Файл: Амитей Н. Теория и анализ фазированных антенных решеток.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 211
Скачиваний: 1
Основы теории антенных решеток |
21 |
вается ыа характеристиках согласования антенной решетки. Как только основной лепесток и дифракционные лепестки начинают сканировать, согласование антенны может измениться (вследствие взаимного влияния элементов, которым мы пренебрегли).
Иа рнс. 1.6 показаны два главных лепестка, которые в резуль тате сканирования оказались точно на единичной окружности;
Рис. 1.6. Диаграмма дифракционных лепестков для решетки
сквадратной сеткой.
О— основной лепесток; • — дифракционный лепесток.
такие лепестки известны как касательные плп зарождакщиеся дифракционные лепестки.
На рис. 1.7 представлена другая трактовка диаграммы диф ракционных лепестков. Вокруг каждой точки, соответствующей неотклоиениому дифракционному лепестку, проведёна окружность единичногорадиуса. Эти окружности определяют интервалы углов сканирования для различных дифракционных лепестков, соответ ствующие сканированию основным лепестком всего действитель ного пространства.
На рис. 1.7 имеются участки пространства, которые не принад лежат ни одному из кругов. Если значения управляющих фаз таковы, что основной лепесток попадает на один из таких участков (например, Т0 на рис. 1.7), то в действительном пространстве не оказывается ни основного, ни дополнительного главного лепе стка. Для антенных решеток средних размеров, имеющих узкие лучи при небольшом уровне боковых лепестков, этой ситуации соответствовало бы возрастание отражения падающих волн [в любом (передающем плп приемном) варианте использования антенной решетки]. В бесконечной антенной решетке имело бы место полное отражение приходящих сигналов.
22 |
Глава 1 |
Областям действительного пространства, заключенным в одном или нескольких кругах, должны соответствовать направления сканирования, при которых в действительном'пространстве суще ствует один или несколько лучей. В большинстве случаев эта ситуация нежелательна, и на практике ее стремятся устранить
Рис. 1.7. Модифицированная диаграмма дифракционных лепест ков.
О — основной лепесток; • — дифракционный лепесток.
либо путем ограничения сектора сканирования, либо с помощью уменьшения расстояний между элементами в решетке.
Между максимальным значением угла сканирования 0маКс в направлении Тх или Ту, прп котором в действительном простран стве еще не появляется дополнительный главный лепесток, н рас стоянием между излучателями существует следующее простое соотношение [10]:
Ь |
d ^ |
________ 1________ |
(14) |
|
X ’ |
X |
1 + 1sin ©макс I |
||
|
Для каждого заданного сектора сканирования желательно минимизировать число элементов, которое необходимо разместить в раскрыве антенной решетки определенных размеров. Причина такой минимизации состоит в том, что коэффициент направленною действия антенной решетки приблизительно пропорционален ее геометрическим размерам, тогда как стоимость решетки опреде ляется числом используемых элементов.
Таким образом, исходя из формы области сканирования на пло скости ТХТУ, можно разместить элементы антенной решетки по узлам двоякопериодической сетки, оптимальной с точки зрения
Основы теории антенных решеток |
23 |
минимума числа элементов, которое требуется для реализации однолучевой диаграммы направленности в пределах области ска нирования.
Оптимальная сетка не обязательно должна быть прямоуголь ной. Множитель решетки для непрямоугольной сетки можно полу чить из выражения (7), если модифицировать соответствующим образом выражение (1) для р„,„ [11, 12]. Например, для области сканирования на плоскости ТХТУв виде круга оптимальной оказы вается равносторонняя треугольная сетка [11].
2.1.4. Расширение луча в зависимости от угла сканирования.
Разрешающая способность радиолокационной системы зависит от ширины луча ее антенны. Если ширина луча меняется с изме нением направления излучения, то разрешающая способность становится функцией угла сканирования. В разд. 2.1.3 мы рас смотрели поведение множителя решетки S aв пространстве направ ляющих косинусов и убедились, что S a является периодической функцией, инвариантной (не считая смещения) относительно всех линейных фазовых распределений возбуждения. Следовательно, система координат (Тх, Ту) представляется наиболее естественной для описания некоторых аспектов поведения ФАР. Для исследо вания поведения множителя решетки S (0, <р) как функции направ ления сканирования в сферической -системе координат (0, ф) построим функцию S (0, ф), проектируя S a (Тх, Ту) на полусферу единичного радиуса (рис. 1.8). Благодаря этому мы сможем интерпретировать диаграмму направленности для любого желае мого угла сканирования в сферических координатах (0, ф).
Координатная система направляющих косинусов (Тх, Ту) свя зана с координатами (0, ф) нелинейным преобразованием (4). Поэтому при возбуждении антенной решетки с помощью линей ного фазового распределения форма луча в координатах (0, ф) искажается. Для анализа искажений луча, возникающих при' сканировании, рассмотрим узкий «карандашный» луч квадрат ной антенной решетки при равномерном ее возбуждении. Контур луча, соответствующий уровню —3 дБ (который можно считать за ширину луча), представляет собой на плоскости ТХТУпракти чески окружность [9, 13] (рис. 1.8). Прп отклонении луча от нор мали к плоскости решетки этот контур остается без изменений на плоскости ТХТУ (окружности, расположенные по оси Ту), однако его проекция на полусферу единичного радиуса существен но изменяется (рис. 1.8).
