Основы теории антенных решеток

Одним из способов достижения требуемых высоких направленных свойств антенн, является использование антенных решеток – многоэлементных систем, в которых элементы возбуждаются токами с требуемым соотношением амплитуд и фаз. В конструктивном отношении применение таких решёток создаёт предпосылки для уменьшения продольных размеров антенн высокой степени направленности и, как следствие, уменьшает занимаемые ими объёмы.

Антенная решетка (АР)- это антенная система, состоящая из нескольких одинаковых и одинаково ориентированных антенных элементов.

 

2.1. Классификация антенных решеток и терминология

 

Классификация антенных решеток может осуществляться различным образом:

По геометрическим признакам:

· линейные (прямолинейные), кольцевые антенные решетки;

· плоские, выпуклые, конформные и объемные антенные решетки;

· дискретные и непрерывные антенные решетки;

· эквидистантные, неэквидистантные антенные решетки.

По способу возбуждения:

· равноамплитудные, синфазные и несинфазные антенные решетки;

· антенные решетки с параллельной, последовательной и смешанной схемой питания.

· коммутационные антенные решетки;

· фазированные антенные решетки;

· антенные решетки с синтезированным раскрывом.

 

По типу элементов:

· вибраторные антенные решетки;

· волноводные антенные решетки;

· рупорные антенные решетки;

· решетки спиральных антенн;

· решетки диэлектрических стержневых антенн;

· волноводно-щелевые антенные решетки;

· микрополосковые антенные решетки.

 

По направленным свойствам:

· антенные решетки нормального, наклонного, осевого (обратного осевого) излучения;

· многолучевые антенные решетки;

· сканирующие антенные решетки

· переотражающие антенные решетки;

· сверхнаправленные антенные решетки;

Дискретной называют антенную решетку, состоящую из конечного числа элементов.

Непрерывной называют антенную решетку конечных размеров, содержащую бесконечное число элементов.

Линейная антенная решетка образована элементами, фазовые центры которых расположены на одной (не обязательно прямой) линии. В плоской антенной решетке фазовые центры элементов лежат в одной плоскости.

Эквидистантной называют антенную решетку, все элементы которой расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.

Конформная антенная решетка – это решетка, излучающая поверхность повторяет форму поверхности некоторого объекта.

В равноамплитудной антенной решетке все элементы возбуждены токами (полями) с одинаковыми амплитудами, в синфазной решетке фазы возбуждающих токов (полей) одинаковы.

Фазированная антенная решётка (ФАР) представляет собой систему антенных элементов с электрически управляемым фазовым распределением возбуждающих токов (полей).

В сканирующей антенной решетке реализована функция управления пространственным положением главного лепестка диаграммы направленности – сканирование.

Многолучевыми обычно называют фазированные антенные решетки, с несколькими входами, каждому из которых соответствует независимо управляемый главный лепесток парциальной диаграммы направленности. Амплитудно-фазовое возбуждение элементов решетки формируют с помощью диаграммообразующей схемы (ДОС)

Адаптивная антенная решетка представляет собой систему, состоящую из антенной решетки и связанного с ней устройства обработки сигнала (процессора), изменяющего свои параметры в соответствии с информацией, заключенной в принимаемых сигналах.

Активной фазированной антенной решеткой (АФАР) называют систему, содержащую в каждом элементе (в зависимости от ее назначения) активный модуль: генератор, усилитель, преобразователь или умножитель частоты.

Ось решетки - это воображаемая линия, на которой располагаются фазовые центры ее элементов.

Шаг решетки - это расстояние между фазовыми центрами соседних элементов.

Раскрыв решетки - это участок воображаемой поверхности, в пределах которого расположены излучающие поверхности всех элементов рассматриваемой решетки.

Амплитудное распределение - функция, отображающая последовательность значений амплитуд возбуждающих токов (или полей), в зависимости от порядкового номера элемента решетки.

Фазовое распределение - функция, отображающая последовательность значений фаз возбуждающих токов (или полей), в зависимости от порядкового номера элемента решетки.

Коэффициент замедления - величина равная отношению фазовой скорости волны, распространяющейся в направлении какой либо координаты раскрыва решетки к скорости света в свободном пространстве

Множитель системы антенной решетки - это комплексная характеристика направленности воображаемого аналога данной решетки, образованного из ненаправленных элементов.

 

2.2. Простейшие расчетные соотношения

 

Если пренебречь взаимным влиянием элементов, то с достаточной степенью точности характеристика направленности антенной решетки может быть представлена в виде произведения характеристики направленности элемента такой системы, на множитель системы (множитель комбинирования). Это соотношение называют теоремой перемножения:

 

, (2.1)

 

где – характеристика направленности одиночного элемента решетки, а функция носит название множителя системы.

