Глава 2

АНТЕННЫ С ЧАСТОТНЫМ СКАНИРОВАНИЕМ *)

2.1. Основные соотношения для линейной решетки излучателей с частотным сканированием [ло 9, ло 10, л1, л2]

Последние десять лет большое внимание уделяется антеннам с электрическим управлением лучом, так как они позволяют осуществлять с большой скоростью обзор пространства в требуемом секторе без громоздких механических устройств, необходимых в антеннах при неэлектрическом управлении лучом. Снижение веса и уменьшение габаритов антенных устройств особенно важно для антенн, устанавливаемых на летательных аппаратах.

Частотное управление лучом антенны является одним из способов электрического управления и основано на изменении электрического расстояния между излучате­лями, возбуждаемыми бегущей волной, при изменении частоты генератора. При этом способе управления лу­чом для осуществления обзора пространства в достаточ­но большом секторе требуется генератор с электрической перестройкой частоты в широком диапазоне.

В антеннах СВЧ с частотным управлением лучом излучатели, как правило, расположены непосредственно на возбуждающей системе. На рис. 2.1 показаны линейные решетки излучателей, прорезанные на одной из 'стенок прямоугольного волновода. Для получения управляемой карандашной диаграммы направленности необходима двумерная решетка излучателей. Подобную решетку можно создать из линейных решеток, расположенных оп­ределенным образом на заданной поверхности. Некото­рые возможные варианты таких антенн показаны на рис. 2.2.

____________________

*) Вопросы теории и расчета антенн с частотным сканированием наиболее полно впервые были рассмотрены Л. Н. Дерюгиным.

В антеннах, представляющих собой линейные решет­ки излучателей, возбуждение чаще всего осу ществляется по последовательной или параллельной схемам, показан­ным на рис. 2.3.

Направление излучения линеиной решетки при эквидистантном расположении излучателей (рис. 2.3) определяется уравнением

где — угол отклонения луча от нормали к оси решетки излучателей; - замедление фазовой скорости v в канализирующей системе, возбуждающей излучатели; с = 3 • 10⁸ м/сек; - длина волны генератора; - номер луча; Ф — фиксиро­ванный сдвиг то фазе между соседними излучателями,

обусловленный включением дополнительных фазовраща­телей (рис. 2.3,в); — геометрическая разность длин ка­нализирующих систем двух соседних излучателей; d — раостояние между излучателями.

При изменении частоты генератора вследствие зави­симости и от частоты f угол излучения меняется и луч антенны движется в пространстве.

Углочастотной чувствительностью антенны называют скорость, изменения положения, луча антенны в пространстве при изменении частоты (длины волны) и выражается она в градусах на процент изме-

Рис. 2.2. Антенны, образованные линейными решетками излучателей: а - плоская двумерная решетка; б — двумерная решетка, расположенная на цилиндрической поверхности; в— плоская «веерообразная» двумерная решет­ка; г —двумерная решетка, расположенная на конической поверхности.

нения частоты (длины волны) :

где — замедление групповой скорости вол­ны распространяющейся в канализирующей системе; коэффициент 0,573 служит для перевода углочастотной чувствительности из безразмерных единиц в единицы [град/процент изменения частоты].

Рис. 2.3. Линейная решетка излучателей с возбуждением:

а — по параллельной схеме; б — по последовательной схеме; в - возбуждение излучателей периодической замедляющей системой.

Из выражения (2.2) следует, что углочастотная чувствительность зависит от положения луча, дисперсионных свойств системы и соотношения . Чем больше и тем выше углочастотная чувствительность.

Замедления групповой и фазовой скоростей связаны выражением

Если известна дисперсионная характеристика канали­зирующей системы (рис 2.4), то определяет­ся графически отрезком на оси ординат, отсекаемым ка­сательной к кривой , проведенной через точку, соот­ветствующую величине в системе, как это показано на рис. 2.4.

Замедление групповой скорости связано также с проходящей вдоль системы мощностью Р и погонной накопленной в системе электромагнитной энергией W. При этом . Замедление групповой скорости

Повышение углочастотной чувствительности антенны требует использования канализирующих систем с высо­ким значением ,что в свою очередь может быть до­стигнуто увеличением отношения W/P.

