством плавно переходит в цилиндрический рупор. Высота РВ равна половине длины волны. Для увеличения механической прочности и защиты излучающих элементов в раскрыве РВ расположен слой диэлектрика. Центральный излучатель возбуждается коаксиальной линией и имеет ненаправленную ДН в горизонтальной плоскости. Остальные излучатели образуют концентрические кольца. Формирование остронаправленного луча и сканирование достигается изменением фаз отдельных элементов за счет механического изменения длины питающих коаксиальных линий. Подробное исследование характеристик таких антенн отсутствует.
В [14] предложена конструкция антенны, состоящей из РВ, образованного двумя проводящими дисками, замкнутыми по краю металлической стенкой. Волновод возбуждается коаксиальным зондом в центре нижнего диска. Над верхним диском расположена печатная схема с концентрическими рядами излучающих отверстий. На периферии диска, ближайшего к наружной печатной схеме выполнено несколько концентрических рядов отверстий связи, имеющих меньшие размеры по сравнению с излучающими отверстиями.
Первым практическим применением кольцевой решетки в KB диапазоне с электромеханическим движением луча можно считать KB пеленгатор.
В [15] приводятся результаты экспериментального исследования пеленгатора, состоящего из восьми антенн, расположенных через равные промежутки вдоль окружности и имеющих одинаковые ДН, ориентированные вдоль радиуса. Подобная антенная система и результаты ее экспериментального исследования приведены в [16].
В литературе значительное внимание уделено построению систем возбуждения КАР [17-20].
В работе [17] рассматривается система возбуждения КАР, с использованием переменных линий задержки. Система возбуждения позволяет осуществить качание луча при соответствующем изменении задержки в пределах 360. Излучающие элементы равномерно располагаются на двух концентрических окружностях, так, что внутренние элементы лежат на биссектрисах углов между двумя соседними излучателями. Система возбуждения управляется с помощью двух колец, связанных кулисным механизмом. Линия задержки содержит несколько секций и соединяется с каждым излучателем.
В рассмотренных вариантах КАР широкоугольное электрическое сканирование достигалось коммутацией излучающего раскрыва. В работе [18] предложен другой способ управления ДН, при котором фазовый сдвиг между элементами изменяется во времени по закону Ф = pt. Так как напряженность поля в дальней зоне определяется выражением Ф = J~ ——— , то ДН будет вращаться с частотой р.
V 2 )
В [21] предложена кольцевая ФАР, позволяющая осуществлять широкоугольное неискаженное сканирование путем коммутации излучающего раскрыва и схема блока управления, реализующего сканирование в пределах 360.
В настоящее время вопросы теории и практической реализации однокольцевых фазированных антенных решеток достаточно хорошо изучены [2-5,22-25]. Интерес к КАР не ослабевает, и объясняется эффективным применением их в системах связи. В [26] рассматривается применение КАР в системах сотовой связи для реализации неизотропной схемно-пространственной мультиплексии (схемно-пространственное
сложение при излучении и приеме в секторе, соответствующем форме зоны обслуживания). На базе КАР возможно создание адаптивных антенно-фидерных устройств (АФУ) систем сотовой связи, позволяющих автоматически изменять свои характеристики с изменением пространственного положения абонентов.
В статье [27] приведено описание ФАР базовой станции сотовой связи. Антенная решетка состоит из четырех вибраторов над экраном. Один их вибраторов - активный, а остальные - пассивные. Антенна позволяет осуществлять поиск абонентов в горизонтальной плоскости в секторе 360. Управление лучом осуществляется переключением питания между элементами.
Приведенный обзор работ показывает, что наиболее полно исследованы одно-кольцевые фазированные антенные решетки и всего несколько публикаций посвящены ККАР. Наряду со значительными достижениями в этой области, нельзя считать, что исследование ККАР полностью завершено. Открытыми остаются вопросы, связанные с определением характеристик направленности ККАР, зависимости между числом элементов, необходимым для построения ККАР, и ее характеристиками. Отсутствуют исследования полосы и диапазонных свойств ККАР, а также возможных систем возбуждения.
С учетом вышеизложенного можно сформулировать основные цели и задачи диссертационной работы.
