Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Кольцевые концентрические фазированные антенные решетки 14
1.1 Предварительные соображения 14
1.2 Характеристики вибраторных кольцевых концентрических фазированных антенных решеток 19
1.3 Возбуждение вибраторных кольцевых концентрических Фазировванных антенных решеток пространственным методом... 26
1.4 Выводы 33
Глава 2. Волноводные кольцевые концентрические фазированные антенные решетки 36
2.1 Характеристики направленности волноводных кольцевых концентрических фазированных антенных решеток 38
2.2 Частотные характеристики волноводных кольцевых концентрических фазированных антенных решеток 50
2.3 Характеристики направленности волноводных кольцевых концентрических фазированных антенных решеток в аксиальной плоскости 52
2.4 Выводы 56
Глава 3. Радиальный волновод 58
3.1 Возбуждение радиального волновода 60
3.2 Штыри в радиальном волноводе 78
3.3 Дисковая антенна 81
3.4 Выводы 87
Глава 4. Фазированные антенные решетки с полусферическим обзором пространства 89
4.1 Предварительные соображения 89
4.2 Схемы построения и их характеристики 92
4.3 Выводы 101
Заключение 102
Литература 105
- Характеристики вибраторных кольцевых концентрических фазированных антенных решеток
- Частотные характеристики волноводных кольцевых концентрических фазированных антенных решеток
- Штыри в радиальном волноводе
- Схемы построения и их характеристики
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 (В ФАР), 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]. Было рассмотрены кольцевые концентрические антенные решетки (ККАР) [2], позволяющие в определенной мере решить поставленную задачу. Однако в приведенных работах ограничено исследовать сканирование в одной плоскости. В больших практических задачах требует двухмерное сканирование. Поэтому возникает необходимость дальнейшего развития теории ККАР для двухмерного широкоугольного сканирования. Возможно, имеют некоторые схемы построения антенн с двумерным широкоугольным электрическим сканированием на базе ККАР (рис.1).
В настоящей работе рассматриваются выпуклые решетки с пространственным размещением элементов, построенные на базе ранее исследованных кольцевых концентрических антенных решеток ККАР.
Рис. 1. Модели ФАР с двумерным сканиюованием
Подобные решетки могут быть названы пространственные кольцевые концентрические антенные решетки (ПККАР). Пространственные кольцевые концентрические антенные решетки являются дальнейшим развитием ККАР и ВФАР, которые были исследованы ранее и их положительные свойства известны [2, 3]. Переход от выпуклых поверхностных решеток к выпуклым решеткам с пространственным размещением элементов позволил устранить основной недостаток ВФАР - необходимость коммутации излучающего сектора. Ранее было выявлены преимущества ККАР: широкоугольное сканирование; широкополосность; большой шаг между элементами полностью сохраняется здесь.
Дальнейшее развитие ФАР на базе ККАР требует оптимальный метод возбуждения. Возможно, осуществляются фидерные, пространственные (рис.2) способы возбуждения подобных антенн. Одним из перспективных таких методов возбуждения ККАР и всех ФАР является радиальный волновод (рис.3), который дает совместить фидерный способ и пространственный способ с волной типа « Т » возбуждения. В радиальном волноводе распространяется волна типа « Т » как и в свободном пространстве с отсутствием дисперсии, что удобно использовать для возбуждения. С другой стороны потерь, вносимый с применением радиального волновода будет меньше в сравнении с другими. Здесь не
Рис. 3. Возбуждение ККФАР с помощью радиального волновода (1); 2 - излучатель; 3 - элемент связи; 4 - возбудитель.
требуются элементы тракта СВЧ. Высота такой системы мала (меньше чем пол длин волн). Система позволяет регулировать амплитудно-фазовое распределение по решетке путем изменения глубины погружения штыря и радиуса ответвления.
Ниже приводится обзор существующих работ в этой области.
Наиболее полно исследованы кольцевые решетки (КАР). В работе [2,3] рассмотрены ККАР для широкоугольного электрического сканирования, которые показывают это перспективные антенны для построения различных типов ФАР. Это объясняется следующими обстоятельствами: возможность широкоугольного (360) электрического сканирования в такой решетке с помощью только фазовращателей. При этом ширина диаграммы направленности (ДН) и коэффициент направленного действия (КНД) отстоятся неизменными. Для обеспечения широкополосности работы такие антенны позволяют разместить излучателя с шагом порядка длины волны и более. Далее система устраняется эффект затенения и упрощает систему управления.
