76 УСТРОЙСТВА СВЧ И АНТЕННЫ - Страница 4

Поскольку расстояния между элементами   одинаковые, то координата -го излучателя , следовательно, множитель направленности  будет иметь вид:

.

Решётка с рассматриваемым видом возбуждения может быть названа линейной фазированной антенной решёткой ( линейной ФАР). Она является дискретным аналогом  непрерывного линейного излучателя. Можно считать, что вдоль решётки распространяется волна возбуждения с коэффициентом замедления , таким образом,

.

Обозначим , в этом случае . Это выражение есть сумма  членов геометрической прогрессии , первый член которой 1, а знаменатель равен , следовательно,

(3.7)

Очевидно, что второй сомножитель в (3.7) определяет фазовую характеристику антенной решетки . Таким образом, рассматриваемая антенна имеет фазовый центр, расположенный в точке , т. е. в геометрическом центре антенны.

Амплитудная характеристика направленности определяется   вторым сомножителем формулы (3.7). Для удобства анализа этот сомножитель можно представить в виде функции обобщённой угловой координаты

 

и выполнить нормировку. В этом случае

,                             (3.8)

максимальное значение полученной функции равно единице.

Если     при     постоянной     длине      решетки    

неограниченно увеличивать  и уменьшать , то очевидно, что  множитель направленности решетки совпадает с множителем направленности линейной антенны.

Однако при любом конечном  между функциями  и  есть существенные отличия. Они обусловлены тем, что функция является периодической с периодом (рис. 3.3).

 

 

и

Рис. 3.3

Эта функция имеет бесконечное количество максимумов, по величине равных единице. Тот лепесток, который соответствует , называется главным, а остальные - дифракционными (побочными главными максимумами).   Положение   главного   лепестка   определяется соотношениями

 

а дифракционных -

Изменению   соответствует изменение переменной   в пределах

.

Область называется областью вещественных углов (ОВУ). На рис. 3.3 показано положение ОВУ-1 для некоторой  комбинации параметров и . В этом случае при изменении  в характеристике направленности антенны имеет место лишь главный лепесток, ориентированный по нормали к оси решетки. Область вещественных углов ОВУ-1 располагается относительно главного  лепестка несимметрично, что соответствует его отклонению от нормали к оси решетки, имеет место процесс сканирования .

При увеличении расстояния между элементами решетки и  возрастают. На рис 3.3 для комбинации параметров  показано другое положение области вещественных углов (ОВУ-2). В этом случае, как видно из рисунка, в области вещественных углов имеет место не только главный лепесток, но и дифракционный. Физически наличие дифракционного лепестка объясняется тем, что при больших расстояниях между элементами решетки поля излучателей складываются синфазно не только в главном направлении, но и в направлении дифракционного лепестка.  В большинстве случаев такое положение, когда в области вещественных углов кроме главного лепестка существуют и дифракционные, является недопустимым. При практическом использовании таких антенн это может приводить к уменьшению КУ, помехозащищенности, неоднозначности пеленгации целей и т.д.

 

3.3. Подавление дифракционных лепестков

линейной антенной решетки

 

Из рис. 3.3 следует, что если  , то дифракционные лепестки будут вне области вещественных углов. Оба последних неравенства эквивалентны одному . Таким образом, для расстояния между элементами решетки имеет место следующая оценка:

.

Например, в линейной синфазной решетке  и максимальное расстояние , при котором в области вещественных углов отсутствуют дифракционные лепестки, определяется соотношением

.                                  (3.9)

При достаточно больших  . В режиме осевого излучения () .

Подавление дифракционных лепестков можно осуществить за счёт направленных свойств элементов решетки. В соответствии с теоремой умножения диаграмм результирующая характеристика направленности может быть представлена в виде произведения двух функций  где  нормированная характеристика направленности одного элемента решётки,  нормированный множитель направленности. Если элемент решётки имеет незначительное излучение в направлении дифракционного лепестка, то последний оказывается подавленным.

На рис. 3.4 для случая  представлены множитель направленности и характеристика направленности элемента решётки, максимум которой ориентирован в направлении  . Ширина диаграммы направленности множителя решётки на нулевом уровне выбрана такой, чтобы направление нулевого излучения совпадало  с направлением ближайшего дифракционного лепестка. В этом случае результирующая диаграмма направленности в области вещественных углов будет содержать один главный максимум (рис. 3.4). Дифракционные лепестки оказываются подавленными. Главный максимум также будет иметь несколько меньшее значение, что эквивалентно возрастанию уровня боковых лепестков.

