2.4. Методика расчета линейной волноводно-щелевой

решетки излучателей с частотным сканированием

Расчет волноводно-щелевой решетки излучателей с частотным сканированием состоит из определения па­раметров волновода, возбуждающего щелевые излуча­тели, и расстояния между излучателями d с учетом ска­нирования луча в заданном угловом секторе, расчета излучателей и их связи с волноводом для обеспечения требуемого закона распределения излучаемой мощности вдоль решетки и расчета диаграммы направленности решетки.

Особенностью определения параметров волновода и расстояния d является то, что параметры волновода γ и d является то, что при заданных секторе сканирования ∆θ и рабочей длине волны λ связаны одним уравнением [(2.21) или (2.22)]. Поэтому для нахождения одной из искомых величин приходится предварительно задаваться остальными величи­нами, входящими в это уравнение. Например, чтобы опре­делить величину γ , надо задаться значением величин θ и d. Меняя значения величин θ и d можно получить несколько вариантов возможной волноводной возбуж­дающей системы, а затем выбрать тот из них, который позволяет лучше удовлетворить главным требованиям технического задания (например, минимальное измене­ние частоты при сканировании, малый коэффициент затухания в волноводе, высокая углочастотная чувстви­тельность решетки й т.д.).

Перейдем к изложению методики расчета волноводно-щелевой решетки излучателей с частотным сканировани­ем. С целыо облегчения изложения введем обозначения:

Р- мощность, излучаемая антенной, квт ;

λ_мин , λ_ср , λ_мах — соответственно минимальная, сред­няя и максимальная длины волн генератора, см;

— относительное изменение длины волны генератора, %.

Θ_мин, Θ_ср , Θ_мах —направление главного максимума диаграммы направленности соответственно при λ_мин , λ_ср , λ_мах , град ;

2θ_0.5 - ширина главного лепестка диаграммы направ­ленности на уровне, половинной мощности при λ= λ_ср , град.

Уравнение (2.22) на границах сектора сканирования, ограниченного, углами Θ_мах и Θ_мин имеет вид

При проектировании могут встретиться различные ва­рианты заданий. Приведем некоторые из них.

Вариант 1. Заданы Р, λ_ср , , 2, 2θ_0.5 . При про­ектировании определить возможный сектор сканирова­ния ∆θ.

Вариант 2. Заданы P, λ_ср , , 2θ_0.5, ∆θ . При про­ектировании определить возможное направление луча θ_ср

Вариант 3. Заданы Р, λ_ср , , 2θ_0.5 . При проекти­ровании определить направление луча θ_ср, для которого сектор сканирования ∆θ будет наибольшим.

Вариант 4. Заданы Р, λ_ср, 2θ_0.5 , θ_ср, ∆θ . При проекти­ровании обеспечить заданный сектор сканирования при возможно меньшем относительном изменении длины волны .

При расчете любого из вариантов рекомендуется пользоваться графиками рис. 2.9—2.12 и материалами, приведенными в § 2.1—2.3.

Рассмотрим примерную методику расчета для случая, когда заданы Р, λ_ср , , 2θ_0.5 , θ_ср и надо определить возможный сектор сканирования ∆θ .

1.Выбираем тип излучателей и номер рабочего луча. С учетом соображений, изложенных в § 2.3, выбираем в качестве излучателей антенной решетки щели, переменнофазно связанные с полем волновода, и номер луча n=0.

2.Пользуясь кривыми рис. 2.9, 2.10, 2.13, проводим прикидочный расчет возможных вариантов

ния заданного направления луча θ_ср. Исходя из задан­ных λ_ср и , находим длины волн λ_мах. и λ_мин. Рас­чет начинаем с выбора величины соответствующей γ_ср. Учитывая, что углочастотная чувствительность А [формула. (2.20)] будет больше при меньших γ , γ_ср жела­тельно выбирать меньше 0,5, однако при этом надо помнить, что при изменении частоты γ_мин может оказаться меньше 0,36 и потери в волноводе возрастут. По этой причине γ_ср близкое к величине 0,36 выбирать нецеле­сообразно. По графикам рис. 2.13 ориентировочно находим величину γ_ср при условии λ/d>1 для получения требуемого направления луча θ_ср . По кривым рис. 2.9, 2.10 для известных γ_ср и θ_ср находим величину 2a/d, которая для проектируемой антенны является конструктивным параметром и, следовательно, при частотном сканировании будет сохраняться неизменной. Далее определяем γ_мах и γ_{мин ,} найдя предварительно размер а волновода, соответствующий величине γ_ср. Для нахождения разме­ра а и замедлений γ_мах и γ_мин можно использовать формулу (2.16) или графики γ=γ(λ/2а) на рис. 2.8 или 2.9, 2.10. Для определения углов θ_мах и θ_мин на графике рис. 2.9, 2.10 находим точки пересечения вертикальных линий, соответствующих γ_мах и γ_мин с линией при 2a/d=const (значение параметра 2а/d было найдено выше). Если точка пересечения лежит выше линии n = 0, то такой режим неосуществим и рас­чет следует проделать заново, задавшись другой вели­чиной γ_ср. Обычно бывает желательным получить наи­больший сектор сканирования ∆θ при заданном относи­тельном изменении длины волны . Поэтому при расчете можно задаться двумя-тремя значениями γ_ср и найти наибольший возможный сектор.

Учитывая приближенность проделанного расчета, связанного с погрешностью определения расчетных ве­личин по графикам, далее производим уточнение этих величин (пункты 3—6).