Работы [4-7, 28-34] посвящены теоретическому исследованию характеристик направленности, частотных свойств, ЭПР и других параметров КАР. В литературе также рассмотрены различные варианты построения КАР.
В [8] 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 [8] описано антенное устройство,
позволяющее осуществить электромеханическое сканирование в плоскости, ортогональной плоскости размещения излучателей.
В статьях [9,10] 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.
В [11 - 15] посвящена радиальная волноводная планарная антенна, как показано на рис. 3. Антенна обладает высокой эффективностью из-за волноводного облучателя и способна синтезировать моноимпульсную суммарную и разносную диаграммы посредством многополюсного возбуждения радиальным волноводом. Если радиальный волновод возбуждается двумя штырями с синфазным или противофазным возбуждением, моноимпульсные суммарные и разносные диаграммы, соответственно, могут быть синтезированы в одном направлении. Если необходимо реализовать операцию моноимпульсного сопровождения и по азимуту и по углу места, то используются четыре возбуждающих штыря, как показано нарис. 3.
Другой вариант построения КАР предложен в [16]. 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 [17] 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 [18] 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 [19].
В [20] 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 [21] предложена конструкция антенны, состоящей из радиального волновода, 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 [22] 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 [23].
В литературе значительное внимание уделено построению систем возбуждения КАР [24-27].
В работе [24] 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 [28] 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 [4-7, 29-32]. Интерес к КАР не ослабевает, и объясняется эффективным применением их в системах связи. В [33] рассматривается применение КАР в системах сотовой связи для реализации не изотропной 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 [34] 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.
В [35] было рассмотрено решение задачи о возбуждении радиального волновода методом непосредственного решения волновых уравнений для прямолинейных составляющих векторов электрического и магнитного полей, а затем представления полного поля в виде наложения электрических и магнитных волн. Однако, в правую часть волноводных уравнений для векторов поля входят не функции распределения сторонних токов, а операторы над ними, что не всегда удобно.
Приведенный обзор работ показывает, что открытыми остаются вопросы, связанные с построением ФАР двухмерного сканирования с использованием ККАР, определением характеристик направленности, зависимостью между числом элементов, необходимым для построения решетки, и ее характеристиками, полосой частот и диапазонными свойствами, а также возможных систем возбуждения ККАР с двумерным
сканированием (ПККАР).
С учетом выше изложенного 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 пространственных кольцевых концентрических антенных решеток (ПККАР) для двухмерного широкоугольного сканирования. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи: Численного исследования характеристик направленности, КНД и полосы частот ПККАР,
Возбуждения радиального волновода, расчета элементов матрицы рассеяния,
Определения возможных схем возбуждения ККАР, Анализ схем построения ФАР с широкоугольным двухмерным сканированием, исследования их характеристики. Методы исследования:
Вычислительные методы электродинамики, теории антенн, численные методы математического анализа, численное моделирование характеристик ПККАР на ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Показана возможность двухмерного широкоугольного сканирования с теоретически минимальным числом управляющих излучателей,
Решена задача о возбуждении ККАР радиальным волноводом. Проведено исследование структуры поля в радиальном волноводе и элементов связи с излучателями в виде штырей.
Практическая значимость результатов работы
Разработан математический аппарат и методика расчета характеристик ПККАР,
Разработаны алгоритм и программа расчета элементов связи радиального волновода с антенной решеткой,
Предложены схемы построения ККАР с двухмерным широкоугольным сканированием. Основные положения, выносимые на защиту:
Построение ФАР с малым числом излучателей для широкоугольного сканирования и расширение полосы рабочих частот электрически сканирующих ФАР;
Возбуждающая система ФАР и кольцевых концентрических антенных решеток с использованием радиального волновода. Апробация результатов работы и публикации Основные положения и результаты работы докладывались на 2 конференциях и опубликованы в 3-х статьях в журналах "Радиотехника" и "Антенны" и 3 публикациях в форме тезисов к докладам. Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 112 страниц. Список литературы содержит 84 наименований на 8 страницах.
Характеристики вибраторных кольцевых концентрических фазированных антенных решеток
При определении оптимальных вариантов радиосистемы немалую роль играет стоимость, возрастающая с развитием и усложнением техники. Стоимость радиосистемы с электрически сканирующей антенной в значительной степени определяется стоимостью антенной решетки, число элементов которой может достигать 106 и более.
Реализация электрически сканирующих антенн встречает ряд конструктивных трудностей, одной из которых является размещение излучателей с фазовращателями и канализирующими системами (модулями) с заданным шагом, обеспечивающим однолучевой режим работы и низкий уровень боковых лепестков. Широкоугольное сканирование в плоской решетке требует размещения излучателей с шагом порядка (0,6 - 0,7)А,, который конструктивно не выполним в ряде практических случаев при существующих поперечных размерах модулей.