Цель и задачи работы
Целью диссертационной работы является исследование характеристик направленности, частотных свойств и возможных способов возбуждения ККАР. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи:
исследование характеристик направленности, полосы и шага излучателей в ККАР
разработка синтеза ККАР, обеспечивающих необходимые направленные свойства, включая минимизацию УБЛ
- определение возможных схем возбуждения ККАР, включая концентрический сферический волновод (КСВ) и исследование его характеристик
Методы исследования: вычислительные методы электродинамики, теории антенн, численные методы математического анализа, численное моделирование характеристик ККАР на ЭВМ и метод собственных функций теории регулярных волноводов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Выявлена возможность широкоугольного сканирования в азимутальной плоскости с минимальным числом элементов
Разработан синтез характеристик направленности сканирующих ККАР в азимутальной плоскости
Проведено исследование структуры поля в концентрическом сферическом волноводе
Практическая значимость результатов работы
Разработан математический аппарат и методика расчета характеристик сканирующих ККАР
На основе метода парциальных диаграмм развиты методики синтеза ККАР при использовании разложения Шлемильха и ряда Фурье-Бесселя
Предложено определение структуры поля и критических частот в концентрическом сферическом волноводе для выпуклых антенных решеток и ККАР
Рассмотрены возможные схемы возбуждения ККАР
Основные положения, выносимые на защиту
Характеристики ККАР и возможности применения их для построения широкополосных ФАР с широкоугольным сканированием
Решение задач синтеза ККАР с помощью ряда Фурье-Бесселя и разложения
Шлемильха - Возбуждающая система ККАР и выпуклых антенных решеток в виде КСВ
Апробация результатов работы и публикации Основные положения и результаты работы докладывались на 8 конференциях и опубликованы в 4-х статьях в журналах "Радиотехника" и "Антенны" и 8- и публикациях в форме тезисов к докладам.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 120 страниц текста. Список литературы включает 65 наименований на 5 страницах.
1 ОБЩИЕ СВОЙСТВА КОЛЬЦЕВЫХ КОНЦЕНТРИЧЕСКИХ
АНТЕННЫХ РЕШЕТОК
Сравнение кольцевых концентрических антенных решеток с другими типами антенных решеток
Существующие ФАР обладают трудностями в реализации: - малый шаг между излучателями затрудняет расположение излучателей и устройств возбуждения и управления; - с отклонением луча сужается полоса вследствие углочастотной чувствительности; - антенные решетки при сканировании имеют меняющиеся характеристики и, в отличии от теоретически известных зависимостей, имеют большее число элементов. В каждом конкретном случае возникает необходимость согласования излучателей в антенной решетке для используемого типа излучателей, их размещения, сектора сканирования и рабочей полосы частот. Построение широкополосной ФАР с широкоугольным сканированием связано с разработкой ее конструкции и выбором элементной базы, позволяющей реализовать заданные характеристики. Теория современных ФАР развивалась более 30 лет и к настоящему времени достигла достаточно современных методов анализа, терминологии, готовых инженерных оценок и т.д. Однако дальнейшее развитие ставит перед ФАР необходимость решения новых задач, что и стимулировало настоящую работу. Ниже предлагается рассмотреть антенные решетки, позволяющие в какой-то степени преодолеть отмеченные трудности. Теоретические исследования ВФАР насчитывают значительный период развития [2] и были направлены на преодоление известных трудностей и недостатков плоских ФАР. Выпуклые фазированные антенные решетки позволяют осуществлять широкоугольное сканирование при постоянной ширине луча, добиться расширения рабочей полосы частот, существенно увеличить шаг излучателей в решетке без потери коэффициента усиления (КУ), уменьшить уровень коммутационных боковых лепестков и упростить согласование излучателей в антенной решетке. Известны также и недостатки ВФАР - существенное усложнение устройства возбуждения, значительное увеличение числа управляющих и излучающих элементов и ухудшение массогабаритных характеристик. Хотя ВФАР и нашли практическое применение, но не получили широкого распространения.
В последующий период времени проводились многочисленные исследования ФАР по оптимизации характеристик, расширению полосы и диапазона рабочих частот, согласованию излучателей и т. д. [1].
Современное развитие радиоэлектронных систем выдвигает ряд требований к ФАР: широкополосная и диапазонная работа, возможность совмещенной работы (работы на нескольких частотах одновременно), широкоугольное неискаженное сканирование луча, изыскание путей построения ФАР коротковолновой части миллиметрового диапазона волн.
При работе в широкой полосе частот в антенной решетке необходимо применять широкополосные излучатели относительно больших размеров и размещать их в решетке при этом шаг между излучателями должен быть порядка длины волны и более. Широкоугольное электрическое сканирование, в том числе и круговой обзор, при работе в широкой полосе частот вынуждает перейти к более сложным выпуклым решеткам.