При решении задачи исследования свойств антенной решетки в строгой постановке следует учитывать взаимное влияние соседних элементов, которое может быть различным (скажем, в центральной части на краю решетки), вследствие чего свойства (полное входное сопротивление, ДН, распределение токов) элементов решетки оказываются неодинаковыми.

С практической точки зрения наиболее наглядным является изучение направленных свойств антенных решеток на примере линейной эквидистантной решетки.

При заданных геометрических параметрах решётки характер излучения определяется амплитудным и фазовым распределением токов (полей) в ее элементах.

Различают три режима работы линейной антенной решетки при линейном законе распределения фаз: режим нормального излучения (где разность фаз токов (полей) в соседних элементах ), режим наклонного излучения () и режим осевого излучения ().

Множитель системы эквидистантной равноамплитудной антенной решетки при линейном набеге фазы описывается выражением

 

, (2.2)

 

где – число элементов в решетке, – шаг решетки, угол отсчитывается от оси решетки, , – длина волны в свободном пространстве.

 

Режим нормального излучения (). Анализируя выражение (2.2) можно определить направления, в которых излучение отсутствует (нули характеристики направленности). Приравнивая числитель в (2.2) нулю найдем

 

, , (2.3)

 

где знак «плюс» соответствует направлениям , а знак «минус» – . Из (2.3) получаем формулу, определяющую положение нулей амплитудной характеристики направленности

 

Ширину главного лепестка ДН по уровню нулевого излучения и по уровню половинной мощности можно определить, воспользовавшись выражениями

 

, .

 

Функциональная зависимость множителя системы от координатного угла, определяемая выражением (2.2), является периодической с периодом равным .

Отметим, что при большом шаге решетки наблюдается появление побочных главных лепестков, между которыми всегда имеется нулей и боковых лепестков, уменьшение шага ведет к уменьшению числа побочных главных максимумов.

Для того, чтобы полностью исключить появление в множителе системы нескольких главных лепестков, следует выбирать шаг решетки исходя из условия , а для уменьшения уровня боковых лепестков рекомендуется применять еще более жесткий критерий: . При этом для такой решетки уровень первого бокового лепестка дБ.

 

Коэффициент направленного действия равноамплитудной линейной решетки в режиме нормального излучения при числе элементов и шаге можно рассчитать по следующей приближенной формуле

 

,

 

где - длина решетки.

Коэффициент направленного действия равноамплитудной линейной решетки в режиме осевого излучения (при и шаге ) можно рассчитать по следующей приближенной формуле:

 

.

 

Оптимальный режим осевого излучения соответствует (при выбранном количестве элементов и шаге решетки при ) максимуму КНД. При этом оптимальное значение фазового сдвига токов (полей) в соседних элементах определяется из соотношения

 

.

 

Коэффициент направленного действия решетки в оптимальном режиме

 

.

 

Режим наклонного излучения (). В этом случае все элементы равноамплитудной решетки возбуждаются с постоянным фазовым сдвигом, причем фаза возбуждающего тока линейно нарастает (либо убывает) с ростом номера элемента. Максимум излучения отклоняется от оси решетки, при этом для отдельных элементов разность хода волн в этом направлении компенсируется сдвигом фазы возбуждающего тока , откуда имеем .

Из последнего выражения видно, что, меняя фазовый сдвиг, можно управлять угловым положением главного максимума ДН решетки. Направления нулевого излучения ДН определяются из условия , из которого следует . При относительно малых отклонениях ширина главного лепестка ДН определяется по формулам

 

, .

 

Режим осевого излучения (). При синфазное сложение полей осуществляется в направлении оси решетки , в этом режиме для получения только одного главного максимума шаг решетки следует выбирать значительно меньшим чем .

При направлений, в которых поля всех элементов синфазны, не существует. Однако, при значениях фазового сдвига близких к , основной лепесток ДН сужается тем сильнее, чем больше , а относительный уровень боковых лепестков при этом возрастает.

Оба перечисленные фактора по-разному влияют на величину максимального КНД. А именно: в начале, по мере роста преобладает фактор сужения главного лепестка ДН и КНД растет, достигая максимума при . Затем КНД начинает падать из-за роста относительного уровня боковых лепестков ДН.

Оптимальный режим осевого излучения соответствует (при выбранном количестве элементов, шаге решетки и ) максимуму КНД.

При этом оптимальное значение фазового сдвига токов (полей) в соседних элементах определяется из соотношения ; ширина главного лепестка ДН может быть найдена из выражений , ; а относительная величина первого бокового лепестка ДН дБ.