Файл: Амитей Н. Теория и анализ фазированных антенных решеток.pdf

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

В настоящее время фазированные антенные решетки рас­ сматриваются как наиболее перспективный тип остронаправлен­ ных антенн. Различные вопросы теории и конструирования фази­ рованных антенных решеток освещаются в периодической литера­ туре. Монографий же, целиком посвященных фазированным антен­ ным решеткам, пока только три: книга советского специалиста О. Г. Вендика «Антенны с немеханическим движением луча», переведенная на русский язык монография «Сканирующие антен­ ные системы СВЧ» (тома 2 и 3) и, наконец, предлагаемая читателю

врусском переводе книга американских специалистов Амитея, Галиндо, By «Теория и анализ фазированных антенных решеток».

Предлагаемая читателю книга посвящена главным образом анализу одного класса фазированных решеток — плоских реше­ ток из открытых концов волноводов. Такие решетки являются основным типом сканирующих антенн в радиосистемах, характе­ ризуемых большим уровнем передаваемой мощности. Возможность применения точных и приближенных методов для анализа фази­ рованных решеток из открытых концов волноводов позволяет получить ряд важных результатов, общих для сканирующих решеток любого вида.

При изложении материала авторы в основном используют собственные работы, опубликованные в последние 10 лет.

Достоинством книги Амитея, Галиндо и By является то, что

вней уделено первостепенное внимание эффектам взаимной связи между элементами фазированной антенной решетки. Взаимное

влияние излучателей сканирующей решетки приводит к такому неприятному явлению, как «ослепление» решетки под определен­ ными углами. Как известно, это явление связано с пространст­ венными резонансами, возникающими в раскрыве решетки. Авторы книги убедительно показывают, что только строгий электро­ динамический анализ позволяет обнаружить существование про­ странственных резонансов. Это подчеркивает необходимость стро­ гой постановки и возможно более точного решения граничных задач для фазированных антенных решеток.

В первых двух главах книги изложена общая теория антенных решеток и выведены интегральные уравнения для плоских беско-

6 Предисловие к русскому изданию

печных решеток из открытых концов волноводов. В гл. 3 рас­ смотрены аналитические и численные методы решения интеграль­ ных уравнений теории фазированных антенных решеток. Особый интерес представляет обсуждение различных способов проверки правильности получепного решения. В последующих главах кни­ ги приведены многочисленные расчетные результаты, относящиеся к решеткам из открытых концов плоскопараллельных, прямо­ угольных и круглых волноводов.

Рассмотрены такие параметры антенной решетки, как коэф­ фициент отражения в тракте элемента, диаграмма направленности элемента в решетке, входное сопротивление элемента, н показана зависимость этих параметров от угла сканирования. Детально анализируется влияние диэлектрических вставок в волноводах и диэлектрических покрытий в раскрыве решетки. Особое внима­ ние уделено явлениям пространственного резонанса в решетке и способам их устранения. В последних главах рассмотрены крае­ вые эффекты в решетках и методы согласования элементов решетки в дпапазоне углов сканирования. Приводятся экспериментальные результаты, представляющие большой интерес.

При работе над русским переводом книги были сохранены обозначения, введенные авторами, и исправлены ошибки в фор­ мулах.

Книга представляет интерес для широкого круга специалистов прежде всего тем, что в ней приведено много новых результатов. Кинга будет полезна студентам н аспирантам радиотехнических специальностей.

А. Ф. ЧАПЛИН

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ

Современная радиолокация, радиосвязь и радиоастрономия предъявляют постоянно возрастающие требования к антеннам больших апертур, которые могли бы осуществлять быстрое ска­ нирование, а также выполнять одновременно другие функции. Такими возможностями обладают решетки из элементов с незави­ симым управлением фазовым распределением, т. е. фазированные антенные решетки (ФАР). Большинство методов, которые до сих пор использовались при расчете ФАР, основывается на классиче­ ской теории антенных решеток, в которой не учитывается взаимное влияние элементов, на приближенных аналитических методах и экспериментальных результатах. Из практики разработки совре­ менных радиолокационных антенных решеток, сканирующих в ши­ роком диапазоне углов, вытекает, что взаимное влияние антенных элементов играет весьма существенную роль в определении харак­ теристик антенной решетки. В приближенных аналитических методах эффекты взаимного влияния учитываются в недостаточной мере. Разработка с помощью экспериментальных методов больших ФАР, когда используются многие тысячи антенных элементов, представляет собой слишком трудоемкую и дорогостоящую процедуру. Поэтому необходимо выработать ясные представления о возможных характеристиках антенных решеток и разработать эффективные методы расчета, учитывающие эффекты взаимного влияния.

