Антенные решетки (стр. 1 из 4)
Вводные замечания
Большой практический интерес представляют антенны суправляемым положением главного лепестка ДН. Управление (сканирование) можноосуществить, например, смещая облучатель линзы или зеркала из фокусаперпендикулярно оптической оси. При этом происходит наклон фронта волны, илепесток отклоняется в сторону отставания фазы поля в раскрыве антенны.
Хотя такой электромеханический способ сканирования широкоприменяется, его возможности ограничены относительно небольшой угловойскоростью перемещения лепестка из-за механической инерционности подвижной частиантенны (сканера).
На несколько порядков большую скорость перемещения можнополучить с помощью антенн с электрическим сканированием. У таких антенн нетподвижных частей, а изменение фазового распределения в раскрыве антенныосуществляется чисто электрически: путем изменения токов или напряжений науправляющих устройствах.
Опыт показал, что электрическое сканирование удобноосуществлять с помощью многоэлементных антенн (решеток). Антенные решетки (АР)с электрически управляемым лучом получили наименование антенных решеток сэлектрическим сканированием.
АР, у которых фазовое распределение регулируется с помощьюфазовращателей, включенных в линии питания излучателей, называются решетками с фазовымсканированием или фазированными антенными решетками (ФАР).
АР, у которых фаза поля (тока) каждого излучателя можетпринимать лишь несколько дискретных значений, называются решетками с коммутационнымсканированием.
АР, у которых фазовое распределение регулируется путемизменения рабочей частоты, называются решетками с частотным сканированием.
Многолучевой АР называют такую решетку, которая имеетнесколько входов, причем фазовое распределение изменяется при переключениипередатчика (или приемника) с одного входа на другой.
Находят применение также АР с обработкой сигнала. Заданныеэлектрические параметры у таких антенн (ширина ДН, отношение сигнал/помеха,уровень боковых лепестков) достигаются путем соответствующей (например, логической,корреляционной) обработки сигналов, поступающих от элементов антенной решетки.
Сканирование может быть одномерным (положение главноголепестка изменяется только по одной угловой координате) и двумерным (положениеглавного лепестка изменяется по обеим угловым координатам).
Основные особенностисканирования
При качании лепестка наблюдаются общие для всех способовсканирования особенности, которые рассматриваются ниже.
1. Одномерное сканирование можно осуществить с помощью какповерхностных, так и линейных АР (рис. 12.1). Если для сканированияиспользуется прямолинейная эквидистантная АР (рис. 20.1), то ориентацияглавного лепестка ДН определяется по формуле (13.14), которую запишем в виде
(20.1)Коэффициент замедления x=y/kd (13.9), аследовательно, и ориентацию главного лепестка можно при неизменной рабочейдлине волн генератора l регулировать,изменяя, например, с помощью фазовращателей сдвиг фаз y между соседними излучателями. Это соответствует случаюфазового сканирования.
Из формулы (20.1) видно, что ориентацию главного лепесткаможно регулировать, изменяя рабочую длину волны (частоту) генератора. Этосоответствует случаю частотного качания. Следует заметить, что при т=0 (лучнулевого порядка) частотное качание можно осуществлять только, если Е; зависитот частоты, т. е. если для питания АР применить линию с дисперсией.
Для того чтобы главный лепесток некоторого порядка тсканировал в пределах всей области действительных углов (—90°£Jгл£90°), необходимо изменять частоту илизамедление в определенных пределах. Если изменять частоту или замедление вболее широких пределах, то лепесток порядка т уходит в область «мнимых»-углов,но при этом в области действительных углов может появиться соседний главныйлепесток (порядка т+1 или т-1).
Сектором сканирования называют часть области действительныхуглов, в пределах которой сканирует главный лепесток.
Обозначая через uсграницу симметричного сектора сканирования (рис. 20.1), можно условиеединственности главного лепестка (13.17) записать в виде
(20.2)Если сектор сканирования несимметричен относительно нормалик антенне, то под Jс следуетпонимать большую по абсолютному значению величину.
