54

Подавление дифракционных максимумов

В видимую область, границы которой определяются неравенством

(6.31)

попадают также дифракционные максимумы, что приводит к падению КНД и ухудшению помехозащищенности системы. Число дифракционных максимумов зависит от эквивалентной длины решетки: чем длиннее решетка, тем больше у нее дифракционных максимумов. Поэтому их стараются устранить, используя следующие основные способы: ограничение шага решетки, применение направленных элементов, неэквидистантное расположение излучателей.

1. Если шаг решетки ограничить неравенством

(6.32)

то дифракционные максимумы полностью уйдут в область мнимых углов. Как следует из (6.32), в режиме поперечного излучения ( = 0)элементы должны быть расположены на расстоянииd < λ,а в режиме осевого излучения( = 1)на расстоянииd < λ/2.Если в требованиях на проектирование есть ограничения на боковые лепестки, которые при удалении от главного должны быть убывающими по амплитуде, то вместо (6.32) необходимо поставить более жесткое условие

(6.33)

Таким образом, при выполнении условий (6.32),(6.33) ДН непрерывной и дискретной систем могут отличаться лишь боковыми лепестками, имея одинаковые главные лепестки. Эти свойства сохраняются и при других амплитудно-фазовых распределениях. КНД линейной антенной решетки с ограниченным шагом рассчитывается по формулам (6.8) и (6.9) для КНД линейного непрерывного излучателя, в которых необходимо считать L=Nd.В случае осевого излучения возможен также оптимальный режим, параметры которого определяются выражениями (6.10) – (6.12).

2. Идея применения направленных элементов основывается на использовании теоремы о перемножении диаграмм направленности, из которой следует, что если ДН одного элемента имеет минимум в направлении дифракционных максимумов множителя направленности системы, то величина дифракционных максимумов в суммарной ДН решеткибудет уменьшена (см. рис. 6.12). Однако такой способ при сканировании ДН, т.е. при изменении углового положения в пространстве максимума излучения решетки, в том числе относительно максимума излучения отдельного

Рис. 6.12 Подавление дифракционных максимумов

при использовании направленных элементов

элемента (на рис. 6.12 это смещение показано стрелкой), приводит к снижению уровня основного главного максимума, возрастанию ближайших к основному дифракционных максимумов и асимметрии в уровнях лепестков.

3. В эквидистантой решетке направления главных максимумов в видимой области определяются из условия

(6.34)

Видно, что положение главного максимума (m=0)не зависит от шага решетки и определяется только значением, где– разность фаз между двумя соседними элементами. Если расстояние между элементамиd_nсделать не одинаковым и одновременно изменятьтак, чтобыосталось неизменным, то положение основного главного максимума сохраниться, а положения дифракционных максимумов у разных пар элементов будут различными из-за разныхd_n в (6.34). В конечном итоге при перемножении ДН это приведет к уменьшению уровней дифракционных максимумов. Подобная идея реализована в неэквидистантных антенных решетках, имеющих широкое распространение.

6.4 Плоские излучающие раскрывы Множитель направленности

Линейные излучающие системы формируют остронаправленное излучение и обеспечивают сканирование только в плоскости, проходящей через ось системы. Для сужения ДН в другой плоскости необходимо увеличить и другой размер излучающей системы, т.е. перейти к двумерным (поверхностным) излучающим системам или раскрывам. Большинство антенных устройств СВЧ диапазона (рупорные, линзовые, зеркальные) излучают из раскрывов (апертур) плоской формы. Для получения высокой направленности размеры раскрыва обычно выбирают значительно больше длины волны (поперечник L >>,площадьS >>² ). Их наиболее распространенные формы – прямоугольная и круглая. Круглые раскрывы могут обеспечить более высокую направленность. Распределение источников в раскрыве может быть как непрерывным, так и дискретным.

В декартовой системе координат рассмотрим дискретную систему, образованнуюN излучателями, расположенными в одной плоскости (см. рис. 6.13). Плоскость раскрыва совпадает с плоскостьюxoy,а осьzперпендику-

Рис. 6.13 К расчету множителя направленности плоского раскрыва

лярна этой плоскости. Предполагается, что излучатели (элементы) подобны и имеют одинаковые ДН, а амплитудно-фазовое распределение возбуждения на раскрыве известно. Чтобы воспользоваться теоремой о перемножениии диаграмм направленности, нам необходимо найти множитель направленности системы. Для множителя направленности дискретной системы из изотропных излучателей, расположенных в точкахплоского раскрыва, можно записать

, (6.35)

где – комплексная амплитуда возбуждения элемента;– разность хода в точку наблюдения между лучами, выходящими из центра общей сферической системы координат и из центров излучающих элементов.

Если элементы в раскрыве расположены непрерывно, то вместо (6.35) следует положить

, (6.36)

где – амплитудно-фазовое распределение возбуждения,- площадь раскрыва.

Пусть излучающая система представляет собою отверстие площадью

S

>>²в бесконечно протяженном плоском экране, совпадающем с плоскостьюи разделяющем верхнее и нижнее полупространства. Возбуждение отверстия осуществляется из нижнего полупространства плоской электромагнитной волной, распространяющейся в направлении осиz. Пусть ее компоненты будути. Полное электромагнитное поле в отверстии больших электрических размеров близко к полю не возмущенной плоской волны, а токи на верхней теневой поверхности экрана малы по сравнению с эквивалентными токами в отверстии. Поэтому приближенно отверстие можно заменить излучающим раскрывоми пренебречь влиянием краевых эффектов и излучением остальных участков плоскости. Элементарная площадка раскрывапредставляет собой элемент Гюйгенса, т.е. электрически малую плоскую площадку с постоянным распределением компонент напряженности электрических и магнитных полей, которые между собой связаны через волновое сопротивление среды. В этом смысле элемент Гюйгенса это – малый участок фронта плоской волны. Напряженность электромагнитного поля в дальней зоне, создаваемая элементом Гюйгенса, равна

. (6.37)

Напряженность поля имеет две синфазные компоненты и. При синфазном возбуждении раскрыва максимальное излучение оказывается ориентированным вдоль оси, где разность хода лучей для всех элементов раскрыва равна нулю.