Одним из важнейших параметров электрически сканирующих антенн является сектор обзора пространства, ограниченный для плоских антенн. Максимальное отклонение луча от нормали к плоской остронаправленной решетке, реализуемое на практике, не превышает ± 60. сканирование в таком секторе сопровождается значительным изменением КНД (из-за уменьшения эквивалентного раскрыва), расширением луча, увеличением уровня боковых лепестков и соответствующим ухудшением точностных, энергических и других характеристик всей радиосистемы.
Теория современных ФАР развивалась более 30 лет и к настоящему времени достигла 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 решать поставленные выше задачи (снизить стоимость антенной решетки уменьшением числа элементов в ФАР; увеличить расстояние между элементами; расширять сектор сканирования).
Теоретические исследования выпуклых ФАР (ВФАР) насчитывают значительный период развития [4] и были направлены на преодоление известных трудностей и недостатков плоских ФАР. Переход от плоских решеток к выпуклым решеткам позволяет: Существенно увеличить шаг излучателей (без потери коэффициента усиления (КУ)) и сделать его равным порядка длины волны и даже более; уменьшить уровень коммутационных боковых лепестков и упростить согласование излучателей в антенной решетке. Физически это может быть объяснено условиями формирования луча и неэквидистантным размещением излучателей в эквивалентном раскрыве. Применение выпуклых решеток, в которых более эффективно используется каждый элемент, достигает в какой то степени уменьшить числа элементов в антенне. Выпуклые антенные решетки позволяют получить постоянство эквивалентного излучающего раскрыва и сохранить при сканировании неизменность свойств направленности антенны. Известны также и недостатки ВФАР - существенное усложнение устройства возбуждения, значительное увеличение (при широкоугольном сканировании) 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 Л к стерадиан, то из условий центральной симметрии антенная решетка должна быть сферической, состоящей из изотропных излучателей числом N, равным численно коэффициенту направленного действия (КНД):
При условии исключения явлений сверх направленности минимальный радиус сферы Rmin при размещении излучателей только на поверхности будет если воспользоваться известным соотношением максимального КНД апертуры. При этом линейный шаг на поверхности составит 0,564Л, Антенные решетки сферической формы с минимальным числом излучателей и размерами обладают высоким уровнем бокового излучения, когда формирование луча осуществляется всеми ненаправленными излучателями [4].
Частотные характеристики волноводных кольцевых концентрических фазированных антенных решеток
Расчет диаграммы направленности (ДН) волноводных ККФАР довольно усложняется из-за того, что характеристики каждого излучателя решетки должны быть найдены в присутствии всех остальных, т. е. с учетом их взаимодействия. Как и в плоских ФАР, из-за эффекта взаимодействия характеристики отдельных излучателей в составе ПККФАР могут заметно отличаться от этих же характеристик уединенного излучателя, что может привести к ухудшению ожидаемых электрических характеристик проектируемой АР.
Учет взаимодействия излучателей в волноводных ККФАР [4] -самостоятельная и довольно сложная задача (более сложная, чем для плоских ФАР), требует большого объема вычислений с использованием современных ЭВМ. Кроме того, поскольку в ПККФАР эффект взаимодействия выражен слабее, чем в плоских ФАР, из-за большого шага между излучателями (шаг составляет А, и более) и неэквидистантного размещения элементов, на данной работе рассчитывать характеристики ПККФАР приближенно, без учета взаимодействия. При этом амплитудная ДН излучателя в решетке в области углов, не закрывающих питающими волноводами других излучателей, принимается равной ДН уединенного излучателя, расположенного в свободном пространстве, а в остальной области тождественна нулю.
При расчете ДН волноводных ККФАР, как и вибраторных ККФАР, может быть использовано понятие эквивалентного плоского раскрыва [4]. На основе метода эквивалентного плоского раскрыва можно найти соотношения между шириной и формой ДН волноводных ККФАР, уровнем первого бокового лепестка и амплитудным распределением в эквивалентном раскрыве, зависящем от амплитудного распределения по решетке и от ДН отдельного излучателя.
