Методички по лабам СПК 8 сем / 5_МНОГОЛУЧЕВАЯ АНТЕННА

Работа № 5

МНОГОЛУЧЕВАЯ АНТЕННА

Цель работы - изучить работу многолучевых антенн на основе матричных схем Батлера и Бласса, а также экспериментально исследовать характеристики четырехлучевой антенной решетки с матрицей Батлера.

Многолучевая антенна.

Многолучевой называют антенну с нескольколькими независимыми входами, каждому из которых соответствует своя парциальная диаграмма направленности, именуемая для краткости "лучем". В многолучевой антенне осуществляется параллельный обзор пространства, т.е. в пространстве одновременно формируется множество лучей, расположенных дискретно в секторе сканирования. При этом отпадает необходимость как в механическом перемещении антенны, так и в применении управляемых фазовращателей для электрического сканирования. Во многих случаях параллельный обзор пространства предпочтительнее, так как может быть значительно улучшено общее быстродействие всей радиотехнической системы.

Для параллельного обзора используется многоэлементная антенная решетка и устройство обработки сигналов, поступающих одновременно от элементов антенны. Обработка сигналов может быть реализована на высокой или промежуточных частотах, а также с использованием оптических методов.

Множество независимых лучей может быть образованно в широкоугольном сканирующем устройстве (например, сферической линзе Люнеберга) за счет размещения ряда первичных облучателей в различных точках воль фокальной поверхности антенны или в зеркальных антеннах со специальным облучателем. Многолучевые антенны можно строить на основе антенных решеток при помощи специальных многополосников, так называемых диаграмообразующих схем (ДОС). ДОС служат для обеспечения независимого питания излучателей решетки по разным входам. При подключении генератора к одному из входов схемы в раскрыве антенны создается вполне определенное, свойственное лишь этому входу, амплитудно-фазовое распределение, и формируется соответствующая диаграмма направленности.

Подключение же передатчика к любому другому входу ДОС вызывает изменение АФР в излучателях решетки и соответственно формирование другой, отличной от предыдущей диаграммы направленности. Как правило, диаграммообразующие схемы строятся таким образом, чтобы питание с любого входа обеспечивало равноамплитудное распределение, но каждому входу соответствовало бы свое фазовое распределение. При переключении входов дискретно меняется сдвиг по фазе  между токами соседних излучателей. В соответствии с этим так же дискретно меняется положение антенного луча в пространстве. Если, например, при питании с первого входа сдвиг по фазе между токами соседних излучателей равен ₁ , а при питании со второго _2, то главные максимумы формируемых при этом лучей 1 и 2 будут ориентированны под углами (отсчитываемых от нормали к поверхности антенны):

_м1= arc sin(₁/ kd) ; _м2= arc sin(₂/ kd) ,

где d - расстояние между соседними излучателями, k - волновое число волны в свободном пространстве.

В общем случае число входов ДОС соответствует числу лучей, формируемых многолучевой антенной решеткой, а число выходов схемы равняется числу излучателей решетки. Чтобы получить высокий коэффициент полезного действия, ДОС выполняют из реактивных элементов: направленных ответвителей, мостов, фиксированных фазовращателей, отрезков фидера, тройников и т.д.

Получив в многолучевой антенне веер остронаправленных лучей равномерно облучающих заданный сектор пространства, можно осуществить не только параллельную обработку, но и амплитудное сканирование, переключая эти лучи с помощью какого-либо электронного коммутатора. Система управления при амплитудном способе сканирования получается значительно проще, чем в случае фазового, так как фактически все необходимые амплитудно-фазовые распределения поля в раскрыве антенны для различных положений луча запоминаются и характеризуются в ДОС, а роль системы управления сводится к выбору готовой диаграммы направленности.

Рассмотрим некоторые варианты наиболее распространенных ДОС, используемых в многолучевой антенне.

Параллельная ДОС.

На рис.2 представлена параллельная диаграммообразующая схема называемая матрицей Батлера для четырехэлементной эквидестантной решетки. Основными элементами ДОС Батлера являются 3-х ДБ направленные ответвители 1 и фазовращатели 2. Схема, представленная на рис.1 имеет четыре входа и, следовательно, обеспечивает формирование 4-х направленных лучей. Мощность, поступающая на каждый вход, делится поровну между всеми излучателями решетки; все входы ДОС развязаны и согласованны, в антенне создаются линейные фазовые распределения (отличные для различных входов ДОС), которые формируют независимые лучи в пространстве. При этом для произвольной системы взаимодействующих излучателей в многолучевой антенне без омических потерь с развязанными и согласованными входами могут быть реализованы только ортогональные диаграммы направленности, т.е. удовлетворяющие соотношению:

0, при ml 4/D_m, при m=l,

где F_m( ,)-диаграмма направленности многолучевой антенны при возбуждении входа с номером m; * - знак сопряжения, D_m - КНД луча с номером m в направлении максимального излучателя .