Предельное значение проходящей вдоль канализирующей системы мощности Р_пред может быть определено как

где —предельное значение погонной электромаг­нитной энергии системы, ограничиваемое эффективным поперечным сечением си­стемы и электрической прочностью .

Последнее выражение позволяет установить связь мощности Р_пред с углочастотной чувствительно­стью А, так как обе эти ве­личины зависят от , и сделать вывод, что с ростом величины А предельная мощность всегда падает. При заданной величине А увеличение предельной мощ­ности для любого типа системы может быть до­стигнуто лишь увеличением W_пред. Однако следует ого­вориться, что в ряде случаев предельно пропускаемая мощность ограничивается электрической прочностью из­лучателей.

Тепловые потери в стенках канализирующей системы обусловлены затуханием распро­страняющейся в ней волны.

Коэффициент затухания определяется по формуле

где Р_пот мощность потерь на единице длины системы; Р — мощность, проходящая вдоль системы.

Затухание в канализирующей системе на расстоянии длины волны с учетом соотношения (2.5) определяется выражением

где Q —добротность канализирующей системы, ;

Для канализирующих систем типа замедлйющшх периодических структур с периодом t добротность не пре­вышает значений ( -глубина проникновения поля в металл). В реальных конструкциях Q=0.3Qmax ,что позволяет оценить ожидаемые потери в системе.

Нетрудно также из соотношений' (2.2) и (2.7) сделать вывод о том, что увеличение углочастотной чувствитель­ности всегда сопровождается ростом потерь в системе. Наличие потерь в канализирующей системе наклады­вает ограничение на длину решетки излучателей, так как с ростом длины уменьшается ее коэффициент полезного действия (к. п. д.), что в свою очередь ограничивает по­лучение узких диаграмм направленности решетки излу­чателей.

Ширина диаграммы нaправленности и к.п.д. зависят также от закона распределения излучаемой мощности вдоль решетки. На практике получили распространение законы распределения: экспоненциаль­ный, когда каждый излучатель излучает одинаковую до­лю подходящей к нему мощности бегущей волны; равномерный, когда каждый излучатель излучает одинаковую мощность, и другие специальные виды распределения (например, симметричное относительно центра решетки и опадающее к ее краям). В случае равномерного распределения к. п. д. решёт­ки излучателей определяется выражением, справедливым при (что на практике обычно выполняется),

где Ро-мощность в начале антенны; Р_L — мощность в конце антенны; L - длина антенны.

Ширина диаграммы направленности по уровню поло­винной мощности при излучении вблизи нормали к оси решетки определяется по формуле

С учетом выражений (2.8) и (2.9) получим связь между и :

В случае экспоненциального распределения

Ширина диаграммы нaправленности зависит от отно­сительной величины мощности, доходящей до конца. При P_L/Po=0,05 (коэффициент использования раскрыва при этом равен 0,83)

С учетом выражений (2.11) и (2.12) получаем при P_L/Po= 0,05:

При определении ширины диаграммы нanравленности по формулам (2.9) и (2.12) величины и L подставля­ются в одинаковых единицах.

На рис. 2.5 приведены зависимости по­строенные по формулам (2.10) и (2.13). Кривые 1 и 2 по­лучены для решеток излучателей с равномерным распре­делением соответственно при P_L/Po=0,05 и P_L/P₀=0. Кривая 3 построена для экспоненциального распределе­ния при P_L/Po=0,05. Как следует из графика, решетка с экспоненциальным распределением имеет более высокий к.п.д. Кроме того, такая решетка допускает комму­тацию направления возбуждения, что позволяет увели­чить сектор перемещения луча при том же изменении ча­стоты и к. п. д.

Рабочий сектор пространства, просматри­ваемого лучом решетки излучателей, может располагать­ся лишь в пределах сектора прозрачности периодической структуры, используемой в качестве канализирующей системы (см. рис. 2.3,в). Все периодические структуры, при­меняемые в антеннах с частотным управлением, являют-

Рис. 2.5. График зависимости к. п. д. антенны от отношения затухания на длину волны к ширине диаграммы направленности.

