30

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

В.В. Шагаев

ОСНОВЫ ТЕОРИИ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

Методические указания по выполнению домашнего задания по специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» по дисциплине «Радиотехнические системы и устройства» (10-й семестр)

Калуга, 2012

Обсуждено и одобрено на заседании кафедры

«Конструирование и производство электронной аппаратуры»,

протокол № от « » января 20 г.

Оглавление

Общие свойства и назначение антенных решеток 4

Диаграмма направленности линейной решетки 5

Линейная антенная решетка с равномерным амплитудным и

линейным фазовым распределением возбуждения излучателей 7

Плоские антенные решетки с равномерным амплитудным и

линейным фазовым распределением возбуждения излучателей 15

Полосковые антенные решетки 18

ПРИЛОЖЕНИЕ. Основные характеристики и параметры антенны 25

Литература 27

Контрольные вопросы 27

Задачи для самостоятельного решения и

правила составления отчета по ДЗ 28

Общие свойства и назначение антенных решеток

Рис. 1. Фазированная антенная решетка.

Антенная решетка представляет собой систему слабонаправленных излучателей, расположенных друг от друга на некотором расстоянии, обычно меньшем длины волны. Как правило, излучатели делаются одинаковыми. Все излучатели в режиме передачи возбуждаются от общего генератора, а в режиме приема работают на общую нагрузку (приемник). Распределение мощности генератора в режиме передачи между излучателями осуществляется с помощью системы распределения мощности. Эта же система обеспечивает объединение мощности, принятой отдельными излучателями, в общей нагрузке. Приближенно коэффициент направленного действия решетки (КНД) равен произведению КНД одного излучателя на число излучателей (терминология – см. Приложение). При большом числе излучателей возможно достижение больших значений КНД, поэтому антенные решетки относятся к классу средне- и высоконаправленных антенн, хотя нередко используются антенные решетки с небольшим числом излучателей.

Антенные решетки применяются в миллиметровом, сантиметровом, дециметровом, метровом и в отдельных случаях в декаметровом диапазонах волн. Причем в дециметровом и метровом диапазонах антенные решетки как средне и высоконаправленные антенны используются вместо зеркальных антенн, которые в этих диапазонах имеют слишком большую массу.

Амплитудное распределение возбуждения излучателей в антенной решетке делается таким, чтобы обеспечить уровень боковых лепестков не более допустимого. Фазовое распределение делается равномерным или линейным. Линейное фазовое распределение обеспечивает сканирование, т.е. перемещение диаграммы направленности (ДН) в пространстве. Электрическое сканирование производится путем изменения параметров линейного фазового распределения с помощью электрически управляемых фазовращателей, включаемых в каждый излучатель или в группу излучателей. Такие излучатели строятся с применением намагниченных ферритов или p-i-n диодов и управляются с помощью специальной ЭВМ.

По способу размещение излучателей в пространстве антенные решетки делятся на линейные, в которых излучатели расположены вдоль линии; двухмерные, в которых излучатели расположены на поверхности; трехмерные, в которых излучатели расположены в некотором объеме.

Диаграмма направленности линейной решетки

Линейные антенные решетки чаще всего делаются прямолинейными, реже дуговыми или кольцевыми. Двухмерные решетки – обычно плоские. Трехмерные используются редко. В линейных и плоских решетках излучатели, как правило, идентичны друг другу. Такие решетки могут быть эквидистантными, когда расстояние между соседними излучателями на всей решетке одинаково, и неэквидистантными, когда расстояние между соседними излучателями меняется вдоль решетки. Чаще всего используются эквидистантные антенные решетки.

Рис. 2. Геометрия расположения излучателей.

Пусть излучатели размещены вдоль оси L, а точка наблюдения P расположена в дальней зоне. Кроме того, r – расстояние между началом координат и точкой P; θ – угловая координата, задающая направление наблюдения в плоскости, проходящей через ось L и вектор r; n – номер излучателя (1≤ n ≤N); d – расстояние между соседними излучателями. Поле излучателя с номером n в дальней зоне описывается выражением вида , где f₁(θ,φ) – диаграмма направленности одного излучателя (угол φ задает положение плоскости Lr относительно поворота вокруг оси L); – круговая частота; и – волновое число и длина волны излучения соответственно.

Поле излучения антенной решетки представляет собой результат интерференции полей отдельных излучателей, и в соответствии с этим ДН решетки определяется выражением

. (1)

Здесь А_n – амплитудное распределение возбуждения излучателей (АР); Φ_n – фазовое распределение возбуждения (ФР); . Экспоненты в формуле учитывают фазовые сдвиги, обусловленные ФР и разницей расстояний, проходимых интерферирующими волнами от места излучения до точки наблюдения.

Запишем выражение (1) в виде

, (2)

где введено обозначение для множителя системы

. (3)

Из выражений (1) и (3) следует, что множитель системы зависит от амплитудного и фазового распределений, расстояния между соседними излучателями d, числа излучателей N, длины волны λ, угла θ, но не зависит от угла φ. Физически, множитель системы – это ДН антенной решетки из изотропных излучателей с f₁(θ,φ) = const. Для того чтобы выяснить зависимость ДН решетки от указанных выше параметров, достаточно проанализировать множитель системы. Это связано с тем, что направленность антенной решетки по углу θ при большом числе излучателей в основном определяется именно множителем системы, так как направленность отдельного излучателя по углу θ, как правило, слабая. По углу же φ ДН решетки определяется ДН отдельного излучателя. Выясним основные особенности ДН антенной решетки.