АФУ
.pdf
ТЕМА №6. ФАР И СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ АНТЕНН. 6.1. Фазированные антенные решетки.
ФАР имеют множество преимуществ, повышается точность, ДН направленности можно выбирать, возможность сканирования, высокая надежность. Диаграммо-образующая матрица образует ДН под руководство ЭВМ. Классификация мб проведена по многим параметрам, расположение излучателей, принцип действия, количество формируемых ДН и т.д.
Классификация по размещению излучателя:
Различают линейные решетки, которые мб размещены по прямой, по дуге или по кольцу. Сканирование без существенного изменения ДН можно применять в области до 450 максимум 500, это в линейной, в дуговой больше, а в круговой еще больше.
По расположению излучателей решетки делятся на: размещение по эквидистантной системе(расстояния между излучателями равны), либо размещены не эквидистантно.
Но одномерные могут сканировать только в одной плоскости, поэтому используют двумерные или трехмерные ФАР.
ФАР может формировать либо один, либо множество лучей ДН.
Функциональная схема. Модульная система: излучатели, система регулирования АФР( набор техники СВЧ (волноводные тройники, направленные ответвители, фазовращатели и т.д.)), Система согласования и система распределения питанием.
Исходя из принципа взаимности ФАР мб предающими, приемными, приемопередающими либо разнесенными. Приемопередающая ФАР: При переключении приема на передачу, возникают трудности из за разности мощности сигналов(приемного и передающегося). Между излучателями устанавливается перегородки, в виде сетки малых волновых разме-
ров или металлические перегородки.
С точки зрения формирования делят на:
Активная ФАРзадающий генератор, на каждый излучатель стоит свой маломощный передатчик, фазовращатель, и маломощный усилитель.
Полуактивная ФАРвсе излучатели формируются в подрешетки. Остальное также как и в активно. Управляются одним фазовым коэффициентом. Дешевле активной.
Самая дешевая это пассивна антенная решетка с последовательной системой питания, для того чтобы сфазировать применяются коаксиальные кабели разной длины. Используются проходные фазовращатели, которые имеют ошибки, которые накапливаются.
Изменение Фазы n kd sin m; n 1, N; 1
От накапливающихся фазовых ошибок свободна ФАР с параллельной системой питания. Разветвлена сеть на каждый фазовращатель.
Один генератор.
ФАР с комбинированной системой питания. Параллельно-последовательная схема. Один передатчик, питание обеспечивается по секциям.
Отражательная система питания ФАР. Прототип зеркальной антенны. Излученная энергия принимается излучателями, на каждый излучатель выводится фаза, отражается посредством отражательных фазовращателей.
Проходная схема питания, прототипом является линза. Облучатель излучает, принимает энергию решетка и фазовращатель изменяет фазу по заданному закону, таким образом обеспечивается фокусировка и сканирование.
Для управления ФАР ЭВМ и диаграммообразующие (ДО) системы.
ДО система Бласса, фактически представляет собой матрицу M на N. По каждому входу, для каждого луча реализуется линейное фазовое распределения крутизна этого распределения обеспечивает отклонение конкретного луче в пространстве.(около входа на излучатель наклонные прямые это обозначены направленные ответвители) Низкий КПД из за потерь в направленных ответвителях 3дБ в каждом.
Рис. 13. Последовательная ДОС.
.
ДО схема Бадлера, используются не управляемые фазовращатели. КПД также низкий из за большой, разветвленной волноводной сети.
Рис. 14. Параллельная ДОС.
Кольцевые ФАР используют в аэропортах. Может сканировать по азимуту на 360, не вращая антенну.
Рис. 15. Кольцевая ФАР.
Конформные ФАР, излучатели расположены на выпуклых поверхностях.
Рис. 16. Цилиндрическая (а), коническая (б) ФАР.
ДН таких систем она обратно пропорциональна дуге участвующей в сканировании.
2 |
0 |
C |
0 |
|
|
|
|
|
||
|
|
если расписать относительно всего диаметра. |
||||||||
|
0,5p |
|
|
|
0,5p |
|
D0 |
|||
C0 |
|
|
|
|
|
|
;(2) |
C00,5p -учитывает амплитудно-фазовое распределение. |
||
|
|
|
|
|
||||||
|
2Rsin 0 |
|||||||||
|
0,5p |
|
|
|
|
|||||
Сканирование ДН.
