3.8 Антенные решетки с частотным и фазовым управлением
Антенны первых радиолокаторов, работавших на метровых волнах, выполнялись в виде решеток синфазных вибраторов. Сканирование осуществлялось механическим вращением антенны. По мере внедрения в радиолокацию дециметровых, а затем сантиметровых и миллиметровых волн антенные решетки (АР) все более вытеснялись зеркальными и линзовыми антеннами.
В последние годы интерес к многоэлементным АР необычно возрос, т.к. они открывают возможности решения ряда серьезных проблем современной радиолокации.
Для получения узкого луча требуются антенны больших размеров, но это исключает возможность механического сканирования с малым периодом обзора. Если же применить АР, то можно составить ее из тысяч-десятков тысяч однородных элементов (вибраторных, рупорных и др.), достигнув этим очень высокой направленности; вместе с тем механическое сканирование заменяется электронным, основанном на том, что положение и форма луча в пространстве зависит от амплитудного и фазового распределения полей (токов) в элементах решетки.
Для сканирования в одной плоскости достаточно линейной решетки, а для сканирования по двум угловым координатам требуются решетки из элементов, распределенных на плоскости или поверхности шара, цилиндра и т.д.
Электрическое управление лучом ФАР осуществляется изменением частоты колебаний возбуждающего источника, либо изменением фазы радиосигналов, подводимых к излучающим элементам. Соответственно различают частотный и фазовый способы управления лучом. Антенные решетки с фазовым управлением иначе называются фазированными антенными решетками (ФАР).
3.8.1 Антенные решетки с частотным управлением лучом
Из теории антенн известно, что при изменении частоты радиосигнала w (длины волны ) направление главного максимума m ДН АР определяется выражением
(3.21)
где – сдвиг фаз между сигналами в соседних излучателях, d – расстояние между излучателями (шаг решетки), c – скорость света, m = 0, 1, 2, ...
Эффективность частотного способа характеризуется величиной углочастотной чувствительности АР, которая определяется отношением изменения направления максимума главного лепестка ДН при сканировании луча с изменением частоты к относительному изменению частоты возбуждающих колебаний, т.е.
(3.22)
Обычно генераторы СВЧ допускают перестройку по частоте в пределах нескольких процентов от несущей. Поэтому для осуществления широкоугольного сканирования величина q должна быть 5-10 град/%, а иногда и больше. Это вынуждает применять специальные меры для увеличения q.
Для повышения углочастотной чувствительности при фиксированном шаге d, который выбирается из условия обеспечения единственности главного максимума) необходимо усиливать зависимость сдвига фаз от частоты.
В антеннах с частотным сканированием луча используются две схемы возбуждения излучателей – последовательная и параллельная. Ограничимся рассмотрением последовательной схемы, как наиболее часто применяемой на практике.
Частотный метод управления лучом рассмотрим на примере волноводно-щелевой антенны с последовательным возбуждением ее элементов 1, 2, ... k волной Н10 (рис.3.42). С одного конца волновод подключается к перестраиваемому по частоте генератору, а с другого – к согласованной нагрузке R.
Рис.3.42. Волноводно-щелевая антенна с последовательным возбуждением.
Обозначим длину волны в волноводе при произвольной частоте генератора через в, а при средней частоте диапазона через во. Расстояние между соседними щелями d = во/2, и если бы они располагались по одной прямой, то при в = во фазовый сдвиг полей в этих щелях был бы равен 2·d/во = . В рассматриваемой антенне щели располагаются поочередно по обе стороны от средней линии широкой стенки волновода, этим компенсируется фазовый сдвиг . Как линейная синфазная АР антенна излучает волны с максимумом, перпендикулярным оси решетки.
При изменении длины волны в волноводе от во до в до сдвиг фаз полей в соседних щелях становится равным
(3.23)
Теперь из соседних щелей волны излучаются со сдвигом по фазе на угол . Но так как фронт волны АВ является геометрическим местом точек с равной фазой, то максимум излучения при длине волны в воздухе должен отклониться от нормали к оси решетки на такой угол , чтобы за счет разности хода лучей d sin от соседних щелей к фронту АВ фазовый сдвиг 2/ (d sin) был равен углу , выраженному формулой (3.23):
(3.24)
Отсюда
(3.25)
Согласно полученной формуле при в< во sin > 0 и угол > 0, при в= во· = 0 и, наконец, при в > во sin < 0 и угол < 0.
Таким образом, изменение частоты генератора в заданном диапазоне волн сопровождается сканированием ДНА по обе стороны от перпендикуляра к плоскости решетки.
В схеме, показанной на рис.3.43, бегущая волна, например, в изогнутом фидере проходит между излучателями путь l, обеспечивая последовательное возбуждение излучателей с линейным фазовым распределением со сдвигом фаз
(3.26)
где Vф, ф – фазовая скорость и длина волны в фидере.
Повысить от частоты можно двумя способами:
использованием фидеров с большой дисперсией (обладающих сильной зависимостью Vф от );
увеличением длины отрезков фидера l между смежными излучателями.
Для увеличения дисперсии применяются замедляющие структуры, например, периодическую замедляющую систему типа «гребенки», помещенную в прямоугольном волноводе со щелями. Небольшое изменение приводит в этом случае заметному изменению ф, что в свою очередь заметно изменяет сдвиг по фазе , а значит и угол отклонения луча m.
Рис.3.43
Основной недостаток последовательной схемы с замедляющей структурой-большая концентрация электромагнитного поля у поверхности структуры. Это приводит к росту омических потерь и снижению величины пропускаемой мощности из-за опасности возникновения электрического пробоя на «заостренных» участках гребенки.
Второй способ повышения q связан с увеличением длины фидера l и конструктивно реализуется с помощью спиральных или змейковых волноводов. В этом случае при значительном l даже небольшое изменение ф с изменением частоты приводит к существенному приращению сдвига фаз , т.е. к повышению q. При большом l велико также и абсолютное значение сдвига фаз , что эквивалентно, как отмечалось, использованию для сканирования главных лепестков более высоких порядков.
К основным недостаткам частотного способа относятся:
заметные потери энергии;
ограниченные возможности по использованию широкополосных сигналов, поскольку в силу частотной зависимости ориентации луча ширина спектра радиосигнала, излучаемого в направлении на цель, уменьшается с увеличение q;
ограниченные возможности частотной перестройки РЛС для защиты
от помех, поскольку при изменении частоты отклоняется луч и теряется цель;
наличие эффекта «нормали», проявляющегося в том, что при прохождении максимума главного лепестка через нормаль к антенне (m = 0) отраженные от всех излучателей колебания складываются в фазе, т.к. в фидере между соседними излучателями укладывается целое число длин волн – то приводит к резкому увеличению амплитуды отраженной волны, возникает опасность электрического пробоя. Поэтому обычно нормаль исключается из сектора сканирования.
Таким образом, указанные недостатки снижают возможности ФАР с частотным способом управления лучом. Однако, в силу того, что антенны с частотным способом сканирования являются сравнительно простыми и имеют относительно небольшую стоимость, они являются довольно распространенным типом антенн с электрическим сканированием.