3. Для выбранной величины γ_ср по уравнению (2.22) уточняем расстояние между излучателями:

Здесь следует проверить выполнение условия d ≤d_max при λ= λ_min [см. формулу (2.24)], во избежание появле­ния боковых главных максимумов.

экспоненциального, определение величин L_A, η_A и N можно производить так, как дано ниже в пп. 13-15.

13. Выбираем равномерный или экспоненциальный закон распределения излучаемой мощности вдоль ре­шетки излучателей и, исходя из заданной ширины глав­ного лепестка 2θ_0.5 , находим ориентировочно длину антенной решетки из формулы (2.15):

Lэф определяется из формулы (2.9) или (2.12) в пред­положении, что L =L_эф при λ= λ_ср .

Уточняем L_А проверкой выполнения условия 2θ^* _0.5 ≈2θ_0.5 , где 2θ^* _0.5 — ширина главного лепестка, опреде­ленная по формуле (2.14).

14. Определяем к. п. д. антенной решетки по форму­ле (2.8) или (2.11) на краях рабочего диапазона волн.

15. Находим число излучателей антенной решетки;

16*). Выбираем размеры щелевых излучателей и рас­положение их на стенке волновода с учетом выбранного закона распределения излучаемой мощности вдоль ре­шетки излучателей.

17*). Рассчитываем диаграмму направленности при λ= λ_min, λ_{ср ,} λ_max.

Определяем соответствие ширины главного лепестка диаграммы направленности требуе­мой и изменение ее при сканировании.

18*). Находим коэффициент направленного действия (к. н. д.) антенной решетки.

1. Составляем электрическую схему антенны.

2. Рассчитываем фидерный тракт, соединяющий передатчик с антенной.

Конструирование антенны ведется с'учетом ее при­менения.

Приведённая методика в основном сохраняется и при расчете других вариантов(2—4), меняется лишь п. 2.

Для варианта 2 прикидочный расчет (п. 2) для опре­деления направления луча θ_ср, при котором может быть получен требуемый сектор сканирования ∆θ, произво­дится с помощью графиков рис. 2,9 и 2.10. Так как углочастотная чувствительность будет большей при ма-

_______________________________

*) Пункты 16—18 выполняются по методике, изложенной в гл. 5.

лых γ, то, задавшись γ_мин близким к 0,36, определяем γ_мах способом, указанным в п. 2, Проведя две верти­кальные линии, соответствующие значениям γ_мин и γ_мах и горизонтальную линию λ /d=1, получим на графике область для выбора θ_ср , при котором, может быть полу­чен требуемый сектор сканирования. Расчет сводится к определению расстояния между излучателями кото­рое обеспечивает требуемый ∆θ при выбранных γ_мин и γ_{мах .} Используя кривые λ/d(γ) при 2a/d = const, на графике в полученной области находим кривую, при движении вдоль которой от γ_мах до γ_мин получаем тре­буемое значение ∆θ. Далее, определив

находим θ_ср . С п. 3 расчет ведется согласно методике, изложенной выше.

Для варианта 3 прикидочный расчет ведется анало­гично расчету для варианта 2 с тем лишь отличием, что определяется θ_ср, для которого ∆θ будет максимальным.

Для варианта 4 прикидочный расчет в п. 2 сводится к получению заданного сектора ∆θ при возможно мень­шем изменении длины волны, т. е. желательно, чтобы было небольшим. С этой целью по графику рис. 2.1З находим область замедлений, при которых воз­можно получить заданное направление θ_ср. Выбираем два-три значения γ_ср, соответствующие θ_ср. По задан­ным ∆θ и θ_ср находим границы сектора сканирования θ_мах и θ_мин. Для каждого из выбранных значений проделываем следующий расчёт. По γ_ср и λ_ср находим размер волновода а и определяем параметр Далее по графикам рис 2.9, 2.10 определяем значения и , соответствующие точкам пересечения прямых

с кривой при найденном параметре 2а/d. Длины волн определяются из формул:

а изменение длины находится из формулы ∆λ= , Повторив такой же расчет и для других значе­ний γ_ср, найдем новые значения ∆λ. В результате расчета определяем γ_ср, соответствующее меньшему изме­нению ∆λ , обеспечивающему требуемый сектор ∆θ.

Уточнение параметров антенны ведется далее, на­чиная с п. 3, по методике, изложенной выше.

При расчете варианта 4 может оказаться, что сектор сканирования ∆θ требуется значительный (например, ∆θ >ЗО°). В этом случае для уменьшения требуемой величины при сканировании можно использовать систему параллельных волноводов с разным расстоя­нием между излучателями. Каждый волновод при оди­наковом изменении будет обеспечивать сканиро­вание в соответствующем секторе, а сумма этих секто­ров должна быть равной полному сектору. Конструкция такой антенны будет более сложной, так как она долж­на состоять из нескольких волноводов, переключаю­щихся при переходе с одного сектора сканирования на другой. Методика расчета такой антенный несколько иная, чем одиночной волноводно-щелевой антенны, од­нако при расчете каждого из волноводов можно вос­пользоваться уже рассмотренной методикой. Разделе­ние полного сектора сканирования на составные и определение числа необходимых волноводов можно про­извести, используя графики рис. 2.10, 2.11, а также ра­боту [ЛО 10].

Литература

1. "Сканирующие антенные системы СВЧ", т. I и II. Пер. с англ., под ред. Г. Т. Маркова и А. Ф. Чаплина. Изд-во «Советское радио», 1966 и 1969.

2. S h n i i k i n H. Electronically scanned antennas. The Microwave Journ., I960, Dec., Ш 12, p. 67—72, 1961, Jan., № 1, p. 57—64.