2. Двухмерное сканирование можно осуществить с помощьюповерхностных антенных решеток (рис. 12.1, г, д, е, ж). Если для сканированияиспользуется плоскостная эквидистантная решетка (рис. 14.10, а), то ориентацияглавного лепестка определяется формулами (14.60).
Переход от угловых координат Фxгл, Фyглк сферическим координатам qгл ,jгл (рис. 14.10, а) можновыполнить с помощью соотношений
(20.3) 
(20.4)Каждой ориентации главного лепестка, т. е. каждой парезначений углов qгл , jгл соответствует пара значенийкоэффициентов замедления xx , xy. Следовательно, двухмерное сканирование главноголепестка по заданному закону можно осуществить, изменяя по соответствующемузакону коэффициенты замедления.
3. Искажения главного лепестка. При синфазном возбуждениипрямолинейной решетки главный лепесток ориентирован нормально к раскрыву, аширина главного лепестка определяется по формулам (13.30). Как было показано в13.3, п. 3, при склонении главного лепестка от нормали он расширяется по закону1/sinJгл.Это расширение ограничивает величину сектора сканирования лепесткапрямолинейной решетки. В тех случаях, когда требуется осуществлять неискаженноесканирование в широком секторе углов (±60°и более), применяют непрямолинейные, например, дуговые или кольцевые решетки,либо несколько прямолинейных решеток, каждая из которых работает в своемсекторе сканирования.
При отклонении лепестка от нормали нарушается также егосимметрия относительно направления Jгл,причем q²0.5>q¢0.5 (рис. 20.1).
В главе 13 было показано, что множитель прямолинейнойрешетки изотропных источников в режиме наклонного излучения имеет вид воронки(рис. 13.7). Обычно излучатели являются направленными. Из-за направленностикаждого излучателя в плоскости, перпендикулярной оси решетки, пространственнаяДН решетки имеет вид луча, сечение которого (при J=Jгл) расположено на частиповерхностного конуса. Такое искажение называется конусностью лепестка.
Так как на ДН антенной решетки влияют направленные свойстваодиночного излучателя, входящего в решетку, то в зависимости от формы ДНизлучателя при сканировании могут наблюдаться дополнительные искажения главноголепестка, например смещение Jгл.
4. Наименьшее допустимое число излучателей АР. Пусть секторсканирования лепестка расположен симметрично относительно нормали к АР исоставляет ±Jс. При сканировании ширина лепестка не должнапревышать заданную величину. Наибольшую ширину лепестка (на границах секторасканирования) определим для равноамплитудной синфазной АР, подставляя в (13.30)вместо L величину Lэ из (13.34)
(20.5)Из формул (20.2) и (20.5) получим следующее соотношение:
(20.6)Следовательно, чем уже лепесток и чем больше секторсканирования, тем большим должно быть число излучателей АР.
Формулы (20.2) и (20.6) справедливы для случая, когдаизлучатели АР являются изотропными. Если излучатели обладают направленностью,то можно увеличить расстояние d между соседнимиизлучателями, а следовательно, уменьшить общее число излучателей N. Этообъясняется тем, что хотя отношение d/l не удовлетворяет условию (20.2), однакоближайший главный лепесток высшего порядка, переместившийся из области мнимыхуглов в область действительных углов (§ 13.2, п. 2), будет ослаблен из-занаправленных свойств одиночного излучателя [12].
5. Наибольшая допустимая частота сканирования. Электрическоесканирование может производиться с большой угловой скоростью. Анализпоказывает, что при этом могут происходить искажения ДН из-за нестационарныхпроцессов в раскрыве антенны. Действительно, если период сканирования сравним свременем распространения волны от одного конца раскрыва к другому, то присканировании распределение фаз в раскрыве не будет «успевать» устанавливатьсяпо линейному закону. Отклонение фазового распределения от линейного законаприводит к искажению ДН. Следовательно, мгновенная ДН (зависимостьнапряженности поля в равноудаленных от антенны точках в данный момент временипри сканировании) будет отличаться от статической ДН (при отсутствиисканирования).