Если луч ориентирован в направлении, близком к каса тельной, форма луча становится эксцентрической [9], так как максимум луча при 0Оне попадает в центр отрезка между точками 0j и 02 (рис. 1.8), соответствующими половине мощности. Для лу-
24 |
Глава 1 |
чей, которые не приближаются к касательной плоскости (0 = я/2) ■ближе чем на угол, равный нескольким значениям ширины луча, показано, что для большинства практически используемых ампли тудных распределений размер луча В в и i?(p по направлениям 0
и ср не зависит от азимутального угла сканирования ср0. Расшире ние луча определяется формулой
Be ~ |
Вп |
(15) |
|
COS 0 0 |
|||
|
’ |
где В 0 — ширина луча при излучении по нормали. Коэффициент расширения луча 1/cos 0Оможно связать с уменьшением эффек тивной проекции площади излучающего раскрыва антенной ре шетки при сканировании.
3 . ЭФФЕКТЫ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ И ПОНЯТИЕ БЕСКОНЕЧНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
До сих пор мы говорили только о множителе решетки. Если в качестве излучающих элементов антенной решетки используются антенны с неизотропной диаграммой излучения, диаграмму на правленности антенной решетки можно представить в виде произ ведения множителей элемента и решетки. Это утверждение осно-
Основы теории антенных решеток |
25 |
вано на предположении о том, что взаимным влиянием элементов антенной решетки можно пренебречь. Теперь мы проверим спра ведливость этого предположения, в частности для близко распо ложенных (b, d Х/2) элементов в антенной решетке.
3.1.Недостаточность упрощенной теоретической
модели антенной решетки |
. s |
Если несколько нзлучахощнх элементов собраны в антенную решетку, между ними в общем случае возникают взаимные связи. Взаимные связи между элементами в решетке проявляются сле дующим образом:
1.Сопротивление излучения элемента в антепной решетке отли чается от его сопротивления в свободном пространстве и является функцией угла сканирования, т. е.фазировки антенной решетки.
2.Изменяется диаграмма направленности элемента.
3.Возникают искажения в поляризационных характеристиках. Причина изменения сопротивления излучения элемента в фази
рованной антенной решетке при сканировании рассмотрена немно го ниже. Изменения сопротивления излучения влекут за собой пмпедансное рассогласованпе между антенной п линией передачи, которое сопровождается снижением к. п. д. антенной решетки и появлением паразитных лепестков [10, 15, 16]. Для антенной решетки конечпых размеров сопротивление излучения элемейта и его диаграмма направленности в некоторых пределах зависят также от положения элемента, поскольку взаимные связи про являются по-разному для различных элементов (этот вопрос обсуж дается в гл. 8). Следовательно, в этом случае принцип перемно жения диаграмм направленности может оказаться неприменимым.
Один из явно выраженных эффектов взаимного влияния, наблю давшийся в экспериментах, показан на рис. 1.9 п 1.10. В диаграм мах направленности центральных элементов двух решеток (осталь ные элементы нагружены на поглощающие сопротивления) появи лись резкие глубокие провалы. Если же такие волноводные элементы установить па металлической плоскости отдельно, в отсут ствие каких-либо других элементов, резких провалов не наблю дается: диаграмма’ направленности оказывается достаточно глад кой. Следовательно, наблюдаемое различие между диаграммами направленности антенного элемента при наличии и отсутствии окружающей его антенной решетки является результатом взаим ного влияния элементов.
Важность этого явления можно оценить, анализируя следую щую ситуацию. Пусть возбуждается полностью вся антенная решетка, причем основной луч отклоняется до направления, соот ветствующего появлению резких провалов в диаграмме. В этом случае центральный элемент (а также большинство других эле
26 |
' Глава 1 |
ментов антенной решетки) оказывается неспособным излучать сколько-нибудь существенную часть получаемой энергии, в резуль тате чего возникает резкое рассогласование между раскрывом
У
□ |
с:] |
□ |
! 1 |
а Ь |
|||
о |
с : |
и |
Т 1 |
и |
L . |
|
|
□ |
с:] |
□ |
|
|
~ -1сг 1- |
|
|
|
■i |
b |
|
Квадратная сетка
6 =0,6729 А а =0,6305 Л
-90 |
-60 |
-зо |
о |
30 |
60 |
до |
|
|
Угол |
сканирования, град |
|
|
Рис. 1.9. Диаграмма направленности в ^-плоскости централь ного элемента антенной решетки из 19 X 19 квадратных волио- .
водов.
У
А |
11 |
1 |
i |
1 |
|
||
J 1 _ ] |
1 |
кЕЕЭЙ |
|
к °-н 1 |
1|/Я |
Треугольная сетка Ь = 1,0080 Л 0=0,5040 А а = 0,9050А.
С = 0,40 А
Рис. 1.10. Диаграмма направленности в Я-плоскостп централь ного элемента антенной решетки из 7 X 7 прямоугольных" волно водов (треугольная сетка).
антенны н цепями питания. Фактически почти вся поступающая мощность будет отражаться. Большие антеипые решетки при таких углах сканирования попадают в режим, называемый «ослеп лением». Необходимо отметить, что «слепые» направления скани рования имеют место в действительном пространстве только в том