Цель книги — создание математического аппарата для анали­ за и расчета широкого класса ФАР, а также изучение их электро­ динамических характеристик. Авторы надеются, что книга не только поможет понять особенности работы ФАР, но и даст соот­ ветствующую технику анализа и синтеза, необходимую при рациональной разработке дорогостоящих антенн.

Особое внимание в книге уделяется анализу однородной плоской антенной решетки из открытых концов расположенных вплотную волноводов. Строго сформулирована и представлена в виде интегрального уравнения граничная задача для таких решеток. Интегральные уравнения могут быть решены численно (а в отдельных случаях и аналитически) с очень высокой точ­ ностью. На основе решения можно рассчитать все существенные

s Предисловие авторов

параметры антенной решетки: характеристики отражения и излу­ чения (включая поляризационные характеристики), а также коэффициенты взаимной связи. Полученные соотношения и методы вычислений можно распространить на вибраторные излучатели и другие типы антенных элементов. Но поскольку вибраторные

Глава 1 знакомит читателя с терминологией и понятиями теории фазированных антенных решеток. Здесь рассмотрены раз­ личные подходы к анализу антенных решеток, показана зависи­ мость характеристик антенной решетки от взаимного влияния элементов.

Вглаве 2 с помощью теоремы Флоке сформулирована гранич­ ная задача для бесконечной периодической решетки, получены различные интегральные уравнения и вариационные соотношения.

Методы решения этих уравнений описаны в гл. 3. Особое вни­ мание уделяется численным методам, которые могут быть эффек­ тивно реализованы на ЭВМ с достаточно большим объемом памяти. Проведено общее обсуждение различных способов обоснования решений п оценка их точности.

Вглаве 4 получено аналитическое решение для бесконечной ФАР из волноводов с тонкими стенками. Приведены основные расчетные соотношения и некоторые экспериментальные данные для ФАР.

Характеристики плоской антенной решетки из прямоугольных волноводов рассмотрены в гл. 5. Показано существование явно выраженного резонанса поверхностной волны, вызывающей «ослеп­ ление» ФАР. Методика, разработанная в гл. 2 п 3, подробно рас­ сматривается применительно к решетке из плоскопараллельных пластин.

В главе 6 исследовано влияние диэлектрического покрытия и вставок на основные характеристики решетки из параллельных пластин. Подробно изучен вопрос об улучшении импедансного согласования и исследовано возникновение резонансов поверх­ ностной волны,.

Характеристики бесконечных плоских антенных решеток из круглых волноводов с диэлектрическим покрытием и без него рассмотрены в гл. 7. Метод интегральных уравнений обобщен на случай плоских антенных решеток с косоугольной периодиче­ ской сеткой расположения элементов.

В главе 8 метод интегральных уравнений распространен на ан­ тенные решетки конечных размеров с однородной и неоднородной сетками расположения элементов, а также на определенный класс бесконечных апериодических решеток. Получены дисперсионные

соотношения для периодически модулированных поверхностей. Показана связь условий возникновения резонансов поверхностной волны с дисперсионными соотношениями. Исследовано влияние близости излучателя к краю решетки на его характеристики.

Глава 9 посвящена систематическим методам оптимизации согласования антенной решетки при заданных секторе сканиро­ вания и полосе частот. Эти методы являются общими и применимы при любом типе элементов антенной решетки. Рассмотрены также экспериментальные методы определения режима входных парамет­ ров элементов ФАР.

В целом книга представляет собой монографию, в основе которой лежат работы, выполненные в лабораториях фирмы «Бэлл телефон». В конце каждой главы имеется список литера­ туры по вопросам, затронутым в главе. Однако этот список, безусловно, не является полным.

Книга предназначена для инженеров, научных работников, аспирантов и студентов, специализирующихся в области антенн и фазированных антенных решеток. Для чтения книги необходи­ мо знание уравнений Максвелла, теории волноводов и основ тео­ рии антенн.

