лабы / лаба 115 / лаба_115_аррт_метода

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра технической электродинамики и антенн

Лабораторная работа № 115 ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Москва 2008

План УМД 2007/2008 уч. г.

Лабораторная работа № 115

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

Составитель: А. А. Пресс, В. Г. Кочержевский

Издание утверждено советом факультета Р и Т. Протокол № 6 от “21” февраля 2008 г.

Рецензент Т. А. Гайнутдинов

3

1. Цель работы

1.Изучение свойств фазированных антенных решеток.

2.Овладение методикой расчета диаграмм направленности фазированных ан-

тенных решеток.

3. Экспериментальное исследование диаграммы направленности линейной фа-

зированной антенной решетки.

4. Сравнение экспериментальных результатов с расчетными.

2. Основные свойства фазированных антенных решеток

Антенная решетка представляет собой систему идентичных дискретных излу-

чающих элементов, расположенных в пространстве по определенному закону.

Наиболее распространены линейные, кольцевые и плоские решетки. Иногда излуча-

тели решетки располагаются на криволинейных поверхностях.

Простейшей является эквидистантная линейная решетка, в которой излучаю-

щие элементы расположены вдоль прямой, называемой осью решетки, на равных расстояниях d друг от друга (рис. 1).

Диаграмма направленности такой решетки определяется выражением

ду токами в соседних элементах, то диаграмма направленности рассчитывается по

4

формуле:

, (2)

где – нормированный множитель решетки. Введем обобщенную угловую пе-

ременную:

Тогда множитель решетки примет вид:

Зависимость множителя решетки от обобщенной угловой переменной представляет собой периодическую функцию (рис. 2).

Обычно решетки располагаются над каким-либо экраном (рис. 3) для устране-

ния излучения в нижнее полупространство. В этом случае угол рассматривается в пределах . Крайним значениям угла соответствуют:

Таким образом, реальная диаграмма множителя решетки, т.е. зависимость от угла , описывается только частью графика, приведенного на рис. 2, а именно в пре-

делах , соответствующих (область реальных углов).

Угловое положение главных максимумов функции определяется урав-

нением:

где .

Наибольший интерес представляют решетки, диаграмма направленности ко-

торых имеет только один главный максимум, соответствующий в формуле

(5) и носящий название основного главного максимума. Направление основного главного максимума определяется уравнением:

5

Остальные максимумы, положение которых определяется выражением (5), но-

сят название вторичных главных или дифракционных максимумов. Очевидно, вто-

ричные главные максимумы имеют место в реальной диаграмме множителя решет-

ки, если

между элементами d и от направленных свойств одиночного излучателя. В соответ-

ствии с (2), диаграмма направленности антенной решетки есть произведение множи-

теля решетки на диаграмму направленности одиночного элемента. Поэтому, если одиночный элемент имеет незначительное излучение в направлении дифракционно-

го максимума, то последний окажется подавленным. Это иллюстрируется рис. 4, со-

ответствующем случаю .

Если решетка состоит из ненаправленных элементов, то устранить вторичные главные максимумы можно выбором расстояния между элементами d. Как следует

Как видно из формулы (6), изменяя величину сдвига фазы между соседними излучателями , частоту колебаний f (длину волны ) или расстояние между излуча-

телями d, можно управлять положением максимума диаграммы направленности.

6

7

Практическое применение находят в основном частотное и фазовое управле-

ние положением диаграммы направленности, поскольку изменение расстояния меж-

ду излучателями встречает большие трудности конструктивного характера.

В настоящей работе изучаются свойства антенной решетки, в которой пере-

мещение диаграммы направленности в пространстве достигается путем изменения фазового сдвига между излучателями. Такие решетки получили название фазиро-

ванных антенных решеток (ФАР).

При изменении фазового сдвига происходит отклонение главного максиму-

ма, причем, как видно из (6), в сторону элементов с отстающей фазой. Заметим, что

8

отклонение максимума диаграммы направленности антенной решетки происходит только за счет смещения множителя решетки, ориентация же диаграммы направлен-

ности одиночного элемента, разумеется, при этом не меняется.

При отклонении основного максимума диаграммы направленности другие главные максимумы, положение которых определяется по формуле (5), также сдви-

нутся в рассматриваемой плоскости на угол, зависящий от фазового сдвига (рис. 5). Если изменение направления максимума излучения происходит в секторе углов

(сектор сканирования), то фазовый сдвиг должен изменяться, со-

гласно (6) в пределах

. (9)

Подставляя максимальное значение величины в (8), получим условие отсут-

ствия вторичных главных максимумов для ненаправленных излучателей:

. (10)

Подавление вторичных главных максимумов можно также обеспечить путем сужения диаграммы направленности одиночных излучателей. Однако при значи-

тельной направленности элемента будет наблюдаться резкое ослабление основного максимума на краях сектора сканирования (рис. 6). Таким образом, применение

9

направленных излучателей ограничивает сектор сканирования антенной решетки.

На практике обычно требуют, чтобы ширина диаграммы направленности эле-

мента по половинной мощности была равна сектору сканирования.

В режиме излучения, нормального к оси решетки ширина диаграммы направ-

где – длина антенной решетки.

Формула (11) применима только при . В общем случае значение находится путем решения трансцендентного уравнения:

.

Одновременно с перемещением главного лепестка диаграммы направленности в пространстве происходит изменение его формы. При отклонении от нормали к оси решетки главный лепесток расширяется, нарушается также его симметрия относи-

тельно направления . Если , то искажение главного лепестка за счет его несимметрии невелико. В этом случае вблизи главного лепестка нормированный множитель решетки будет иметь вид:

10

носит название эффективной длины решетки. Ширина главного лепестка оценивает-

ся при этом по формуле:

. (14)

Как видно, качание луча сопровождается расширением главного лепестка.

В качестве излучателей решетки по большей части используются различные слабонаправленные антенны – электрические вибраторы, щелевые вибраторы, излу-

чатели в виде открытых концов волноводов, диэлектрические антенны, спиральные излучатели и др.

Из-за взаимодействия элементов, обусловленного близким взаимным располо-

жением и неодинакового, например, для крайних и центральных элементов, условие идентичности излучателей не выполняется. В силу этого реальная диаграмма направ-

ленности несколько отличается от функции, определяемой выражением (2).

Изменение фазового сдвига между соседними излучателями в линейной ре-

шетке может производиться различными способами, например, фидерной системой питания, по последовательной (рис. 7а) или по параллельной схеме (рис. 7б).

При последовательной схеме в питающей линии поддерживается режим бегу-

щей волны, излучатели слабо связаны с линией. В участки линии между излучателя-

ми включены одинаковые фазовращатели. Для отклонения диаграммы направленно-

сти фазовращатели должны обеспечить одинаковый фазовый сдвиг. Это свойство по-

следовательной схемы значительно упрощает систему управления. Недостатком схе-

мы является высокий уровень потерь, равных примерно полусумме потерь всех фа-