Из условия 1 - непосредственно вытекает требование ортогональности амплитудно-фазового на излучателях решетки при возбуждении каналов m и l. В частности , для любого входа параллельной ДОС с номером m,

представленной на рис.1 / равномерное амплитудное и линейное фазовое распределение /, имеем

F_m ( ,)=sinN_m/Nsin_m ; _m=kd/2 (sin - _m/kd), ( 2 )

где N - число излучателей .

Величина _m в общем случае определяется формулой

_m = [(m-1)/N] , m = 1,2, …N/2 ( 3 )

где знак "+" берется для правых входов ДОС, а знак "-" - для левых .

Положение максимума излучения луча определяется из условия sin_mi   _i/kd . Уровень пересечения по полю любых двух соседних лучей в линейной матрице Батлера, формирующей лучи вида (2) , составляют

= [ N sin /2N] ^-1 , ( 4 )

независимо от расстояния между излучателями. В пределе при N 

lim _N = 2/

Отсюда видно, что максимальный уровень пересечения лучей = 0,707 и соответствует случаю N = 2; для больших линейных антенн он равен примерно 2 ( -3,92 дБ).

ДОС Батлера является наиболее удобной для выполнения многолучевых решеток с бинарным числом излучателей - N = 2ⁿ . В этом случае общее число мостов

K = N/2 log ₂N,

а число фазовращателей

K = N/2 log ₂ (N-1)

Последовательно диаграммообразующая схема .

ДОС состоит из двух систем взаимно пересекающихся фидерных линий, которые в местах пересечения связанны между собой при помощи направленных ответвителей. Энергия к излучателям подводится при помощи вертикальных фидерных линий, число которых соответствует числу излучателей решетки. Входы ДОС число которых соответствует числу формируемых лучей, подключены к наклонным фидерным линиям. Для создания режима, близкого к режиму бегущих волн к линиям подключены согласованные поглощающие нагрузки, благодаря чему имеет место плавное изменение фазы в наклонных линиях.

Направление главного максимума m - луча антенны определяется выражением

sin_mi =  l₁/_ф d -  /2d (5), где _ф - длина волны в фидерной линии, l₁ - длина отрезков наклонного и вертикального фидера, определяющая фазовый сдвиг между полями соседних излучателей.

Можно показать, что при питании с любого входа

l₁ = d(sec_i +tg_i ) (6),

где _i - угол, который образует с горизонтальным направлением i-я наклонная линия (для горизонтальной линии  = 0, l = d ).

С учетом направления главного максимума антенного луча можно найти в виде

sin_mi =  /_ф (sec_i +tg_i )  /2d (7).

Недостатком схемы является то, что направленные ответвители не обеспечивают полной развязки всех видов ДОС. Лишь при питании с первого входа практически не имеет место прохождение сигнала в другие наклонные линии. При питании с любого другого входа сигнал через направленные ответвители линий, расположенных выше, разветвляется. Это приводит к искажению картины распределения поля между излучателями, в результате чего возрастает уровень бокового излучения. Недостатком последовательной ДОС является также слишком большое число направленных ответителей, как следствие, большие потери и снижение КПД (из-за потерь мощности в поглощающих нагрузках).

К достоинствам схемы Бласса относятся возможности ее реализации при любом числе элементов решетки и такого подбора длины фидерных линий при котором направление лучей оказывается независимым от частоты. Особенно важно, что ДОС Бласса без видимых изменений позволяет реализовать в каждом канале амплитудно-фазовое распределение произвольного вида.

Лабораторная установка.

Лабораторная установка состоит из :

1. генератор вспомогательных колебаний;

2. исследуемая антенна;

3. матричная схема Батлера;

4. поворотный стол ;

5. приемная антенна;

6. детекторная секция;

7. измерительный усилитель;

8. источник питания ( для питания соленоида который создает подмагничивающее поле в ферритовых взаимных фазовращателях).

8

3

4

1

6

7

.

2. 

Рис. 1 Лабораторная установка

1 3 2 4

Рис.2 Матричная схема Батлера