11.2. Многолучевые антенные решетки
Электрическое сканирование ДН может осуществляться с помощью многолучевых антенных решеток (МАР), представляющих собой антенны с несколькими независимыми входами, каждому из которых соответствует собственная (парциальная) ДН, часто условно называемая лучом [2—5, 14, 48]. При подаче колебаний на любой вход МАР в раскрыве решетки создается равноамплитудное распределение с линейным законом изменения фазы вдоль раскрыва. При этом величина фазового сдвига колебаний в соседних излучателях и направление максимального излучения зависит от номера входа МАР. Требуемое фазовое распределение создается с помощью специального многополюсного устройства, называемого диаграммообразующей системой (ДОС) или матрицей. ДОС чаще всего выполняется на основе таких многополюсников, как направленные ответвители и мосты. Дискретное управление положением пространственным положением ДН (луча) МАР производится простым переключением входов ДОС с помощью электронного коммутатора. Кроме сканирования ДН, МАР могут обеспечивать одновременное формирование нескольких лучей в пространстве. Это, в частности, позволяет применять МАР для одновременной работы с несколькими передатчиками (приемниками).
В МАР часто применяются параллельная ДОС (схема Батлера), формирующая восемь независимых лучей (рис. 11.6, а) и последовательная ДОС (схема Бласса, рис. 11.6, б) [2—5, 14, 48]. ДОС Батлера строится на основе трехдецибельных направленных ответвителей 1 и ФВ 2 с фиксированным фазовым сдвигом. ДОС Бласса строится на основе взаимно пересекающихся линий передачи, связанных в местах пересечений направленными ответвителями; фазовые сдвиги между полями соседних излучателей создаются за счет взаимного наклона линий передачи. На концах линий для поддержания режимов бегущей волны устанавливаются согласованные нагрузки, так что в совокупности с большим числом направленных ответвителей это приводит к существенным потерям и снижению КПД МАР. Разумеется, оба варианта ДОС применимы и для построения двумерных МАР, хотя в этом случае резко возрастает число составных элементов [2—5, 14].
а
б
Рис. 11.6. Параллельная (а) и последовательная (б) ДОС
12. Методы экспериментальных исследований антенн. Автоматизированное проектирование антенно-фидерных устройств
12.1. Измерение диаграмм направленности антенн
Простейший метод измерения диаграмм направленности (ДН) антенн СВЧ базируется на использовании понятий амплитудных характеристик направленности антенн по напряженности электрического поля и по мощности Детальное описание методики измерения ДН приводится в [10].
В состав типовой установки для измерения ДН антенны СВЧ (рис. 13.1) входят: ГСВЧ — генератор колебаний СВЧ диапазона, П — приемник (измеритель мощности с индикатором И или анализатор спектра), Апрд и Апрм — антенны с опорно-поворотными устройствами (ОПУ). Измерения проводят обычно на открытых полигонах (ровных площадках без посторонних объектов), или в безэховых камерах.
Рис. 13.1. Функциональная схема установки для измерения ДН антенны
Согласно принципу взаимности, исследуемая антенна может использоваться как в режиме излучения, так и в режиме приема. Рассмотрим случай, когда исследуемая антенна работает в режиме приема. Обе антенны — передающая и исследуемая устанавливаются на стойках так, чтобы центры их раскрывов находились на одинаковой высоте от поверхности земли (пола), расстояние R между раскрывами антенн устанавливается не менее величины 2(dмaкс+Dмaкс)2/λ, для обеспечения требований дальней зоны, допустимых фазовых и амплитудных искажений поля в раскрыве исследуемой антенны. Передающую антенну целесообразно выбрать такой, чтобы ГЛ ее ДН был не слишком узким, т.е. чтобы раскрыв исследуемой антенны облучался практически равномерно (для антенн СВЧ диапазона в качестве передающей антенны хорошо подходят волноводный излучатель или пирамидальный рупор с коэффициентом усиления до 10—15 дБ). Обе антенны должны быть согласованы с соответствующими трактами так, чтобы коэффициенты стоячей волны (КСВ) на рабочей частоте (в полосе частот) не превышали 1,5—2,0. К выходу исследуемой антенны подключаются приемник, например анализатор спектра, либо измеритель мощности.
Максимумы ДН антенн ориентируются друг на друга (плоскости поляризации антенн должны совпадать). Уровень выходной мощности ГСВЧ устанавливается таким, чтобы обеспечивалась надежная регистрация мощности принятых колебаний СВЧ.
Затем исследуемая антенна поворачивается в нужной плоскости с помощью поворотного механизма с требуемым угловым шагом в пределах заданного углового сектора; при этом снимается зависимость мощности принятых колебаний СВЧ от угла поворота. После проведения измерений рассчитывается нормированная ДН по мощности:
FP(θ)= P(θ)/ Рмакс(θ),
определяются значения ширины ГЛ и УБЛ.