Фазовое управление наиболее часто используется. От излучателя к излучателю фаза меняется. (3) множитель дискретной системы излучателей. (4) условие единственности главного лепестка. Скорость нарастания линейно фазового распределения и характеризует скорость отклонения ДН.
4ф0 |
|
|
|
|
sin |
N |
kd sin Ф0 |
||||||||
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
fсист. |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
; 3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||||
3ф |
|
|
|
|
|
sin |
kd sin Ф0 |
||||||||
|
|
|
|
|
2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
0 |
|
|
|
Ф0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
2ф0 |
|
|
sin m |
|
|
|
|
m |
|
; 4 m 0, 1, 2 ; |
|||||
|
|
2 |
d |
|
d |
||||||||||
|
|
||||||||||||||
ф0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 17 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Частотный метод, для изменения направления ДН, используется изменение частоты. Соответственно радиопередающее устройство должно иметь довольно большой диапазон перестройки частот. Также синхронно передатчику должен переключатся и приемник.
Углочастотная зависимость на % отклонения частоты.
q |
d |
, |
град |
; 4 |
|
|
df 100 % f
Последовательная схема, передатчик подключен к волноводной системе. Эквидистантное расстояние(расстояние между) излучателями d.
Рис. 18. Частотный способ качания
Выясним от чего зависит фаза. Продифференцируем выражение (4).
|
|
0,573 |
|
C |
|
dФ0 |
|
|
|
|
4 |
f |
C q |
|
|
|
|
|
sin |
; 5 |
0,573 -возник при переходе от ра- |
|
|
|
||||||||
|
|
|
cos m |
|
2 d |
|
df |
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
диан к градусам.
Т.к.физический смысл производной это скорость, второй сомножитель в скобках, это скорость изменения фазы при изменении частоты.
Фазу можно записать(как в кольцевом мосте):
Ф0 2 l;(6)
фидере
Продифференцируем (6):
|
|
dФ |
|
2 |
|
d |
0,573 |
|
|
C |
|
l |
d |
|
||
|
0 |
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
l; 7 q |
|
|
|
|
|
|
|
|
sin m ; 8 |
df |
2 |
df |
cos m |
2 |
d |
df |
||||||||||
|
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
Таким образом изменяя l, f мы можем изменять фазу, т.е имеется возможность частотно-
го управление ДН ФАР. Пример с изменением длины:
Рис. 19
6.2. Специальные типы антенн.
Для того чтобы излучить и принять сигнал с круговой поляризацией использую(самый простой вариант) турникетный анте, которые представляют собой сочетание горизонтального и вертикального вибратора подключенных к одному передатчику.
Условие круговой поляризации:
Алгоритм работы данной системы:
ДН данной турникетной антенны:
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
cos |
|
|
sin |
||
|
|
2 |
||||||
F |
|
|
|
|
|
; 1 |
||
|
2cos2 |
|
||||||
2 |
|
|
||||||
Вид ДН:
Рис. 3. АДН турникетной антенны.
а) в вертикальной плоскости; б) пространственная
Ширина данной ДН большая, соответственно КНД небольшой. Для сужения ДН используется метод увеличения количества излучателей.
Рис. 4
Чтобы сузить ДН в двух плоскостях используют многоэтажные турникетные антенны. Вертикальный вибратор схематично показан слева.
Рис. 5. Многоэтажная турникетная антенна
Часто используются спиральные антенны. Направителями спиральных антенн являются отрезки волноводов.
a э
а ) б )
Р и с . 6 . К о н ст р у к ц и я сп и р а л ь н ой а н т ен н ы а ) и ее м о д ел ь б ) .
В простейшем случае антенна выполняется из цилиндрической проволочной спирали,
протяженностью несколько длин волн. Диаметр 2a . Фактически каждый виток спи-
3
рали представляет собой 4 вибратора.
Определим амплитудное распределение. В этой антенне распространяются волны T типа. В данном случае гибридные H и E волны их обозначают:
Tm; m 2 a ka; 2 обычно в спиральных антеннах это волны типа T`1.
Комплексная амплитуда тока:
I I e j ; 3 I e j I cos I sin e j ; 4
В спиральной антенне можно представить движение волны как суперпозицию двух стоячих волн.
а ) |
|
б) |
|
|
|
Рис. 7. А м п ли тудн ое расп редел ен и е ток а
вдол ь ви тк а сп и рали .
Если длинную свернуть в кольцо, мы получим тоже самое что и на рис. 7.
Рис. 8
Рис. 9