На рис. 2.2.2 приведены ДН в горизонтальной плоскости волноводных ККФАР, построенные для решеток с N = 91 излучателем при их размещении с равномерным амплитудным распределением. В отличии от вибраторных ККФАР, за счет направленности излучателя, уровень дальних боковых лепестков волноводных ККФАР заметно уменьшается (рис .2.2.2). По своему конструктивному свойству, характеристики направленности волноводных ККФАР, как и для вибраторных ККФАР должны быть неизменны при сканировании луча в горизонтальной плоскости. Возможно лишь незначительные изменения ДН решетки при отклонении луча в пределах минимального углового шага. Тем больше число излучателей в решетке, чем меньше изменение ДН. Все это рассматривались в предыдущей главе настоящей работы для вибраторных ККФАР. Для волноводных ККФАР при отклонении луча в пределах минимального шага, характеристики ДН изменяется сильней, чем для вибраторных ККФАР. Это объясняется следующим образом: поскольку характеристика направленности решетки получается перемножением характеристики направленности излучателя и множителя решетки, то при отклонении луча уровень боковых лепестков станет больше, так как он умножается на большое значение характеристики направленности излучателя. При отклонении луча в горизонтальном направлении от осевого направления уровень дальних боковых лепестков рассматриваемой решетки монотонно возрастает и достигает такого значения, которому равно уровень боковых лепестков вибраторных решеток при угле сканирования луча порядка 40 (рис. 2.2.3).
Т.о. в секторе ±40 волноводные ККФАР (ПККФАР) имеют явное преимущество по УБЛ в сравнении с вибраторными ККФАР.
Коэффициент направленного действия (КНД) зависит от типа и числа излучателей в решетке. Ниже приводятся результаты расчета КНД для ПККФАР, состоящих из излучателей в виде открытого конца прямоугольного волновода с размером, а х Ъ = 0,71 Л х 0,32 Л. В силу центральной симметрии решетки выражение для расчета КНД может быть записано в виде:
Штыри в радиальном волноводе
В диссертационной работе исследованы кольцевые концентрические фазированные антенные решетки с двумерным широкоугольным сканированием. Рассмотрены возможные схемы возбуждения кольцевых концентрических антенных решеток и предложена система многополюсного возбуждения радиальным волноводом. А также выявлен ряд преимуществ для практического использования, связанных с расширением рабочей полосы частот, минимизацией числа элементов. В том числе получены следующие результаты:
Предложено построение выпуклых ФАР двухмерного широкоугольного сканирования на базе ранее исследованных ККАР. В отличии от существующих ВФАР двухмерное сканирование осуществляется только с помощью фазовращателей. Ранее выявлено преимущества ККАР: широкоугольное сканирование; большой шаг между элементами решетки; широкополосность полностью сохраняется здесь. Однако возникает проблему возбуждения и управления фазой решетки внутри объема антенны. С этой целю предложено пространственный способ возбуждения ККАР с помощью центрального излучателя, а все остальные элементы являются пассивными, нагруженными на отражательные фазовращатели. Методом ЭДС исследованы вибраторные кольцевые концентрические антенные решетки. Определены их характеристик направленности при таком методе возбуждения. Для сравнения полученных приводится ДН ВККАР когда все излучатели возбуждались фидерным способом.
Предложено воспользоваться преимущества ККАР для построения антенн с двумерным широкоугольным сканированием применением направленных излучателей типа открытого конца прямоугольного волновода. Применение направленные излучатели в ККАР позволило снизить уровень дальних боковых лепестков. Однако возникает эффект затенения одного излучателя другими. Разработана программа размещения излучателей в пространстве. При этом эффект экранирования устраняется соответствующим размещением в пространстве. Исследованы характеристики направленности предложенного варианта ФАР. При этом все элементы имеют одинаковую амплитуду, но поле на эквивалентном излучающим апертуре является спадающем. Тем самым обеспечить низкий уровень боковых лепестков. Представление особенно для активных ФАР. Показана возможность значительного уменьшения числа элементов в решетке по сравнению с плоскими решетками. Выявлены диапазонные и широкополосные свойства волноводных ККФАР, которые существенно превышают аналогичные характеристики плоских антенн.
Исследован возбудитель в виде радиального волновода для ККАР. Найдено полное электродинамическое решение на основе уравнений Максвелла в радиальном волноводе. Это было в связи с отсутствием данных волн высших типов в данном волноводе. Определены элементы матрицы рассеяния системы радиального волновода, возбуждающий штырь. Полученные результаты позволяют приблизительно рассчитать элементы связи излучателей ККАР по заданному амплитудному распределению в решетке.