В процессе развития ВФАР были предложены и исследованы различные варианты размещения элементов: на цилиндрических, конических, сферических поверхностях, в виде выпуклых многогранников (икосаэдров, призм, пирамид). Ниже рассматривается дальнейшее развитие этого класса ВФАР.
Если принять пространственный (телесный) угол обзора в 4л стерадиан, то из условий центральной симметрии антенная решетка должна быть сферической, состоящей из изотропных излучателей числом N, равным численно КНД:
При условии исключения явлений сверхнаправленности минимальный радиус сферы Rmin при размещении излучателей только на поверхности будет (1.1.2)
Если воспользоваться известным соотношением максимального КНД апертуры. При этом линейный шаг на поверхности составит 0,3Я. Антенные решетки сферической формы с минимальным числом излучателей и размерами обладают высоким уровнем бокового излучения когда формирование луча осуществляется всеми ненаправленными излучателями [2].
Обеспечения заданного уровня бокового излучения и существенного увеличения шага излучателей, а также расширения рабочей полосы частот можно достичь увеличением размеров излучающей выпуклой поверхности по сравнению с Rmin, а также применением направленных излучателей в антенной решетке. При этом следует отметить, что число одновременно работающих излучателей (фазируемые одновременно) приблизительно сохраняется, в то время как общее число излучателей на сфере увеличивается пропорционально R (при одновременном росте шага и направленности излучателя). Хорошо известны зависимости минимально необходимого числа управляемых элементов ФАР в зависимости от телесного сектора сканирования и направленности [3]. В плоских ФАР с ростом сектора обзора и КНД число элементов катастрофически нарастает и превышает минимум. С целью уменьшения числа элементов в антенной решетке и увеличения шага между элементами необходимо отказаться от направленных элементов в ФАР и размещать их не только на внешней поверхности, но и в объеме.
При обеспечении заданного УБЛ, возможна следующая теоретическая модель антенной решетки с 2-х мерным сканированием во всем пространстве (4л стерадиан). Исходя из простых физических предпосылок будем полагать, что эквивалентный излучающий раскрыв круглый с заданным амплитудным, спадающим к краям распределением и симметрией размещения излучателей в антенной решетке. Тогда получаем трехмерную сферическую решетку с симметрично расположенными по концентрическим сферам излучателями. Шаг по окружности в сфере (и число излучателей) выбирается из условия требуемого спадающего амплитудного распределения в эквивалентной апертуре. Если допустить, что поляризация у всех излучателей одинакова и амплитуды излучающих токов равны, то луч управляется в пространстве только фазировкой излучателей, образующих решетку. Возбуждение излучателей такой решетки возможно выполнить, например, пространственным способом.
Для решения задачи о построении пространственной трехмерной решетки необходимо исследовать составную часть этой решетки, систему источников, расположенных на концентрических окружностях.
Кольцевые концентрические антенные решетки позволяют обеспечить широкоугольное сканирование в пределах 360, практически без искажения характеристик при сканировании, но в отличии от цилиндрических антенных решеток (ЦАР), управление лучом может быть выполнено только с помощью фазовращателей без коммутаторов. Кольцевые концентрические антенные решетки позволяют существенно уменьшить минимально необходимое число фазовращателей. Применение в ФАР минимально необходимого числа управляемых излучателей приводит формированию заданной ширины луча с одновременным возрастанием УБЛ. В отличии от плоских ФАР, УБЛ в простейших ККАР не убывает с ростом угловой координаты и наблюдается обратное излучение (в направлении, противоположном формированию главного максимума).
Характеристики направленности кольцевых концентрических антенных решеток сверхкоротких импульсов
Аналогично можно определить ширину ДН для гауссовского импульса и импульса вида sine. Соотношения (2.5.5) и (2.5.6) для импульсов другой формы отличаются коэффициентами. Эти коэффициенты устанавливаются из приведенных ДН.