ся полосовыми фильтрами, обладающими частотными по­лосами прозрачности, которым соответствуют угловые секторы прозрачности. Ширина и ориентация этих сек­торов зависят от типа периодической структуры, особен­ностей излучателей и числа ячеек структуры между из­лучателями.

Как следует из выражения (2.1), направление луча решетки излучателей в пространстве зависит от допол­нительного фиксированного фазового сдвига Ф в возбуж­дающем устройстве между соседними излучателями. При использовании дополнительных фиксированных сдвигов перед излучателями включаются фазовращатели, фазовые сдвиги которых нарастают на один и тот же угол при переходе к каждому последующему излучателю. Фиксированные фазовращатели могут быть выполнены, например, в виде отрезков линии разной длины, идущих к излучателям (см. рис. 2,3,а). Достаточно просто можно реализовать дополнительный фазовый сдвиг π. Например, при использовании в качестве канализирующей си­стемы (прямоугольного волновода с волной Н₁₀ фазовый сдвиг, равный π, можно получить, применив излучающие щели переменно -фазно связанные с полем волновода.

При перемещении луча в пространстве происходит изменение формы главного лепестка диаграммы направ­ленности. По мере отклонения к оси решетки главный лепесток расширяется и становится несимметричным от­носительно направления θ. Изменение ширины главного лепестка будет небольшим при сканировании в угловом секторе вблизи нормали к оси решетки и резко возрас­тает по мере приближения к оси решетки. Сохранить неизменной ширину главного лепестка при широкоуголь­ном сканировании теоретически возможно, но практиче­ски трудно.

Ширина главного лепестка на уровне половинной мощности с учетом его несимметрии для решетки длиной с равномерным распределением излучаемой мощ­ности может быть оценена по соотношению

При осевом излучении ширина главного лепестка оказы­вается в 2,14 раза больше ширины главного лепестка при излучении по нормали.

Изменение ширины главного лепестка при его движе­нии может быть объяснено изменением эффективной дли­ны*) L_эф решетки излучателей и амплитудного распреде­ления вдоль нее. L_эф в первом приближении для углов θ<70-75° (в зависимости от длины решетки L) может быть определена как проекция длины решетки L на на­правление, перпендикулярное к главному максимуму направленности:

При это допущение уже хорошо оправдывается.

Так, ошибка в определении L_эф по формуле (2.14) при и θ=70º составляет ~l,5%

_______________________________________

*) Под эффективной длиной понимается длина равномерной син­фазной линейной решетки, дающей на уровне половинной мощности диаграмму направленности такой же ширины, что и рассматриваемая решетка.

по отношению к значению L_эф определенному по более строгой формуле (см. [ЛО 9], стр. 354)

B некоторых случаях допустимое расширение главно­го лепестка может ограничивать вектор сканирования.

Неотъемлемой частью антенны с частотным сканиро­ванием является перестраиваемый по частоте генератор. Точность определения положения луча в пространстве зависит от стабильности и точности установки заданной частоты в таком генераторе. В настоящее время имеются генераторы сантиметрового и дециметрового диапазонов волн, электрически перестраиваемые в достаточно широ­ком диапазоне частот (от ± 10% до октавы). Диапазон частотной перестроки генератора в значительной мере зависит от его мощности и рабочей частоты. Соответст­венно имеются и широкополосные усилители, которые могут быть использованы в приемном устроистве.

В ряде случаев для возбуждения антенны можно ис­пользовать возбудители, выполненные по сложной схеме и содержащие генератор сравнительно небольшой мощ­ности с широкой электронной перестроикой частоты и широкополосные мощные усилители. В тех случаях, ког­да требуемый диапазон частот нельзя перекрыть одним усилителем, используют несколько усилителей, при этом каждый из них работает в отведенной ему части диапа­зона рабочих частот. Такой способ может быть использо­ван в случае, когда требуется 'менять направление луча в пространстве при сохранении сектора его качания.

Однако при проектировании антенны с частотным сканированием следует помнить, что использование ши­рокого диапазона частот потребует применения излуча­телей, переходных и развязывающих элементов и т. п., имеющих широкую полосу пропускания и обладающих в этой полосе малым затуханием. Иначе могут наблю­даться значительные изменения излучаемой антенной мощности и формы диаграммы направленности при из­менении частоты.