Предложены и рассмотрены различные схемы построения выпуклых антенн (цилиндрических и пирамидальных ФАР) на базе ККАР и ДА для широкоугольного сканирования приблизительного к бортовым РЛС. Приведены зависимости ожидаемого коэффициента усиления от сектора обзора, от типа излучателя и от формы антенной системы. Показана возможность регулирования, и управления АФР с помощью фазового метода без устройства коммутации излучающей части выпуклой апертуры. К перспективным АФАР из-за сочетание коммутации питания излучающих секторов и фазового метода управления ФР., ожидаемый потерь может быть исключено. Кроме того отключаемая часть излучающей выпуклой поверхности может быть использована для работы с другими целями (связь, РЭБ, навигация, опознавания). Поставленные результаты анализа различных схем построения антенн для широкоугольного сканирования позволяют вывить наиболее рациональный способ построения для заданного технического требования.
Полученные результаты опубликованы в трех статьях, доложены на двух научно-технических международных конференциях.
Схемы построения и их характеристики
Сравнительные данные для плоских пирамидальных ФАР и пирамидальных ФАР на основе ККАР приведены в табл. 4.2.1. Анализ данных табл. 4.2.1 показывает, что при формировании ДН с одинаковыми характеристиками (ширина главного луча) в полусфере число излучателей в пирамидальных ФАР на базе ККАР значительно меньше, чем в существующих плоских пирамидальных ФАР. С другой стороны максимальное падение КНД (на границе сектора сканирования подрешеток) первого случая меньше, чем второго.
Естественно уменьшение числа N излучателей в ФАР в три раза при заданной величине усиления и сектора обзора будет сопровождаться увеличение УБЛ, величина которого показана на предыдущей главе (2.2). Однако в современных разрабатываемых системах предполагает система адаптации, которая этот недостаток ослабит.
В некоторых практических случаях требуется меньшие колебания усиления в полусфере. Эта задача в определенной степени решена с использованием ККАР, построенные по критерию минимизации УБЛ, для построения пирамидальных ФАР. Хотя по своему конструктивному свойству ККАР является решеткой с неэквидистантным размещением излучателей, но на некоторых направлениях уровень боковых лепестков оказывается сравнительно большой. Опасно в тех случаях, когда при сканировании луча, сказанные боковые лепестки подадут в область большой интенсивности ДН излучателя. В этом случае часть излучающей энергии рассеивает в этих углах, что приведет к падению коэффициента усиления. Для устранения сказанного эффекта шаг между излучателями в ККАР должен быть меньше и определяется формулой (4.2.4).
В табл. 4.2.2 показаны данные для пирамидальных ФАР из ККАР и плоских подрешеток при М= 3 ... 6. Компромисс между числом излучателей и колебанием усиления в секторе сканирования выбирается подходящий вариант.
Для построения ФАР с полусферическим обзором пространства могут быть использованы ранее исследованные дисковые излучатели. Каждый рассмотренный ранее дисковой излучатель обеспечивает сканирование весьма широко по азимуту (360) и формирование луч во второй плоскости в пределах ДН одного диска. Т.к. высота диска составляет полволны использование дискового излучателя как элемент цилиндрической, конической и сферической антенн получатся выпуклые антенны с широкоугольным двухмерным сканированием. При чем с помощью фазового управления излучателями получается перемещение излучающей области поверхности антенны и достигается фазовое распределение. Возникает лишь сложность, связанная с питанием и с размещением фазовращателя для каждого дискового излучателя. Решение задачи управления и возбуждения фазового распределения такой объемной конструкции излучателей может быть выполнено несколькими путями: - возбуждение центрального излучателя, в то время как остальные элементы играют роль директора и рефлектора (см. 1.3). - Во втором случае когда возбуждение всей системы дисковой антенны осуществляется с использованием радиального волновода (см. гл. 3). В том и в другом случае требует печатное исполнение. - Возможно и другие методы возбуждения, например, с помощью облучателя как облучательные линзы. В этом случае полученная система сводится к теории линзовых антенн с электрическим управлением. Т.о. общий вид подобных ФАР показан на рис. 4.2.6. При этом питание ФАР поступается со стороны неизлучающей поверхности антенны. При сканировании в горизонтальном направлении на сравнительно не больших углах ± рск эквивалентная поверхность ФАР остается постоянной, что коэффициент усиления решетки в этих углах практически не колеблется. Последний уменьшает при увеличении рск. Изменение усиления в вертикальном направлении может быть рассчитано, как и для линейных синфазных антенных решеток. На рис. 4.2.7 показан закон падения КНД в двух главных плоскостях сферической системы координат для ФАР из 12 дисковых излучателей. При этом диаметр диска составляет 10 длин волн.