Н. АМИТЕЙ В. ГАЛИНДО ЧЕН-ПАН ВУ

1.Основы теории антенных решеток

1.ВВЕДЕНИЕ

Постоянно возрастающие требования, которые в век космоса и ракет предъявляются к современным системам связи и радиоло­ кации, выдвинули на первый план проблему фазированных антен­ ных решеток (ФАР). Необходимость выполнения одновременно многих функций (т. е. наблюдения, распознавания, слежения и т. д.) при работе на большой мощности, в неблагоприятных окружающих условиях и быстрой выдаче результатов стимули­ ровала исследование, разработку и конструирование фазирован­ ных антенных решеток. На рис. 1.1—1.4 показано несколько фазированных антенных решеток, которые уже рассчитаны и пост­ роены. Системы, содержащие ФАР, были испытаны на земле и па воде. Нетрудно предвидеть, что фазированные антенные решетки с элементами и узлами в миниатюрном исполнении будут использоваться на самолетах и в космосе.

Антенной решеткой называется антенная система, состоящая из более чем одного антенного элемента с когерентным излуче­ нием. Излучающими элементами могут быть вибраторы, рупоры (открытые концы волноводов), параболические отражатели, спи­ ральные, диэлектрические антенны и т. д. Вначале антенная решет­ ка рассматривалась в основном как средство более эффективного управления распределением поля в раскрыве антенны. Для пост­ роения антенн с высокой угловой разрешающей способностью использовали большие плоские антенные решетки.

Плоская периодическая фазированная антенная решетка состо­ ит из идентичных излучателей, которые расположены в узлах плоской двоякопериодической сетки. Электронное сканирование диаграммой направленности антенной решетки достигается путем изменения сдвигов фаз между токами двух соседних элементов решетки (управляющих фаз) по определенному закону. В данной главе обсуждаются преимущества анализа фазированных антен­ ных решеток на основе решения граничной задачи в строгой поста­ новке, а также недостатки различных приближенных подходов.

В классической теории антенных решеток ие учитывается взаимное влияние элементов решетки. Так, диаграмма направлен­ ности ФАР конечных размеров записывается как произведение множителя решетки и диаграммы направленности элементов

14 Глава. 1

решетки. Множитель решетки определяет форму луча и уровень боковых лепестков диаграммы направленности решетки, а также отражает связь между геометрией решетки и управляющими фазами, с одной стороны, и направляющими косинусами луча, с другой. Функциональное соотношение между множителем решет­ ки, управляющими фазами и направляющими косинусами луча может служить основой для построения удобных диаграмм, известных как диаграммы дифракционных максимумов. Эти диа­ граммы наглядны н их часто используют при обсуждении характе­ ристик антенных решеток и при расчете их конструкций.

Экспериментальные и теоретические исследования показали, что взаимным влиянием элементов пренебрегать нельзя, особенно в том случае, когда элементы антенной решетки расположены довольно близко друг к другу (например, при расстояниях между ними ~\/2). Взаимное влияние существенно сказывается на коэф­ фициентах отражения и характеристиках излучения (как функциях направления луча) ФАР. Кроме того, в антенных решетках конеч­ ных размеров диаграммы направленности и значения коэффициен­ тов отражения для различных элементов могут зависеть от отно­ сительного положения элементов в решетке (например, сущест­ венно сказывается близость элемента к краю решетки).

В «большой» плоской антенной решетке основная масса эле­ ментов центральной области является почти однородной и наи­ более важпые особенности их поведения могут быть достаточно точно описаны поведением излучателей бесконечной антенной решетки. Поэтому бесконечная решетка может с успехом служить моделью для анализа больших плоских антенных решеток. В этом случае диаграмму направленности антенной решетки все еще можно представить в виде произведения множителя решетки и диаграммы направленности одного элемента, которая должна определяться с учетом окружения элемента в бесконечной решетке. Эффекты взаимной связи учитываются при этом в диаграмме направленности элемента (соответствующей одному возбужденно­ му элементу в решетке при остальных окружающих элементах, соответствующим образом нагруженных). Можно получить неко­ торое общее выражение, связывающее коэффициенты взаимной связи, коэффициенты отражения и диаграмму направленности по мощности одного элемента. Кроме того, используя понятие идеальной диаграммы направленности по мощности элемента решетки, можно сформулировать концепцию идеально согласован­ ных антенных решеток.

В последние годы большое внимание уделялось бесконечным антенным решеткам из щелевых излучателей, вибраторов и элемен­ тов типа «листок тока». Однако структура таких моделей и необхо­ димость упрощающих предположений при анализе ограничивают их применение при разработке практически используемых излу­