Сканирующие решетки СКИ теоретически удобно анализировать такими же методами и подходами как и ФАР [30]. По этой причине сканирующую антенную решетку СКИ заменим линейной излучающей системой с равномерным амплитудным возбуждением и необходимыми временными задержками в каждом элементе, обеспечивающими формирование луча в направлении Эл. При начальных исследованиях для установления зависимости усиления от сектора сканирования можно отбросить все дополнительные факторы, влияющие на характеристики электрически сканирующих антенн СКИ. К ним можно отнести явление нестабильности импульсов, характеристики излучающего элемента в решетке, согласование излучателя решетки с генератором СКИ во всей рабочей полосе частот. В настоящее время известны генераторы СКИ и некоторые типы излучателей для решеток СКИ с длительностью порядка 10"9-10"12с. Наиболее широкое распространение получили генераторы, формирующие СКИ с прямоугольной формой импульса. В зависимости от типа генератора СКИ возможны и другие формы генерируемых импульсов. Форма импульса излучающего тока (поля) в элементе решетки СКИ может существенно отличаться от генерируемого импульса в зависимости от входного комплексного сопротивления излучателя и нагрузочного сопротивления генератора во всем спектре частот подводимого импульса. Исходя из общей проблемы построения РЛС, использующей антенные системы СКИ, необходимо установить общие зависимости КНД антенны и возможную ширину луча в зависимости от основных параметров сигнала, размеров антенны и сектора сканирования. С этой целью примем следующую модель электрически сканирующей антенны СКИ. Дискретную антенную решетку заменим непрерывной линейной антенной с равномерным амплитудным распределением. Линейная излучающая система возбуждена импульсом тока J(x,t) длительностью т. Этому импульсу соответствует спектральная плотность S(co). Каждый элемент непрерывной системы излучает импульс с задержкой, пропорциональной направлению излучения. Для анализа такой системы можно использовать упрощенную физическую модель при которой импульс длительностью т распространяется по антенне со скоростью иф=с/8Іп(0л), соответствующей формированию луча антенны в направлении 0Л. В этом случае разность хода лучей между двумя точками, разнесенными на расстояние х, равна хзіп0л. Сдвиг во времени полей, приходящих в точку пространства в дальней зоне составит . Этот временной сдвиг компенсиру ется за счет движения по антенне и, = . / v. В результате поля от всех элементов антенны в направлении 0Л суммируются без временных сдвигов и, следовательно, длительность излученного импульса в этом направлении соответствует длительности импульса тока в элементе.
Для поставленной задачи будем считать, что в линейной антенне известна длительность импульса тока т, его форма (или спектр S(co)) и скорость перемещения по антенне c/sin(0n). В зависимости от области использования радиосистемы спектр частот от fmjn до fmax, в которых должна излучать антенна, может составлять до десятков декад. Минимальные излучаемые частоты связаны с максимальными размерами обнаруживаемых объектов. Ранее была показана зависимость КНД от формы и длительности при излучении по нормали к раскрыву [37]. При нахождении относительного изменения КНД при отклонении луча, форма импульса не является главной, так как представляет интерес относительное изменение КНД от направления 0Л. Для анализа характеристик антенн кроме спектрального и пространственно-временного метода можно использовать теорию ФАР с СКИ, в которой существует понятие времени заполнения апертуры импульсом. Упрощенная физическая модель включает видеоимпульс произвольной формы и длительности х, распространяющийся по антенне с фазовой скоростью u jf=c/sin(8n), зависящей от направления луча 0Л - рисунок 2.5.9. Возможно также провести определение характеристик спектральным методом. Для этого необходимо рассмотреть спектр бегущего импульса.
Ниже рассмотрим характеристики направленности антенн СКИ. В соответствии с полученными результатами [37], будем рассматривать линейную антенну длиной L, излучающую импульс произвольной формы и длительности т, наиболее удобный для анализа пространственно-временным методом.
Поле излучения линейной антенны, показанной на рисунке 2.5.9, в дальней зоне будет функцией угловой координаты 9, направления луча 0Л, длительности импульса т, длины антенны L, а также будет меняться во времени t, т.е. Е=ґ(Ь,т,0,9л,і). Ранее [37] были показаны изменения формы и длительности от направления, полученные спектральным методом для одного направления в пространстве 0Л=О. Используя пространственно-временной метод, определим зависимости формы и длительности импульса от направления и найдем поле:
Расчет диаграммы направленности кольцевой концентрической антенной решетки с заданным уровнем боковых лепестков с помощью ряда Фурье-Бесселя
Концентрический сферический волновод получается при деформации радиального волновода, а также в случае необходимости формирования ДН с выпуклой ДА. Теория РВ хорошо известна, а свойства КСВ с использованием основной волны типа ТЕМ в литературе не рассмотрены. Для практического использования КСВ необходимо выяснить возможность существования волны типа ТЕМ в нем и наличие дисперсии. Эти вопросы рассмотрены ниже.
