Реферат: Антенные решетки

4. Дискретное изменение сдвига фаз между соседними излучателями можно осуществить с помощью коммутационных фазовращателей. Простейший коммутационный фазовращатель на М позиций состоит из М постоянных фазовращателей и M коммутаторов, при поочередном включении которых фаза напряжения на выходе фазовращателя изменяется скачками через дискреты, равные Dy_и=2p/M. Например, при М=4 фаза может принимать значения 0, p/2, p, Зp/2.

Предложен ряд вариантов коммутационных антенн [38, 39]. Для пояснения принципа коммутационного сканирования обратимся к рис. 20.4, на котором изображена схема одного варианта коммутационной антенны с фидерным питанием.

По линии питания (волноводу) распространяется бегущая волна с замедлением x=l/L, где L - длина волны в волноводе. На каждый излучатель прямолинейной решетки сигнал поступает через одну из четырех ветвей коммутационного фазовращателя. Распределение фаз по антенне зависит от того, какие из коммутаторов находятся во включенном состоянии.

На рис. 20.5, а на оси абсцисс изображена решетка из N излучателей, а на оси ординат фазовое распределение. Линейный набег фазы питания равен yл(х)=xkx, а возможные значения фаз излучателей располагаются на прямых, параллельных yл(х) и образующих сетку допустимых фазовых уровней (Dy_и, 2Dy_и, 3Dy_и …). Расстояние между соседними уровнями равно дискрету фазы  Dy_и.

Согласно формуле (20.8) прямая y₀(x)=kx sinJ_гл соответствует требуемому фазовому распределению, обеспечивающему отклонение лепестка от нормали на угол J_гл. Для наилучшего приближения к требуемому распределению фаз каждый фазовращатель должен быть включен так, чтобы фазовая ошибка Dy  не превышала 0,5Dy_и. Распределение фаз по антенне при идеализированном (с ошибкой 0,5Dy_и) непрерывном расположении излучателей описывается при этом ступенчатой кривой (рис. 20.5, а), а распределение фазовых ошибок представляет собой пилообразную функцию (рис. 20.5, б).

Наличие фазовых ошибок приводит к искажению ДН антенны, уменьшению ее КНД и росту уровня боковых лепестков. Следует отметить, что при коммутационном сканировании главный лепесток перемещается скачками. Величина скачка и фазовые ошибки тем меньше, чем меньше дискрет фазы Dy_и. Однако, уменьшение дискрета фазы ведет к росту числа фазовращателей и усложняет антенну.

В варианте антенны, изображенной на рис. 20.4, число фазовращателей в цепи одного излучателя равно числу фазовых состояний этого излучателя, в данном случае четырем. Общее число фазовращателей в N раз больше. Его можно значительно уменьшить, применяя каскадное включение фазовращателей.

Двухразрядный каскадный фазовращатель схематически изображен на рис. 20.6. Каждый каскад может находиться в двух состояниях, при этом один каскад может обеспечивать сдвиги фаз 0 и p/2, а другой — 0 и p. Нетрудно видеть, что, управляя каскадами с помощью двоичного кода, можно получить фазовые сдвиги 0, p/2, p, Зp/2. При трех каскадах дискрет фазы равен p/4, а число фазовых сдвигов 8 и т. д.

Двоичное управление осуществляют с помощью коммутаторов на pin-диодах или ферритовых коммутаторов с внутренней магнитной памятью.

Достоинством коммутационной антенны по сравнению с ФАР, в которых применяются фазовращатели с плавным изменением фазы, является более простое управляющее устройство, которое при необходимости относительно легко сопрягается с цифровой вычислительной машиной. Кроме того, коммутационная антенна отличается большей стабильностью электрических параметров.

Антенные решетки с частотным сканированием

Различают два типа АР с частотным сканированием: с последовательным и параллельным питанием. На практике преимущественно применяется первый тип. Поясним принцип действия такой антенны с помощью рис. 20.7, на котором изображен змейковый волновод, питающий решетку излучателей.

Ориентация главного лепестка определяется формулой (20.1), а коэффициент замедления может быть вычислен по формуле (13.24).

Следовательно,

                                                                                                                           (20.10)

Важным параметром антенны с частотным сканированием является углочастотная чувствительность, равная величине поворота лепестка (в градусах или радианах), приходящейся на относительное (например, на один процент) изменение частоты (длины волны). Дифференцируя (20.1), можно получить

                                                                                                  (20.11)

Величина fdx/df характеризует дисперсию в волноводе. Следовательно, углочастотная чувствительность растет с увеличением замедления и дисперсии и, кроме того, зависит от направления главного лепестка.

Расчеты показывают, что при использовании прямолинейного отрезка прямоугольного волновода максимальный сектор сканирования лепестка при отсутствии лепестков высших порядков находится в пределах углов от -90 до +14°. При этом средняя углочастотная чувствительность составляет лишь 1°, 61 на 1% изменения частоты.

Для того чтобы можно было осуществлять сканирование в пределах большого сектора и при этом мало менять частоту генератора, нужно использовать антенны с большим замедлением. Это достигают, увеличивая отношение l/d (например, применяя змейковые волноводы или спиральные волноводы) либо уменьшая L (помещая внутрь волновода замедляющую, например, ребристую структуру).

Анализ показывает, что при увеличении x падает к. п. д. антенны из-за роста потерь в линии питания АР. Это ограничивает длину антенны, а следовательно, и минимально достижимую ширину главного лепестка.

Многолучевые антенные решетки

Принцип действия многолучевой антенны можно пояснить с помощью рис. 20.8. На нем изображена АР, состоящая из N излучателей. Сигнал от генератора подается на любой из М входов и распределяется между излучателями с помощью пассивного многополюсника. Он представляет собой схему, обеспечивающую линейное изменение фазы вдоль АР, причем величина сдвига фаз y между соседними излучателями, а следовательно, и ориентация главного лепестка определяются номером входа, на который поступает сигнал.

Таким образом, диаграмма направленности антенны зависит от типа схемы, получившей поэтому наименование диаграммоообразующей или матричной схемы. Предложено много разновидностей таких схем [38]. Рассмотрим две из них.

На рис. 20.9, а изображена антенна последовательного питания в которой линии передачи, подсоединенные ко входам антенны, и линии передачи, присоединенные к излучателям, связаны в местах пересечения с помощью направленных ответвителей. Направления ответвления энергии показаны стрелками.

К каждому излучателю  по сравнению с предыдущим излучателем сигнал проходит дополнительный путь, равный

                                                                                                                             (20.12)

где b — угол между линией передачи и осью антенной решетки (рис.20.9).

Тогда согласно формуле (20.10) ориентация главного лепестка может быть определена с помощью выражения

                                        (20.13)

Следовательно, каждому значению b (каждому входу антенны) соответствует свой главный лепесток (рис. 20.9, б). Переключая (механически или электрически) входы антенны, можно осуществить скачкообразное сканирование луча. При подаче питания одновременно на несколько входов можно сформировать веер лучей.