В направлении нулевого излучения элемента решетки  . Учитывая, что , получаем

.

Таким образом,

.

В том случае когда угол  отсчитывается от нормали к оси решётки, последняя формула может быть записана в виде

 

 

 

Рис. 3.4

 

(3.11)

где  ширина диаграммы направленности излучателя на нулевом уровне, - направление главного лепестка, отсчитываемое от нормали к оси решётки. Последние соотношения позволяют рассчитать максимальное расстояние между элементами решётки, при котором  обеспечивается подавление дифракционных лепестков в области вещественных углов. Как следует из соотношения (3.10), при небольших углах сканирования расстояние между излучателями может быть существенно больше длины волны. Недостаток этого способа  подавления дифракционных лепестков состоит в том, что в решетке, элементами которой являются направленные излучатели, сектор сканирования ограничен.

Ещё один способ подавления дифракционных лепестков основывается на следующих рассуждениях. Отличительным свойством главного лепестка решётки является то, что его положение в пространстве не зависит от расстояния между излучателями и полностью определяется фазовым сдвигом между соседними излучателями . Как уже отмечалось, возникновение дифракционных лепестков в эквидистантных решётках с большим расстоянием между излучателями объясняется тем, что синфазное сложение полей всех элементов решётки возможно не только в главном направлении, но и в других, где разность фаз полей от соседних элементов решётки кратна . Однако направление дифракционных лепестков существенно зависит от . Таким образом, если варьировать расстояния между элементами решётки, оставив неизменным фазовый сдвиг , то положение главного максимума останется неизменным. Направления дифракционных лепестков для различных пар излучателей окажутся различными, произойдут некоторая компенсация и «размазывание» дифракционных лепестков по всему интервалу углов. Задача определения оптимального положения элементов в разрешенной неэквидистантной решётке является достаточно сложной, решается численными методами нелинейного программирования. Недостатком разреженных неэквидистантных решёток является более низкий КНД, по сравнению с решётками таких же размеров, но с плотным расположением излучателей.

 

3.4.  Дискретное фазирование сканирующих антенных решеток

 

При создании ФАР используются дискретные фазирующие устройства, с помощью которых фаза возбуждения в каждом излучателе может быть  изменена в пределах от 0 до 2 скачком  на  величину  , где   - целое число. Важнейшим  преимуществом дискретных фазирующих устройств по сравнению с плавными (аналоговыми)  явля­ется  улучшенная стабильность. Это объясняется тем, что управляю­щие устройства, например pin-диоды или ферриты  с прямоугольной петлей гистерезиса, работают в переключательном режиме с использованием только двух крайних областей их характеристик: «открыто»  и «закрыто». Другим  преимуществом дискретных фаэирующих  устройств является удобство управления ими с помощью цифровых  вычислитель­ных машин. В этой связи  выбирается равным , где  = 1, 2,.., и для кодирования любого фазового состояния требуется двоичных разрядов. Фазовращатель, работающий по такому принципу, называет­ся бинарным. Его структурная схема показана на рис. 3.5.

 

р=1                          р=2                                  р=Р

Вход                                                                                                     Выход

. . .

 

 

 

 

Рис. 3.5

Проходной бинарный фазовращатель содержит каскадов, каждый из которых может находиться в  одном из двух   состояний,  характеризуе­мых фазовыми  сдвигами  0  или  . С помощью  различных комбинаций состояний каскадов фазовращателя может быть реализован любой фазовый сдвиг в пределах от 0 до 2 с дискретом .

Фазовое распределение в раскрыве решетки при дискретном фазировании рассмотрим на примере линейной решетки, излучатели которой расположены эквидистантно вдоль оси Х.

При дискретном фазировании в направлении  ,  вначале определяется точное значение фазы каждого элемента решетки

,

где  - координата -го излучателя.

Затем полученное точное значение фазы дискретизируется, т.е. рассчитывается        значение      фазы,     кратное    ,    ближайшее  к    , ,где  - операция выделения целой части. Рассмотрим графическое изображение функций  и  в зависимости от  (рис.3.6).

,

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.6

 



 
сертификат гост рв 0015 002 2012 цена - самая свежая информация у нас на сайте