Таким образом, показана возможность создания широкополосных антенн с двумерным сканированием с применением ранее исследованных ККАР, в которых удается обеспечить возбуждение и управление при печатном исполнении. Показана антенная решетка с минимальным числом элементов и двумерным сканированием. Проведен предварительный приближенный анализ, который показывает возможность использования фазового распределения возбудителей, найденного в теории ККАР. Приведенные результаты расчета ширины луча, первых боковых лепестков и КПД полученные для ККАР и дисковой антенны [2,29], показывают возможность использования приближенной оценки характеристик ККАР для ДА.
Исследованы характеристики направленности ККАР как антенн с широкоугольным сканированием. Найдены зависимости ширины ДН и УБЛ от относительных размеров решетки и числа элементов.
Выявлены диапазонные и широкополосные свойства ККАР, которые существенно превышают аналогичные характеристики плоских антенн. Полоса в ККАР ограничена не частотным смешением луча, а ростом УБЛ и уменьшением КНД. Приведены возможные схемы возбуждения: пространственные фидерные и с помощью радиального волновода. Показаны характеристики и преимущества ККАР как электрически сканирующих антенн СКИ. Показана возможность двумерного сканирования, которое может быть реализовано ККАР, а так же набором ДА. В плоских антенных решетках задача синтеза обычно формулируется следующим образом: задан размер антенной решетки и ищется возбуждение излучателей, обеспечивающее наилучшее приближение ДН к заданной. Существует ряд фундаментальных работ [43-45], в которых рассматриваются общие вопросы синтеза антенн. Известно Дольф-Чебышевское возбуждение [43,51], которое позволяет при заданной ширине ДН минимизировать УБЛ и наоборот при заданном УБЛ минимизировать ширину ДН. В работах [46,47] предложен метод амплитудно-фазового синтеза антенных решеток произвольной геометрии по заданной ДН. Применение этого метода к сканирующим ФАР не представляется возможным, так как он позволяет найти оптимальное амплитудно-фазовое распределение (АФР) только для одного фиксированного направления луча. Для получения оптимального АФР при произвольном направлении луча необходимо иметь управляемое АФР при сканировании, что весьма трудно выполнимо. В статье [48] рассматривается методика определения токов возбуждения кольцевой передающей телевизионной антенной решетки из диполей по заданной форме ДН в горизонтальной плоскости. Вопросам синтеза многокольцевых антенных решеток, излучающих по нормали к плоскости размещения излучателей, посвящены работы [49, 50]. В статье [50] рассматривается задача оптимизации основных характеристик ККАР с равномерным амплитудным распределением, путем оптимального выбора радиусов концентрических окружностей. В работе приводятся результаты оптимизации радиусов ККАР, полученные симплекс-методом. В статье [50] рассматривается задача оптимизации размещения элементов с целью получения минимального УБЛ в заданной зоне углов. Элементы антенной решетки располагаются в узлах ломаных, образующих N лучевую звезду. Для этой системы приводится описание алгоритма оптимизации и результаты расчета характеристик при разном числе элементов. В кольцевых концентрических антенных решетках с электрическим сканированием возникает задача, связанная с минимизацией УБЛ в антенных решетках с минимальным для заданного сектора сканирования числом элементов или близким к нему, рассмотренных ранее. При синтезе ДН К КАР с заданным УБЛ необходимо искать амплитудно-фазовое распределение и координаты размещения элементов в апертуре. В такой постановке задача синтеза существенно усложняется, так как подлежат определению радиусы колец Ri...Rp, угловой шаг излучателей на кольце у\... ур, угловое смещение начала координат для каждого кольца yli...ylp - рисунок 3.1.1, а также амплитуда и фаза каждого излучателя. Задачу можно упростить, если определять амплитудное распределение по кольцам в предположении, что фазовое распределение известно и соответствует приведенному ранее соотношению (2.1.2).
Представляет интерес выяснить возможность минимизации бокового излучения в решетке при заданном максимальном диаметре 2R, что, очевидно, будет связано с увеличением числа колец и элементов. В отличии от традиционно рассматриваемых работ, в этой работе необходимо обеспечить азимутальную симметрию расположения излучателей в антенне. Как отмечалось в [29], такое расположение излучателей позволяет осуществлять неискаженное сканирование в широком секторе (360), в плоскости решетки. Поэтому необходимо минимизировать УБЛ при условии сохранения УБЛ при широкоугольном сканировании что будет соответствовать эквидистантному размещению излучателей внутри колец.
Интегрирование волнового уравнения. Компоненты поля типа Е.
Полученные теоретические результаты для КСВ хорошо согласуются с экспериментальными данными, известными ранее, по распространению электромагнитных волн в металло-воздушных линзах (геодезическая линза). В таких изогнутых направляющих системах из двух проводящих плоскостей не проявляется явлений дисперсии. Полученные теоретические результаты согласуются с экспериментальными результатами об отсутствии дисперсии в таких системах. Аналитические выражения для полей Е и Н в КСВ позволяют провести расчет возбуждения решетки.
Радиальный волновод удобен для возбуждения современных ФАР с широкоугольным сканированием и моноимпульсным возбуждением. Такой возбудитель обладает преимуществами фидерного способа возбуждения, но в отличии от него имеет значительно меньшее затухание, так как использует практически свободное пространство. В отличии от пространственного возбуждения он обладает компактностью, экранированием и большим коэффициентом использования. Радиальный волновод сочетает конструктивную простоту и удобство согласования излучателя решетки с полем волновода. Однако, практическое использование волноводов требует определение допусков возбуждающей системы плоской формы. В ряде случаев радиальный волновод должен иметь определенный радиус кривизны для размещения ККАР на поверхности сферы. В связи с этим возникает вопрос о распространении волн в концентрическом сферическом волноводе.
Проведенное выше исследование показывает, что при возбуждении волны типа Еоо, т.е. при Ri-R2 2 (отсутствие возможности распространения волн высших типов) отсутствует дисперсия и характеристики радиального волновода, известные из справочника [60] остаются в силе. Приведенная выше структура поля позволяет определить связь излучателей с питающей линией.
В диссертационной работе исследованы кольцевые концентрические антенные решетки с широкоугольным сканированием, рассмотрены возможные схемы возбуждения кольцевых концентрических антенных решеток и предложена система возбуждения в виде концентрического сферического волновода, а также выявлен ряд преимуществ для практического использования, связанных с расширением рабочей полосы, минимизацией числа элементов, уменьшением взаимного влияния элементов. В том числе получены следующие результаты: 1. Исследованы пространственные характеристики направленности и КНД сканирующих кольцевых концентрических антенных решеток. Определены зависимости характеристик направленности от частоты, иллюстрирующие возможность работы кольцевых концентрических антенных решеток в широкой полосе частот. Методом наведенных ЭДС исследовано взаимодействие излучателей в кольцевых концентрических антенных решетках при широкоугольном сканировании, позволяющее обеспечить удовлетворительное согласование. Показана возможность двумерного сканирования с помощью кольцевых концентрических антенных решеток и системы кольцевых концентрических антенных решеток. Исследованы характеристики решеток с произвольным сектором сканирования по азимуту с минимальным числом элементов. Приведены характеристики направленности кольцевых концентрических антенных решеток с минимальным числом управляемых элементов, из которых видно, что они обладают высоким уровнем дальних боковых лепестков. 2. Разработан синтез сканирующих кольцевых концентрических антенных решеток на основе метода парциальных диаграмм, позволяющий обеспечить заданный УБЛ при сохранении центральной симметрии размещения излучателей. Показаны два возможных варианта синтеза с использованием ряда Фурье-Бесселя и разложения Шлемильха. Установлены зависимости УБЛ от ширины луча и числа излучателей в кольцевых концентрических антенных решетках. 3. Рассмотрены пространственный и фидерный способы возбуждения кольцевых трических антенных решеток с помощью радиального волновода. Одним из вариантов возбуждающей системы может быть концентрический сферический волновод, удобный для возбуждения бортовых выпуклых антенных решеток и кольцевых концентрических антенных решеток. Методом Фурье решена электродинамическая задача для концентрического сферического волновода, представляющего равномерно изогнутый радиальный волновод большого радиуса. Определена структура поля волны типа Е. Найдены условия существования волн высших типов в концентрическом сферическом волноводе и простейшей волны типа ТЕМ. Полученные результаты опубликованы в четырех статьях, доложены на восьми научно-технических конференциях и использованы в научно-исследовательских работах по темам: «Спрос-1», «Малоэлементные широкополосные и совмещенные антенны космических аппаратов и элементы их тракта» №98740-04060, «Особенности проектирования перспективных АФАР» №726 (98790 - 04100). Проведено внедрение полученных результатов в учебный процесс.
